流体流动减阻终稿

1、流体流动减阻技术综述Xx（能源科学与工程学院，热能工程系）摘要：目前, 对于流动减阻的相关研究和应用越来越多, 许多有效的流动减阻方法得到了广泛的应用。对于这些方法的减阻机理, 一般认为是通过增加粘性底层的厚度实现减阻的。其中超疏水表面减阻是当前研究的热点，应用前景十分广阔。表面浸润性是固体表面重要特性之一，通常采用液滴在表面的接触角大小来衡量，当表面接触角大于 150°时，该表面被称为超疏水表面。表面微细粗糙结构是获得超疏水表面的关键。随着微纳米科技的发展，超疏水表面的可控加工成为可能，由于其广阔的应用前景，超疏水表面的浸润性及其应用成为研究的热点。然而,目前关于流动减阻机理的研究

2、还不是十分成熟, 需要进一步进行研究。关键词：热能工程；减阻；滑移长度；超疏水表面中图分类号：文献标识码： 文章编号：Review of technology on the fluid flow drag reductionJIANG Tao(School of energy science and engineering, Department of thermal engineering)Abstract：“Drag Reduction”is a hotspot research of the hydrodynamics with more and more research work a

3、nd applica-tions. Many drage reduction methods are used widely, and the mechanism research of these methods are also developing.Generally speaking, the thickening of the viscous sublayer is the main academic reason. In all the methods, The super hydrophobic surface drag reduction is the focus of cur

4、rent research, and has very broad application prospects. The wettability is one of the key features of solid surface, usually the contact angle of droplets on the surface is used to measure wettability, when the contact angle is greater than 150°, this surface is called super-hydrophobic surfac

5、e.the microstructure on the surface is the key factor to get superhydrophobic surface. With the development of microprocessing technology, man-made superhydrophobic surface is possible. Because of its broad application, the wettability and application of superhydrophobic surface become a hot researc

6、h. But the research work of the drag reduction is not so mature, need more further development.Key words：thermal engineering; drag reduction; slip length; super hydrophobic surface0 引言能源问题一直以来都受到世界各国的重视，实际工程里到处可以看到换热和流动的问题，如化工、石油、动力以及航空、航天、核能等工业部门。节约能源，降低消耗，提高流体机械的工作效率，提高热交换效率等是人类一直追求的目标。首先，从流动减阻方面来

7、说，对于自然界中的流动状态，人们一般将其分为层流流动和和湍流流动；对于雷诺数较小的层流流动来说，它的流动控制策略研究已经相当成熟，且现存的绝大多数问题在实际工程应用中已经很成熟，可靠度也很高。当雷诺数足够大时，流动变成湍流，流动状态变得很复杂，湍流中各物理参数，如速度、压力、温度等随时间与空间发生变化。而对于较大雷诺的紊流流动，是实际中较常见的一种流体形态，对它的研究具有广泛的应用前景。湍流研究最多的就是湍流流动减阻的研究。目前，减少输送过程界面上的摩擦阻力是节约能源的一种方法，这就需要采取措施降低输运过程的流动阻力。流动减阻的方法一般有：仿生减阻（包括沟槽减阻、肋条减阻、柔顺壁面减阻、疏水表

8、面减阻）、动态减阻（包括气幕减阻、壁面振动减阻、壁面吸入法减阻、等离子体减阻、壁面加热和冷却减阻）、静态减阻（包括添加剂减阻（聚合物减阻、表面活性剂减阻、纤维材料减阻）、涂层减阻、磁性液体粘性减阻）、浆体管道减阻（包括螺旋流减阻、螺旋管道、改变管道形状减阻）、联合减阻等 李康宁. 波纹面传热与流动特性的大涡模拟D.天津：天津大学，2011.Li Kangning. The large eddy simulation of characteristics of heat transfer and flow ripple D. Tianjin: Tianjin University, 2011。本

