沟槽面在湍流减阻中的技术研究及应用进展

针对长输管道中存在的能源消耗问题,分别从湍流边界层流动特性、拟序结构、条带结构、转捩等方面归纳了沟槽面湍流减阻的国内外研究现状,讨论了沟槽的几何形状和尺度、流场压力梯度、沟槽面放置方式对沟槽减阻效能的影响。对沟槽面的减阻机理进行了综述,分析了存在的问题。指出需要利用先进的实验技术如PIV等图像处理手段,并结合计算流体力学软件对湍流边界层的瞬时流场进行研究,以找出沟槽面湍流减阻的机理。数值模拟了在平板中部横向布置的下凹沟槽的流场情况,得到了一种小涡流动结构,同时验证了这种结构在减阻中的作用,阐述了对减阻的另一种认识,并对沟槽面湍流减阻技术及其工业利用进行了展望。     

仿生二级微沟槽表面减阻特性数值模拟

快速游动的鲨鱼,其皮肤表面布满沿流动方向的沟槽,这种沟槽能够减小鲨鱼游动过程中的阻力。通过仿生技术人们设计了一系列具有单一尺度的沟槽结构,如V型、L型、U型等(定义为原始沟槽),并获得了一定的减阻效果。然而通过仔细观察,发现鲨鱼皮肤表面的沟槽并非是单一尺度的。根据这一启发,通过在原始V型沟槽顶部两侧增加小尺度三角形突起,设计了一种二级沟槽表面。利用RNGk-ε湍流模型,对原始V型沟槽和二级沟槽表面进行了流场分析。讨论了在不同雷诺数的情况下,两种沟槽壁面对湍流边界层内速度分布、沟槽壁面切应力及减阻效果的影响。计算结果表明,在一定雷诺数范围,原始V型沟槽最佳减阻4.6%,二级沟槽结构最佳减阻8.07%,二级沟槽减阻效果明显优于原始V型沟槽。二级沟槽表面能够更有效地抑制边界层内湍流流动,减小了流体流动的黏性阻力,具有更好的减阻效果。     

减阻沟槽表面近壁湍流相干运动的实验研究

以光滑平板及间隔V型减阻沟槽面为研究对象,利用二维激光多普勒测速系统(laser doppler velocimetry, LDV),获得零压力梯度时光滑平板及沟槽板上部区域湍流边界层流场的流向和壁法向的湍流脉动分量.考察了沟槽对速度脉动的二阶及三阶相关统计参数的影响,并将这些相关量的变化情况与边界层中的相干运动相结合,由此来探讨沟槽面与湍流边界层之间的相互作用规律.     

三角形沟槽旋成体表面减阻性能的数值模拟

基于仿生微小非光滑表面具有减黏降阻特性的基本思想,在高速转动旋成体表面布置不同深度和间距的三角形沟槽.采用RNGκ-ε模型对其三维流场进行模拟,分别计算表面光滑旋成体与表面具有三角形沟槽的旋成体壁面阻力系数,对比两者壁面剪应力大小可知,将三角形沟槽布置于高速旋转的旋成体表面,可降低旋成体在高速转动时壁面的空气阻力,从而降低动力消耗,并且沟槽深度和间距均对旋成体壁面阻力产生不同影响.与光滑旋成体相比,三角形沟槽旋成体最大减阻率为12.060%.     

沟槽壁湍流减阻机理的氢气泡流动显示及数字图像分析

应用氢气泡流动显示和数字图像处理技术,对微型沟槽壁面平板湍流边界层的减阻机理进行了实验研究.对开口循环水槽中沟槽壁面及光滑平板壁面湍流边界层近壁区高低速条带流动结构及其猝发现象进行了氢气泡流动显示,应用"帧间比较"定量分析方法,获得了水平平面内流向脉动速度、展向脉动速度的平面分布,并对沟槽壁面和平板壁面近壁面区域湍流相干结构的氢气泡流动显示图像进行了比较分析,根据流向脉动速度、展向脉动速度的平面分布分析了沟槽壁面及光滑平板壁面湍流边界层近壁区高低速条带结构的展向尺度特征,从壁湍流相干结构控制的角度研究了沟槽壁面平板湍流边界层的减阻机理.     

