文摘

湍流是流体力学中的一个困难问题,它的规则没有完全显示。流体湍流状态将导致更大的摩擦力,必须消耗巨大的能量。因此,它不仅是一个重要的影响在节约能源和提高能源利用率也在许多领域广泛的应用前景,如船舶和航空航天领域。首先,综述了仿生减阻技术是一个热门研究问题现在,身体表面结构的减阻机理进行了分析,如鲨鱼,蚯蚓和海豚。此外,我们做一个彻底的唱片表面减阻特性和机制的研究和兼容的墙。然后,相关的减阻技术和机制进行了讨论,关注微气泡,充满活力的灵活的墙,涂料,聚合物减阻添加剂,超疏水表面,飞机表面行波表面减阻和复合减阻方法。最后,湍流减阻技术的应用和发展进行了展望。

1。介绍

能源消费的快速增长,能源问题是一个全球性问题,它必须面对和解决。节能降耗成为国内外重要的研究项目。减阻技术在交通和军事领域迫切需要实现节能目标。通过调查和研究表明,船在水中航行时,其表面的摩擦力可以占总阻力的70% ~ 80%。即使在高速运行的情况下,其摩擦力也可以约占40%1]。它可以计算出在一定的功率和能量的情况下,阻力减少10%时,船的速度和距离将增加约3.57% (2]。当流体在圆管的雷诺兹达到10⁵和湍流强度为10%,雷诺湍流应力将大约100倍层流粘性压力和压力越大,能量损失越大,将会有大量的能量消耗在摩擦流(3]。从某种意义上说,每年大量的能源消耗将被保存,即使稍微降低水下航行阻力,对于减轻能源危机具有重要意义的相对现在能源短缺。

在此基础上,人们总是致力于研究减阻方法。自然生物形式的一系列生物结构适应减阻经过多年的演变。近年来,科学家们发现,许多生物非光滑表面结构,鲨鱼和海豚的皮肤分布许多片状的肋结构(4],它可以改变湍流层的皮肤表面结构和速度分布,当鲨鱼游泳5),而蚯蚓回来可以分泌一些乳白色的液体,因此有润湿作用,能够减少土壤粘附在动物的身体表面,可以研究减阻的目的6]。这些条件的减阻在自然生物给我们伟大的见解。此外,人们也达到并开发许多减阻方法,提供多种方法和手段,获得一系列的成就。

2。仿生减阻技术

2.1。仿生学

仿生学是一个新兴学科,可以产生仿生作品,大约有一些特色的生物表面通过模仿生物系统或使用人工技术来设计和优化生物函数本身的制作和处理的许多方面功能,形状,结构,材料,等等7]。自然生物发展成多种生物的身体适应环境以满足生活的需要。这些结构,形状,和其他相关因素形成了最大的适应能力和协调的生活环境优化和耦合8,9]。仿生学最初于1960年出生在西方。在早期阶段,人们理解和模仿自然生物应用在实际生产和生活。早在2000年前的中国,人们开始有意识地模仿自然生物,例如,著名的木匠在古代,陆禁令,发明了看到的笨拙的通过观察叶片草的锯齿状边缘。在当今世界,仿生学经历了快速发展,一些研究成果已应用于人们的日常生活,例如,超声检测是研究发明的蝙蝠(10),和排骨表面减阻提出了通过观察鲨鱼游泳时(11]。

2.2。生物表面结构

2.2.1。鲨鱼的皮肤的非光滑表面

鲨鱼是海洋中游泳最快的动物,不遵守任何海洋生物的皮肤表面,有一个良好的减阻效果。通过长期观察鲨鱼皮,表面不是光滑的,而是由许多尺度槽形状,有刺,刚毛(12]。鲨鱼皮的微观结构及其模拟如图1(13]。鲨鱼皮的尺度是盾鳞,其配置紧凑、有序,锯齿状。中间的牙齿长,而旁边的牙齿是短暂的。牙向鲨鱼的尾巴方向和空间是有重叠的现象。大量的研究显示,鲨鱼皮的特殊结构主要有两个方面的作用:一方面,这种结构具有防污功能,减少粘附在皮肤上其他海底生物;另一方面,它有利于减阻在游泳。减阻的原因是,这个结构可以改变速度分布的内在结构和湍流边界层,当鲨鱼游泳,它有一个良好的减阻效果。