9、文将对国内外减阻技术的主要成果进行回顾，并对其减阻原理进行总结和分析，简单介绍其在工业领域的应用。1 减阻技术综述这些年来, 关于减阻的实验研究比较多, 取得了许多相关的资料和数据,有一些已经得到了广泛的应用。主要包括沟槽法、气泡法、柔壁法、高聚合物添加剂法、高分子涂层减阻和壁面振动减阻等。 王英奎, 江春波, 李 玲. 流动减阻的研究综述J.水力发电，2008,34(2):67-70.Wang Yingkui, Jiang Chunbo, Li Ling. Review of research on drag reductionJ, Hydroelectric power,2008,34 (

10、2): 67-70.1.1 仿生柔壁法20 世纪 60 年代, Kramer 发现“人造海豚皮”的减阻效果后, 柔壁减阻越来越受到人们的重视。通常的做法是在固体壁面上加泡沫塑料, 往中间充满水或油等液体后, 在上面蒙一层不渗透或半渗透性的薄膜, 这样就能产生一定的弹性。近期 Cooper 和 Carpanter 致力于研究优化柔顺涂层以达到最大程度地降低表面摩擦阻力, 例如采用复合柔顺嵌板以及各向异性的涂层等。他们还研究了柔顺性转盘对边界层转捩的影响。俄罗斯学者 Kulick 和 Semonov 研究证明柔顺壁能有效降低表面摩阻和流动噪声, 降幅可达 17%。诺丁汉姆大学的 Choi 对其结果

11、进行了一系列的验证试验, 结果表明其中一种柔顺壁的湍流减阻率可达 7%, 相应的柔顺壁下游的表面摩擦力下降 7%。 Choi K- S, etal. Emerging techniques in drag reduction M. Me-chanical Engineering Publications London, l996.一般认为, 柔顺壁的作用使得粘性底层变厚, 边界层上流速梯度减小, 从而减小了边界面上的剪力, 也减小了由于剪力做功而发散的能量, 实现了减阻。1.2 壁面震动减阻该方法是最近才出现的一种减阻方法。这种方法的基本思想是壁面的振动可以减小湍流和表面摩擦力, 最初是利用直

12、接数值模拟(DNS) 研究得到的。 Arturo B, Maurizio Q. Turbulent drag reduction by spanwise walloscillationsJ. Applied Scientific Research, 1996, 55:311- 326.美国伊利诺斯大学的 Mao Zhuoxiong 等首先进行了大振幅壁面振动减阻试验, 在雷诺数 970019200 的范围里,减阻率达到 10%15%。Laadhari 等为了验证 DNS 结果, 也进行了试验, 研究壁面顺翼展方向振动时湍流边界层的情况。结果表明, 靠近振动壁面处湍流边界层的平均速度梯度减小,

13、湍流强度减弱, 从而验证了壁面振动可以减小湍流边界层的表面摩擦阻力。目前针对该方法的研究文献较多, 关于机理的分析有两种说法: 一是认为减阻与振动壁面上周期性的 Stokes 层产生的顺翼展方向的涡旋状态有关, 因为它在粘性底层减小了平均流速梯度, 从而影响了边界层的剖面, 近壁区流向涡也顺翼展方向重新排列, 从而减弱了横向边界层的流向涡的波动强度。另一种说法认为, 在湍流边界层存在准流向涡的再生循环现象, 壁面湍流就是靠它来维持的。一般认为准流向涡是产生湍流表面磨擦力的直接原因, 而壁面振动干扰了准流向涡的再生循环从而实现减阻。1.3 超疏水表面减阻表面润湿是固体表面的重要特性之一，也是最常

14、见的一类界面现象，润湿性通常用表面液滴的接触角来衡量，通常将接触角小于 90°时的固体表面称亲水表面（hydrophilic surface）,大于 90°称疏水表面（hydrophobic surface），其中，当固体表面上液滴的表观接触角超过 150°时，称超疏水性表面（superhydrophobic）。它在工农业生产和人们的日常生活中都有着非常广阔的应用前景 江雷. 从自然到仿生的超疏水纳米界面材料N.科技导报. 2005, 23(2):4-8.Jiang Lei. Materials with superhydrophobic surface from