表面活性剂与纵向微沟槽协同减阻实验研究

根据表面活性剂溶液发生减阻时可放大近壁湍流涡尺度的特性,以及纵向微沟槽通过约束近壁流向涡运动实现减阻的机理,指出了两者在减阻机理上存在互补的可能性,并对两者的协同减阻性能进行实验研究验证,分析两者的协同强化减阻机理。通过研究0.22 mmol/L表面活性剂CTAC/NaSal溶液在两种不同尺寸的纵向壁面微沟槽通道内的变温度协同减阻性能,发现20℃时溶液能在纵向微沟槽的作用下强化减阻性能,最大减阻率从光滑通道的66%分别增大到G1沟槽的71%和G2沟槽的74%;减阻溶液的临界雷诺数及临界温度在G1沟槽通道内比在G2通道内小,但在G2沟槽通道内则与光滑通道的基本相同;微沟槽的减阻尺寸在减阻溶液中得到了放大;表面活性剂与纵向微沟槽的协同强化减阻机理在于表面活性剂放大了近壁湍流涡尺度,使微沟槽能约束住更多的近壁流向涡,同时也使微沟槽能在更高雷诺数下仍有减阻强化性能。     

MIRA阶梯背模型尾部非光滑表面优化设计方法

为探索车身非光滑表面特征参数的优化设计方法,在MIRA阶梯背模型尾部分别布置凹坑型、凸包型和沟槽型非光滑表面,进行计算仿真和风洞模型试验对比分析不同非光滑单元的减阻效果。以非光滑单元体间距与高度为设计变量,以模型气动阻力系数为优化目标,采用拉丁超抽样方法进行样本设计,建立Kringing近似模型并检验拟合精度,运用NSGA-II遗传优化算法分别对凹坑型、凸包型和沟槽型非光滑表面特征参数进行优化。对比优化前后流场参数,分析车身非光滑表面减阻的机理。仿真结果和风洞试验数据表明优化后的凹坑、凸包及沟槽型非光滑表面模型的气动阻力均进一步减小,减阻率分别达到6.92%、4.03%、4.24%,减阻效果明显。     

超疏水性圆管湍流减阻的数值模拟

针对超疏水表面功能材料在流动减阻方面的潜在应用,使用数值模拟方法研究了超疏水性圆管内的湍流流动特性.研究表明:其流场中存在临界Re,当Re大于此临界值时,超疏水性圆管内的湍流流动表现为减阻;反之,则表现为增阻.超疏水表面无滑移壁面与自由剪切面的综合效果是导致这一现象的主要原因.     

减阻杆对旋风分离器流场特性的影响

为了解减阻杆对旋风分离器流场特性的影响,利用激光多普勒测速仪(LDV)对安装减阻杆前后的旋风分离器流场进行测量,得到了时均速度、均方根速度、雷诺应力等参数分布。结果表明减阻杆对时均流场的影响与现有结论基本一致,对湍流特性的影响则与减阻杆截面尺寸有关。在所采用的尺寸范围内,小尺寸减阻杆使流场大部分区域的湍流脉动降低,大尺寸减阻杆则使流场大部分区域的湍流脉动增强。最后对减阻杆影响湍流脉动的机理进行了初步分析。     

二维平板横置小肋湍流减阻的数值分析及参数优化

采用RANS和LES相结合的数值计算方法,系统分析了给定条件下二维平板横置小肋对湍流摩擦阻力的影响。并开展了小肋外形及布置参数的优化研究。使用RANS方法计算平板阻力,而LES方法则着重分析流场变化过程,以分析减阻机理。通过对不同外形和参数小肋的CFD计算结果的比较分析,得到了该计算条件下减阻效果最佳的小肋参数,与光滑平板对比,最大减阻近4%。通过对流场的分析可以看到,横置小肋之间产生涡柱,改变了流体与平板的作用方式及近壁速度剖面,进而可以降低摩擦阻力。研究为进一步分析横置小肋在更宽速度和雷诺数范围内的有效性及开展全面的参数优化研究提供了基础。     

非光滑车表的空气阻力特性

基于仿生思想,将自然界中普遍存在的非光滑表面形态应用到汽车车身,利用计算流体力学数值模拟方法,研究采用非光滑车表减小汽车空气阻力的可行性.从汽车空气阻力的组成入手,通过对比光滑车表与非光滑车表汽车的外流场,分析非光滑车表对汽车压差阻力、诱导阻力、摩擦阻力的影响以及减阻机理.     

