水下减阻技术研究综述

在简要回顾早期减阻研究的基础上,对现有典型水下湍流减阻技术进行了较深入地分析.重点介绍了脊状表面减阻、微气泡减阻和疏水/超疏水表面减阻的研究现状.分别从实验研究和理论研究两方面对其进行了阐述,并着重强调了各自的减阻机理. 此外,还简要介绍了柔顺壁面减阻、壁面振动减阻等其它减阻技术.展望了水下减阻技术今后的研究重点及其应用前景.      

湍流猝发的检测方法

本文对几种常用的检测湍流猝发的条件采样方法，如ｍｕ－ｌｅｖｅｌ法，ＶＩＴＡ法，ＷＡＧ法，（ｕｖ）＿２法的特点及对门限的敏感性进行了研究．并用不同方法对同一组湍流数字信号进行条件采样和条件平均，针对猝发的特征，对使用不同的条件采样方法以得到一致检测结果的途径进行了探讨．     

边界层对壁面湍流流动高分子减阻的影响

以“粘性”机制为理论基础,近年来在壁面湍流高分子减阻研究中提出了一种拉伸的高分子会产生自洽的等效粘度模型,这种等效粘度随离开壁面的距离而改变.通过等效粘度模型与Navier-Stokes方程的结合,运用雷诺应力模型计算壁面湍流减阻,并与基于高分子有限拉伸的非线性弹性哑铃模型的直接数值模拟结果进行比较,进一步校验了此等效粘度理论.通过肋条破坏槽道流中的边界层,显示了边界层对高分子减阻的影响,结果表明只有形成稳定的边界层,高分子才能有减阻作用.边界层是高分子减阻的首要条件,边界层中的粘性底层和对数率分布区之间的缓冲层可能是减阻的主要影响区域.     

倾斜吹吸控制下湍流边界层减阻的直接数值模拟

雷诺切应力是壁湍流高摩擦阻力的重要来源, 有理论认为可以通过壁面生成负雷诺应力(数值上为正)的方式来削弱湍流流场中雷诺应力的分布, 以此获得流动减阻. 而通过对雷诺平均运动方程的法向二次积分, 可以发现壁面生成正雷诺应力(数值上为负)对壁面摩擦阻力系数才有负贡献. 文中在湍流边界层流动的控制区域下边界设置一系列倾斜狭缝, 利用该装置通过周期性吹吸的方法产生壁面生成正(负)雷诺应力, 并采用直接数值模拟方法考察和验证上文提到的减阻理论. 文中采用的湍流边界层流动模型, 其流动雷诺数(基于外流速度及动量损失厚度)从300 发展到860. 文中通过多组数值模拟算例, 考察了射流强度和频率对壁面摩擦阻力系数的影响, 并对比了壁面生成正或负雷诺应力对流动的影响. 研究表明, 壁面生成正雷诺应力控制的减阻率能达到3.26, 而壁面生成负雷诺应力控制的减阻效果较壁面生成正雷诺应力控制的要差; 壁面生成的正雷诺应力对壁面摩擦阻力有负贡献, 而壁面生成的负雷诺应力对壁面摩擦阻力有正贡献; 通过考察控制的收支比, 发现控制方案不能获得能量净收益.      

二维平板湍流边界层减阻研究

利用一套以位移传感器为主的弹性平衡装置,测量几种不同表面形状设计的平板在充分发展的二维湍流边界层中的减阻效果,并对其减阻机理进行研究。结果表明,大涡破碎器 LEBU(Large Eddy Break-up)和其它减阻装置的形状和布置对表面摩擦阻力有较大影响,在有些设计状态下的平板得到了净减阻。     

表面活性剂减阻溶液湍流流动研究进展

与聚合物添加剂相比,表面活性剂具有寿命长,不受机械力和高温影响发生降解的特点,目前被认为是最具有适用价值的减阻添加剂．针对表面活性剂湍流减阻机理,尽管已经开展了大量的实验研究、理论分析和数值模拟,但仍处于探索阶段,尚未定论．文中对目前国内外有关表面活性剂减阻溶液湍流流动的研究如平均速度、湍流强度、雷诺应力和相关系数等湍流统计量以及取得的成果进行了归纳和总结．目前普遍认为阻力减小是由流动垂直方向的湍流强度受抑和脉动速度分量解耦导致雷诺应力极大降低引起的．分析了目前研究存在的问题,对今后继续开展研究提出了自己的观点．      