15、 nature to nanostructuredN. Science and technology review. 2005, 23 (2): 4-8.，如输油管路减阻、微通道流动、水中行具减阻、自清洁表面材料等。超疏水表面的减阻机理实际上是由流体流经固体表面时所存在的气液接触特性决定的。Jia Ou 和 Jonathan P.Rothstein的实验表明，流体的压降与气液接触面上的滑移速度有着直接的联系，并且气液接触面的存在减小了液体和固体的有效接触面积，也就是在流固界面上存在滑移边界条件，这种滑移边界条件在层流条件下能够造成明显的减阻效果，而在湍流条件下它对流动的影响仍不十分确定。1.4

16、 微气泡减阻在物面上造成气泡, 利用气泡的小摩阻性和易变形特点来调节底层流动结构以减阻。西北工业大学的宋保维等研究了边界层中的微气泡对平板表面摩擦阻力的影响, 在一定条件下, 计算得到减阻率在 60%左右 宋保维, 黄景泉. 微气泡降低平板阻力的研究J. 水动力学研究与进展 A 辑, 1989, (4) : 105- 114.Song Baowei, Huang Jingquan. Micro bubble reducing resistance of flat J. water dynamics research and development of A series, 1989, (4):

17、 105- 114。他们认为微气泡减阻的机理在于: 位于边界层内的微气泡本身具有变形能, 它把剪切力作用于流体的一部分功转为变形能储存起来, 从而减少了能量损耗, 导致减阻。但此方法有一个很大的缺点, 就是气泡不稳定, 一旦破裂将产生较大的阻力和噪声; 同时, 如果气泡太小又不能达到减阻效果, 因此应注意气泡的产生和消除。1.5 沟槽法减阻目前的各种湍流减阻方法中，沟槽表面减阻技术以其减阻效果显著和易于推广使用的特点，被公认最具使用潜力。该技术起源于仿生学对鲨鱼等鱼类表皮的研究(图1)，通过在航行体外表面加工具有一定形状尺寸的沟槽结构（沟槽方向与流向一致，有V形、U形等多种形状），就能达到很好

18、的减阻效果。该项技术在国外已投入了实际应用，如空中客车将A320试验机表面积的约70%贴上沟槽薄膜，达到了节油1%2%的效果；NASA兰利中心在Learjet型飞机上开展的类似飞行试验显示，沟槽表面的减阻量约为6%左右；另一个典型的例子就是Speedo公司（美国）生产的具有表面的游泳衣。胡海豹，宋保维，潘光，等. 鲨鱼沟槽表皮减阻机理的仿真研究J.系统仿真学报，2007,19（21）:4901-4907Hu Haibao, Song Baowei, Pan Guang, et al. The simulation study about drag reduction mechanism of

19、shark riblets surfaceJ. Journal of system simulation ,2007,19 (21): 4901-4907 图1 鲨鱼表皮局部放大照片 Fig.1 Shark skins local magnification pictures近些年来, 对肋条减阻机理的研究越来越多。Gallagher和 Thomas 认为粘性底层厚度增加是实现减阻的主要原因。Bacher 和 Smith 归结为反向旋转的流向涡与肋条尖顶形成的小的二次涡的相互作用, 认为二次涡减弱了与低速带条相联系的流向涡, 并在肋条之间的沟槽内保留低速流体。Choi认为, 最主要的是纵向凹槽

20、与马蹄形涡相互作用并阻碍漩涡的进一步发展, 从而实现了湍流减阻。Walsh 认为, 狭窄的 V形肋间沟槽的沟谷保留有低摩阻的低速安静流, 因而降低了总的阻力。这一点被 Park 和 Wallace 对肋条侧面摩阻的精细测量所证实。由于沟槽法减阻的可靠性和可应用性, 国外的研究已经进入了工程实用阶段, 主要在航空界应用较多。1.6 涂层减阻涂层减阻是在管道或明渠内壁涂上减阻材料以达到减阻效果的方法, 其关键技术在于减阻涂料和涂敷技术两个方面。该方法最早在 1953 年就应用于石油管道干线输气, 发现可以使输气量增加 5%20%。后来该方法有了更进一步的发展, 目前在天然气输运领域得到广泛应用。朱