Large Eddy Simulation of New Vortex Generator Enhancing Heat Exchange of Solar Energy

This paper put forward a new-type vortex generator enhancing heat exchange of solar air-drier and air-heater on the gas side,and investigated the mechanism of heat transfer enhancement and drag reduction by the influence of vortex generators on the coherent structure of turbulent boundary layer.The flow and heat transfer characteristics of rectangle channel with bevel-cut half-elliptical column vortex generators were obtained using large eddy simulation (LES) and the hydromechanics software FLUENT6.3.The instantaneous proper-ties of velocity,temperature and pressure in channel were gained.The coherent structure of turbulent boundary layer flow was showed, and the characteristic of vortex induced by inclined-cut semi-ellipse vortex generator and its influence on turbulent coherent structure were analyzed.And the effect mechanism of turbulent coherent structure on flow field,pressure field and temperature field was discussed.Based on the results,the heat trans-fer coefficient and drag reduction of the new vortex generator with different pitch angles were compared.Some-times.the coherent effects of the increased wall heat transfer and the decreased skin friction do not satisfy theReynolds analogy.The turbulent coherent structure can be controlled through the geometry of the vortex gener-ator.so the heat transfer and drag reduction can also be controlled.Then we can seek suitable form of vortex generator and structure parameters.in order to achieve the enhanced heat transfer and flow of drag reduction in the solar air-heater and solar air-drier.     

亚音速飞行器壁面沟槽减阻研究与应用

固/气界面间强烈的剪切作用是亚音速飞行器壁面摩擦阻力产生的主要原因。该文基于k-ε湍流模型及动态网格划分技术,研究沟槽内微漩涡流动特性、沟槽结构对表面受力影响及沟槽内局部压力场及压差阻力的产生原因;以壁面阻力系数为计算目标,对沟槽形貌构型优化,获取亚音速飞行时具有最佳减阻效果的壁面沟槽形貌构型参数。在中国航天某研究院FD06风洞进行试验,试验结果表明:亚音速飞行器壁面沟槽结构可显著降低壁面阻力系数。Ma=0.4时,壁面摩擦阻力由1.7N降低为0.908N,减阻率为45.57%;Ma=0.8时,减阻率为13.5%;Ma=0.9时,减阻率为18.4%。     

非光滑表面离心泵叶轮的流动减阻特性

为了分析非光滑表面对离心泵性能的影响,基于仿生凹坑表面的减阻特性,将凹坑型非光滑单元体排布于离心泵叶片的工作面,建立具有非光滑表面的叶轮离心泵的流动减阻特性分析模型,通过RNGk-ε湍流模型对离心泵内部流场进行数值模拟,分析具有非光滑表面叶轮的流动减阻特性,研究不同流量下非光滑表面对叶片近壁面的速度分布、剪应力和离心泵内部流场的影响.结果表明:凹坑型非光滑表面能够降低因黏性阻力产生的叶轮扭矩,其扭矩的最大降幅为5.8%;非光滑表面能够有效控制叶片近壁面边界层的流体流动,减小叶片的壁面剪应力;凹坑型非光滑表面能够降低离心泵叶轮内部流体的湍动程度,减小湍动产生的能量耗散,使叶轮内部的流体流动更加稳定并提高离心泵的效率.     

城市冠层植被大气环境特性大涡模拟

 植被通过生物物理过程影响着周围微气候环境,对于城市植被环境流动的研究需要建立合理的植被模型。本研究发展了一套适于模拟植被边界层流动的大涡模拟数值方法,并通过水平均匀模型植被算例对其进行了验证。在此基础上,对空气流过三维非均匀分布钝体元阵列模型植被进行了大涡模拟,并将不同植被数值模型的计算结果与相应的风洞实验数据进行了比较。结果表明,树干部分采用刚性圆柱模拟、树冠用阻力模型的“阻力冠”方法相比于传统的“阻力元”方法能更好反映植被流动的影响。     

界面活性剂添加物对水湍流阻力抑制的实验研究

针对在水中添加界面活性剂（CTAC＋NaSal)后,湍流流动阻力大幅度下降的现象,用激光多谱勒测速仪在二维水槽中对湍流特性进行了测量,研究并阐述了这种弱阻力湍流存在的条件,以及与雷诺数、温度、浓度的关系,得出了一些重要的结论：添加界面活性剂的水溶液呈现弱阻力湍流的条件是流动雷诺数低于某个临界雷诺数：临界雷诺数随界面活性剂的浓度的增大而增大,随溶液的温度升高而减小;在弱阻力湍流流动中,主流速度曲线分布呈现明显的层流化,湍流强度明显减弱,雷诺应力几乎为零甚至出现亏损,这是湍流流动具有弱阻力的根本原因;在湍流脉动强度并未消失的情况下,雷诺应力却几乎为零,这表明湍流脉动分量之间的相关关系发生了变化。