减阻工况下壁面周期扰动对湍流边界层多尺度的影响

通过在平板壁面施加不同频率振幅的压电陶瓷振子周期性扰动,进行了湍流边界层主动控制减阻的实验研究.在压电陶瓷振子最大减阻工况下(80 V和160Hz),使用单丝边界层探针对压电振子自由端下游2mm处进行测量,得到不同法向位置流向速度信号的时间序列.通过对比施加控制前后的多尺度分析,发现压电振子产生的扰动只对近壁区产生影响,使得近壁区大尺度脉动降低,小尺度脉动强度增大,而对边界层的外区则基本没有影响.进一步对大尺度和小尺度的脉动信号进行条件平均,发现压电振子产生的扰动对小尺度脉动的影响在时间相位上并不均匀,小尺度脉动强度在大尺度脉动为正时比在大尺度脉动为负时具有更明显的增加.这表明壁面周期扰动主要通过使大尺度高速扫掠流体破碎为小尺度结构,来影响相应的高壁面摩擦事件,从而达到减阻效果.      

壁湍流相干结构和减阻控制机理

剪切湍流中相干结构的发现是上世纪湍流研究的重大进展之一,这些大尺度的相干运动在湍流的动力学过程中起重要作用,也为湍流的控制指出了新的方向.壁湍流高摩擦阻力的产生与近壁区流动结构密切相关,基于近壁区湍流动力学过程的减阻控制方案可以有效降低湍流的摩擦阻力,但是随着雷诺数的升高, 这些控制方案的有效性逐渐降低.近年来研究发现, 在高雷诺数情况下外区存在大尺度的相干运动,这种大尺度运动对近壁区湍流和壁面摩擦阻力的产生有重要影响,为高雷诺数湍流减阻控制策略的设计提出了新的挑战.该文将对壁湍流相干结构的研究历史加以简单的回顾,重点介绍近壁区相干结构及其控制机理、近年来高雷诺数外区大尺度运动的研究进展,在此基础上提出高雷诺数减阻控制研究的关键科学问题.      

基于表面设计减阻的水下航行体模型实验与数值分析

针对水下航行体高速航行时提高航速的需要,开展近壁面湍流边界层减阻的研究。进行表面设计使旋涡流动加强导致局部空化从而产生壁面附着的微气泡,以降低流体粘性系数,伴随近壁面湍流结构的改变来实现一定幅度的减阻。设计并进行轴对称体模型在高压循环水洞中的空化现象观测和阻力测量并做了相应条件下的数值计算。。实验和数值结果分析的基本结论比较一致:某种特征表面形貌在湍流中有一定幅度的减阻,局部空化效应在中低流速下牺牲压差阻力而导致航行总阻力升高,在高流速条件下则降低总阻力。     

沙粒粒径在水平水流中对湍流调制及减阻效应的影响作用

运用基于欧拉-欧拉方法的混合欧拉多相流模型结合雷诺应力湍流模型,对较大雷诺数下的水平固液两相湍流进行了数值计算,主要考察了以Kolmogorov尺度(约为2v/ur)为临界值的细小沙粒颗粒在5％的固相体积分数下对湍流场的调制及其减阻效应.研究发现,无量纲颗粒直径dp+≤2的小颗粒减小了固液两相湍流的雷诺应力,并且三个方向上的速度脉动也被不同程度地削弱;而dp+=4的大颗粒使缓冲层区域的雷诺应力稍增大,在增强法向速度脉动的同时对流向脉动有抑制作用,并且值得关注的是,较大颗粒的存在导致缓冲层中的部分区域出现了流变现象.在减阻方面,较小的颗粒(dp+≤2)有大致相同的减阻表现,而大颗粒(dp+=4)已经失去了减阻性能,总体上看,在所研究的情形下微颗粒的减阻性能随着其粒径的增大而降低.     

脊状表面减阻机理研究

针对脊状表面流场的特点,通过实验测量和数值模拟的方法对脊状表面微观流场进行了深入研究,获得了脊状表面湍流边界层的时均速度分布曲线、湍流度分布曲线和微观流场结构.为了得到脊状结构对壁面物性的影响,对脊状表面进行了疏水性测试,获得了液滴在脊状表面上的表观接触角,并通过水洞试验验证了脊状表面的减阻效果.研究表明,与光滑表面相比,脊状表面微观流场结构中存在"二次涡",近壁区的黏性底层厚度比平板的要厚得多,湍流度显著降低,且脊状表面表现出明显的疏水性.由此提出了基于壁面隔离效应、增大湍流阻尼效应和改变壁面物性效应的减阻机理.     