21、秀芳等研究了多种高分子涂层在水中的减阻效果, 发现硅油的减阻效果最好。其机理主要是利用了硅油的疏水性, 使得壁面更光滑, 从而减小了阻力。我国天然气管道正处在一个空前繁荣的发展阶段，在未来几年里将有包括约7000km的西气东输复线在内的多条天然气管线建设。为了减少输送阻力、提高输气效率，天然气管道采用了内涂层减阻技术。内涂层减阻技术在欧美工业发达国家的应用已经有很长的历史，国内在西气东输天然气管道工程以后陆续采用了内涂层减阻技术。 崔 超，刘忠胜，陈 明，等. 内减阻技术简述及涂层缺陷与对策J.现代涂料与涂装，2007,10（7）:50-52Cui Chao, Liu Zhongsheng,

22、Chen Ming, et al. The internal drag reduction technology and coating defects and Countermeasures J. modern paint and coating, 2007,10 (7): 50-52内涂层减阻技术基本原理源于阿芒汤摩擦定律： 式中：摩擦系数； 外力； 正压力； 接触表面积；剪切强度；压缩流动压力。因此，若在硬底材上涂一层剪切强度较低的减阻涂料，就会得到低剪切强度和高流动压力，因而降低摩擦系数。因为高分子减阻涂料的分子特质可以改变钢管内壁的刚性边界，使其边界层内壁上的流体速率梯度降低，从而降

23、低流体对钢管内表面的剪力而达到减阻的目的。所以内涂层的质量对减阻效果尤为关键，而内减阻涂料是内涂层的物质基础，涂覆过程是内涂层的实现形式，也可以说内减阻涂料和涂覆过程是内涂层减阻技术的关键。1.7 高聚合物添加剂减阻高聚合物添加剂法是近年来减阻研究的一个重点, 它通过在流体中溶入少量长链高分子聚合物来实现减阻。高聚合物添加剂减阻是通过从液体内部边界创造条件以实现减阻, 它们有一个共同的特点就是分子量的量级都高达百万。Baron 等采用有限可伸长的柔性哑铃状模型对有聚合物添加剂的边界层进行了直接数值模拟(DNS) 计算。结果表明, 聚合物添加剂能够影响流向涡的强度, 增大低速带条的间距, 从而减

24、小湍流的剪切应力实现了减阻。Yarin 等则归结于聚合物稀溶液的高粘度阻碍了涡的扩展, 降低了湍流的猝发频率, 使得流速更加平稳从而导致减阻。荷兰代夫特科技大学的 Den Toonder 通过试验认为, 聚合物扩散引起的各项异性的粘性应力是导致减阻的主要因素。由于该方法容易实现并且效果较好, 在很多领域得到了广泛应用。尤其在原油输送中, 可明显节约能源和设备。在水射流技术方面, 也可采用聚合物添加剂, 以提高高速水流的出口动量和射程等。 尹国栋, 高淮民，等. 聚合物减阻机理研究 J. 油气运输,2002, 21(7): 1- 2, 12.Yin Guodong, high Huaimin,

25、et al. The mechanism of polymer drag reduction J. oil and gas 2002, 21 (7): 1- 2, 122 超疏水表面减阻随着微纳米材料科学技术的迅猛发展，固体的表面结构和粗糙度可实现微纳米级的尺度控制，使得固体表面拓扑和结构尺寸对润湿性成为很多领域的研究热点，涌现了大量关于疏水和超疏水表面疏水特性的研究论文，但该类研究大都采用液滴方式对表面疏水特性进行研究，缺乏不同液滴形成方法对表面疏水特性影响的分析研究。直到 Yang-Tse Cheng发现具有超疏水性的荷叶表面在冷凝条件下无法保持疏水特性，又引发了对超疏水表面疏水特性的新认

