【流体】| 湍流减阻-被 NASA 列为 21世纪的航空关键技术之一

原创 老曾 iCFD 2018-04-14

节约能源消耗是人类一直追求的目标，其主要途径之一就是在各种运输工具的设计中，尽量减少表面摩擦阻力。表面摩阻在运输工具的总阻力中占有很大的比例，在这些运输工具表面的大部分区域，流动都处于湍流状态，所以研究湍流边界层减阻意义重大，已引起了广泛的重视，并已被 NASA 列为 21世纪的航空关键技术之一。

一、湍流减阻的发现

Toms在1948年发现高分子聚合物稀溶液的湍流摩擦阻力比纯溶剂的阻力明显减小，这个异常现象称为湍流减阻现象或Toms效应。由于Toms效应可降低流体机械和流体输送过程的能量消耗，因而已成为近代流体力学的一个热门研究课题。但是，其机理目前尚不完全清楚，但肯定与高分子长链柔性分子的拉伸特性有关。具有弹性的大分子链的取向改变管流内部的湍流结构，使流动阻力大大减少。

有关减阻的研究可追溯到 20 世纪 30 年代，但直到 20 世纪 60 年代中期，研究工作主要是减小表面粗糙度，隐含的假设是光滑表面的阻力最小。20 世纪70 年代阿拉伯石油禁运和由此引起的燃油价格上涨激起了持续至今的湍流减阻研究的高潮。经过 20 多年的努力，特别是湍流理论的发展，使得湍流减阻理论和应用取得了突破性的进展。 

二、湍流减阻技术

2.1 肋条减阻

20 世纪 70 年代， NASA 兰利研究中心发现具有顺流向微小肋条的表面（以下简称肋条表面）能有效地降低壁面摩阻，从而突破了表面越光滑阻力越小的传统思维方式以后，肋条减阻一直是湍流减阻技术中的研究焦点。

近些年，为了最大限度的实现减阻，人们对肋条形状进行了大量实验和优化设计。他们测试了多种形状的肋条，包括三角形的，半圆形的、刃形的，以及三维的肋条。结果表明，V 形肋条减阻效果最好，最大可得到 10%的减阻幅度。

大量的研究工作表明了肋条表面减阻的可靠性和可应用性，国外的研究已进入工程实用阶段，空中客车将 A320 试验机表面积的约 70% 贴上肋条薄膜，达到了节油 1% ~ 2% 的效果。NASA 兰利中心对 Learjet 型飞机的飞行试验结果减阻约在 6% 左右。在国内，李育斌等在 1：12 的运七模型具有湍流流动的区域顺流向粘贴肋条薄膜后，试验表明可减小飞机阻力 5% ~ 8%。 

2.2 粘性减阻

粘性减阻就是通过或从外部改变流体边界条件或从内部改变其边界条件，依靠改变边界材料的物理、化学、力学性质或在流动的近壁区注入物理、化学、力学性质不同的气体、液体来改变近壁区流体的运动和动力学性质，从而达到减阻目的的技术。包括柔顺壁减阻、聚合物添加剂减阻和微气泡减阻。

柔顺壁减阻：自从 20 世纪 60 年代 Kramer 利用“人造海豚皮”进行柔顺壁湍流减阻试验以后，许多学者深入进行了理论和实验研究。沃里克大学的 Lucey 等研究了柔顺壁的转捩延迟作用。从理论上证明 Kramer柔顺壁具有充分的转捩延迟作用。他们的数值模拟结果与 Gaster 在 1987 年进行的一系列水池拖曳实验结果相吻合。

聚合物添加剂减阻：就是文章开头所说的Toms效应，通过从液体内侧边界创造条件，以实现减阻。聚合物添加剂减阻由于方便实现，在很多领域得到了广泛的应用。尤其用在原油的输送中，可减少长输送管线的中间泵站，节约能源和设备，提高流量和缩短船只的在港停泊时间。此外，在医学上可以用来减少血液流动的粘性摩阻，增大血流量，以治疗冠心病。在水射流技术方面，也可采用聚合物添加剂，以提高高速水射流的出口动量、切割能力、射喷量和射程。

微气泡减阻：早在 18 世纪人们就开始在船壳和水的边界之间注入一层空气，减小其表面摩擦力。但是，由于气液交界面的不稳定性，这种设想在实际中很难应用。微气泡减阻就是基于这种设想提出来的，它有效的避开了气液交界面的不稳定问题。 

2.3 壁面震动减阻

20世纪90年代才出现的一种新的方法，米兰大学的Baron和Quadrio利用直接的数字模拟技术研究了壁面振动减阻的总能量节约效果，其发现在壁面振动速度振幅在大于一定值时，不会节约能源，而是在比较小的振幅时候能量才有节约。

2.4 仿生减阻

海洋生物长期生活在水中，经过漫长的岁月，进化出了效率很高的游动机构，其表面摩擦阻力也相当的低。因此通过仿生学的研究，设计出减阻效果更好的结构，一直是学者很感兴趣的问题。 

2.5 联合减阻

就是对上面的多种减阻技术联合使用，例如将肋条面和聚合物涂层联合减阻，相关研究结果表明比起单一减阻技术，联合减阻效果更加强。