基于滑移理论的超疏水表面减阻性能分析

采用滑移理论计算和数值模拟方法研究超疏水表面的减阻性能.层流流动状态的数值模拟和理论计算结果的一致性较好,并可证明滑移速度与通道内流体速度之比与无量纲压降比的数量级相当;湍流状态的数值仿真结果表明,在目前可实现的滑移速度范围内,超疏水表面对水下航行器的流体阻力影响不显著.     

Reduction of the Induced Drag of a Supersonic Wing

The oblique wing effect, i.e., a reduction in the wave drag for given lift, cannot be realized for a delta wing with supersonic leading edges owing to the lift reduction in the wing mid-section. To preserve the effect, the disturbances generated by the delta wing vertex must be eliminated by adding a body (wedge) to the wing by replacing the streamsurfaces behind the shock with rigid surfaces. Moreover, using wing tip deflection, and thereby reducing the wave drag to zero, makes it possible to obtain a lift- drag ratio close to that of the limiting, infinitely long flat plate.     

海洋减阻技术的研究现状

船舶、舰艇、鱼雷等海中航行体在海洋经济建设和海洋国防中发挥着重要作用.海中航行体的运行速度和能量消耗率是评价其性能的重要指标.利用减阻技术降低航行体在海水中的行驶阻力具有重要意义.按减阻机理对现今重要的海洋减阻技术进行分类和总结,并详细介绍其研究现状和减阻机理,主要包括仿生减阻、微气泡减阻和疏水/超疏水涂层减阻.通过对现有海洋减阻技术的总结和分析,展望了其今后的研究重点.     

Turbulent Drag Reduction Using Anisotropic Permeable Substrates

The behaviour of turbulent flow over anisotropic permeable substrates is studied using linear stability analysis and direct numerical simulations (DNS). The flow within the permeable substrate is modelled using the Brinkman equation, which is solved analytically to obtain the boundary conditions at the substrate-channel interface for both the DNS and the stability analysis. The DNS results show that the drag-reducing effect of the permeable substrate, caused by preferential streamwise slip, can be offset by the wall-normal permeability of the substrate. The latter is associated with the presence of large spanwise structures, typically associated to a Kelvin-Helmholtz-like instability. Linear stability analysis is used as a predictive tool to capture the onset of these drag-increasing Kelvin-Helmholtz rollers. It is shown that the appearance of these rollers is essentially driven by the wall-normal permeability \(K_{y}^{+}\). When realistic permeable substrates are considered, the transpiration at the substrate-channel interface is wavelength-dependent. For substrates with low \(K_{y}^{+}\), the wavelength-dependent transpiration inhibits the formation of large spanwise structures at the characteristic scales of the Kelvin-Helmholtz-like instability, thereby reducing the negative impact of wall-normal permeability.     

材料表面润湿性调控及减阻性能研究

设计合成不同结构的自组装分子,使其可以在不改变表面粗糙度的情况下改变表面的润湿性能;利用低表面能涂层修饰粗糙表面得到超疏水表面.采用流变仪和水洞试验分别在层流和湍流流动状态下测试了具有不同润湿行为的亲、疏水材料的减阻性能.结果表明:在层流流动状态,随着不同表面的接触角从13°增加到45°、113°和161°,减阻率随之从1.8%增大到7.2%、7.9%和14.9%;在湍流流动状态下,自组装涂层接触角为13°、45°和113°的三组模型的平均减阻率为0.8%、1.9%和6.8%,最大减阻率分别可达3.6%、9.2%和18.0%.两种流体流动中均存在材料表面水接触角增加减阻效率增大的行为.     

凹坑形表面在空气介质中的减阻性能研究

采用标准k-ε湍流模型对一种新型的非光滑表面———凹坑形表面在空气介质中不同条件下的流动进行了数值模拟,可以得到光滑表面和半径0.4mm的半球状凹坑分布的非光滑表面在4~48m/s范围内的来流速度下的阻力系数.计算结果表明该凹坑形非光滑表面在这个速度区间内均能产生一定的减阻效果.在速度为24m/s时,它的减阻率达到最大的7.2%.最后本文对该非光滑表面的减阻机理进行了研究.     

粘性减阻技术及其应用

本文综述了几种粘性减阻方法及其减阻的机理，联系了其在水相、油相中节约能源、材料，提高速度和效率等方面的应用