26、识。 2.1 超疏水表面减阻技术的机理分析2.1.1 表观滑移理论在经典流体力学中，研究大部分流动问题的方法是在给定的边界条件（BC, boundary condition）下求解 Navier-Stokes 方程，因此，边界条件在一定程度上决定了流场的状态，现在被普遍采用的就是 Bernoulli 提出的由 Stokes 总结完善的无滑移边界条件（no-slip BC），认为液体自身的粘性及液体分子与固体表面分子的粘附作用，使得贴近固体壁面处的流体分子活动的可能性极小，宏观上认为其与固体壁面相对静止。几百年来，无滑移边界条件圆满解决了几乎所有的宏观流动问题，然而它仅仅是一种经验条件，迄今为止

27、，还没有办法从流体动力学角度加以证明。同时，对固-液界面处边界条件的研究始终没有间断过。早期的实验中，无滑移边界条件就无法解释疏水毛细管内流动的实验数据。与 Bernoulli 相对，Navier 提出了滑移假设边界条件，引入了“滑移长度(slip length)”的概念，成为今天定量研究分析滑移的标准。普通的壁面流动是很难产生滑移的。这是因为固体表面具有很强的残余化学键，对外的活性很高，显现出很强的表面能，将流体分子牢固的吸附在其表面。因此，要产生滑移效果，必须改变流动壁面的形貌来改善固-液界面之间的相互作用，形成所谓超疏水表面。大部分超疏水表面是基于 Cassie空气垫模型的，水不能完全浸

28、润固体表面。由此联想到，在固液界面上存在一层由纳米气泡构成的气膜。近年来在固液界面的实验观察证实了纳米气泡的存在。对于复杂的不均匀的超疏水表面，水流过时阻力的减小和滑移现象的产生，也从宁一个方面证明了不显示摩擦阻力的气/液界面存在，支持了水在超疏水表面上流过时存在纳米气泡的设想。吕田. 超疏水表面润湿性与流动减阻机理研究D.上海：上海交通大学，2009.Lu Tian. Super hydrophobic surface wetting and flow drag reduction mechanism study D. Shanghai: Shanghai Jiao Tong Univers

29、ity, 20092.1.2 国外超疏水表面流动减阻及模拟基于上述超疏水表面滑移流动的理论，人们基本对超疏水性微纳米结构表面减租的机理形成了共识，即超疏水性表面微纳米级的微凸起依靠表面张力支撑流动流体，流体主要从微凸起间的空气层流过，流固接触面积急剧减小，从而降低了表面粘性摩擦阻力所致。超疏水表面的流动方向与沟槽方向垂直。在层流条件下，Keizo Watanabe 等采用 6mm,12mm 直径的圆管，内壁涂有超疏水性薄膜（表面存在 1020m 大小的交叉微裂纹），测量了压降和速度剖面，结果表明在层流条件下减阻效果可达 14%，而在湍流条件下这种减阻效果消失。Ou等人设计了在流向上具有微槽的超

30、疏水表面结构，如图 2所示。并通过采用 -PIV 技术测得微通道内的速度流场（图3），可以明显地观测到在液气接触面上液体的滑移流动。并通过数值模拟的方法出以下结论 1.微脊空隙的增加和微通道宽度的减少，将增大无量纲压降比，增强滑移效果；2.微脊间隔有一个临界值，当小于这个临界值时，不能得到压降的明显减少，阻力不会减少，滑移遭到破坏；3.在自由剪切面处获得了大于主流平均速度 60%的滑移速度。然而，对流动的影响不会向远离壁面处扩展。 Ruckenstein E, Rajora P. On the no-slip boundary condition of hydrodynamics. J. Co

31、lloid Interface Sci. 1983, 96 (22) :488-491.超疏水表面在湍流流动下是否具有减阻效果仍存在争议。Kim 等人采用直接数值模拟的方法（DNS）对此进行了研究。通过在壁面添加不同方向的滑移边界条件，来研究滑移边界对湍流的影响。通过设定不同的滑移长度，比较其减阻效果。通过对近壁面处涡量结构的观察发现，流向滑移会造成近壁面涡量减小，展向滑移会造成涡量增加，正是这两个方向滑移流动的共同作用，决定了该表面表现出减阻或增阻的效果，要想在湍流流动中获得明显的减阻效果必须使得流向上的滑移长度大于某一特定的值。郭云鹤，宋保维，胡海豹，等. 非稳态下超疏水表面减阻仿真研究J

32、空气动力学学报，2013,31（3）:326-332.Guo Yunhe, Song Baowei, Hu Haibao, et al. The simulation study of super hydrophobic surface drag reduction in non stable J aerodynamic Sinica, 2013,31 (3): 326-332.图2 超疏水表面结构示意Fig.2 Schematic diagram of the experimental microchannel flow cellmicrochannel flow cell图3 技术所测得流

33、速分布图Fig.3 Velocity profile from the -PIV measurement2.1.3 国内超疏水表面流动减阻及模拟郭云鹤等对非稳态和稳态下的超疏水表面减阻做了对比研究，由于非稳态情况下的气液交界面分布与稳态情况下的完全不同，所以，二者在流场特性和减阻规律上也必定有着很大的区别。因此，分别在非稳态、稳态情况下开展了不同超疏水表面减阻仿真对比研究。首先，选取槽深、槽宽、槽间距均为10m的矩形槽在不同速度下进行仿真对比。图4和图5分别显示了不同速度下稳态与非稳态模拟在减阻率和滑移速度方面的对比。图4 不同速度下稳态与非稳态减阻率对比Fig.4 Drag reductio

34、n rate contrast by unstead，And steady under different speeds图5 不同速度下稳态与非稳态滑移速度对比Fig.5 Sliding speed contrast by unsteady and steady under different speeds可以看出，非稳态情况下的减阻率比稳态情况下要低，只有在来流速度为4m/s时减阻率基本相等。稳态情况下的减阻率随速度增加一直在增，而非稳态的减阻率则在4m/s时达到最大，继续增大流速反而会使减阻率降低。无论是稳态还是非稳态，滑移速度均随来流速度增加而快速增长，且非稳态情况下的滑移速度要更高。与

35、稳态情况下不同的是，非稳态情况下减阻率曲线与滑移速度曲线走势并不一致。造成这一现象的原因是：非稳态下的凹槽表面也承受了更大的压差阻力。研究得出：非稳态与稳态模拟的结果不同，非稳态下得到的疏水表面减阻率随来流速度增加呈现先增大而后降低的趋势，超疏水表面微结构内部初始时充满的气体随流动不断被向上托起后向下游移动，部分水则进入凹槽中，而留在凹槽中上部的气体被来流加速形成稳定的旋转气团，且气体漩涡持续稳定存在。2.2 超疏水表面的应用功能性应用的众多需求一直驱使着超疏水表面不断研究发展。现如今,在不同的领域涌现出一大批新型、高效的应用方式。超疏水表面的一个很重要的应用即为其超疏水性的可逆性。超疏水可逆性原理可应用于液滴或纳米粒子的操纵和微米级毛细管引擎。T uteja 等在油料输送管道和储油罐内制备出以低表面能物质修饰的粗糙表面,同样可以适用于低表面能油料流体的输送。这一成果具有很高的工业应用价值,其规模化应用潜力巨大。在铜面形成超疏水涂层,二者之间粘着力较好,且经过该法处理的铜,可以在海水环境中保持一个月。这一实验的成功,为海中作业的船舶、设备等提供了良好的防腐思路。在电池系统中引入超疏水材料可以使电池效率和耐久性得到改善。Lifton 等开发了一种基于纳米超疏水材料的新型电池。碳纳米管的超疏水性可以促使移除在电极