2.2.2。蚯蚓的非光滑的皮肤

蚯蚓是一种软体动物,它的特点是减少粘附没有土壤粘附在粘土土壤自由行动。通过蚯蚓的生物力学角度爬行,身体和土壤表面之间的摩擦阻力进行了分析。蚯蚓的特点是耦合的结果有很多因素,例如,蚯蚓的非光滑皮肤,其柔软的图,和特殊的运动方式14,15]。蚯蚓的皮肤结构如图2(6]。后面的蚯蚓洞坑凹非光滑表面结构。它可以分泌一些乳白色的液体和潮湿的环境,它可以形成一个润滑接口之间的土壤和蚯蚓的身体,减少粘连的土壤生物的皮肤。

2.2.3。海豚的灵活的身体表面

神秘的高速和低电阻,当海豚游泳,总是一个热门的研究问题为所有国家的科学家。美国、欧洲和其他国家进行了大量的理论研究和实验研究,试图找到目前的减阻机理,海豚的皮肤,主要由两个部分的研究:首先,在这个过程中海豚游泳,它的眼睛会分泌一种特殊的液体,涵盖整个皮肤配合流线型体型雕刻的海豚。液体可以减少摩擦力,当海豚游泳,有润滑功能;另一个最关键的原因是,海豚可以产生一波又一波的过程中游泳。从海豚的头部,转移到尾部以非常高的频率和最小振幅,改变海豚的皮肤变成一个灵活的,这是非常类似于柔性壁减阻的机理。更重要的是,海豚的皮肤波能产生涡层当海豚游泳,这在一定程度上影响减阻(16]。

2.3。仿生减阻方法

2.3.1。沟槽面减阻

领域的传统思想,人们总是更多的精力关注光滑表面减阻。仿生学的深入研究,人们发现唱片表面可以有效降低摩擦力在墙上。目前,坡口表面减阻的实际应用主要集中在3部分:飞机、液压传动装置、管道流体输送设备(17]。早在1980年代,德国飞机制造商开始使用这项技术。他们发现,通过这项技术,8%的燃料可以挽救,当飞机飞相同的距离。目前,美国、欧洲和其他国家研究深坡口表面减阻当飞机飞行,实现了大发展。

通过研究槽表面减阻,影响其特点主要有两个方面:其特点和流场环境。坡口表面的self-factor包括它的形状和大小。流场环境包括其压力梯度、流横截面的形状,流体的速度。研究各种几何形状的槽(包括v字形、椭圆形、半圆形、水壶和矩形),v型槽的减阻效果是最好的18]。在槽的位置的研究表面,表面在流向的分布可以有效地控制量低的地带,而横向的分布可以抑制低带的长度。研究者有很大区别放置方式对阻力的影响,实验结果仍有很大的差异。

最优减阻表面不是光滑表面所描述的经典实验(17]。沟槽面减阻与湍流流动结构。我们可以总结如下目前通过研究其机制;仅仅考虑壁面切应力从流体力学的角度来看,坡口表面减阻机制欠恶性子层厚度的增加。表面有明显的延迟从层流边界层过渡到湍流边界层(19),还可以改变墙附近地区的湍流特征(20.- - - - - -22]。从湍流相干结构的理论,其机制是流向漩涡与低速带减少和低速带的知识聚集抑制相互作用下流向漩涡和二次涡流,如图3槽下所产生的。坡口表面上的过渡地带与光滑表面持平。低速带转换有很好的线性,揭示制约槽外侧流体流动和加强流体流动的稳定性。从机械减阻的原理,类似的“空气轴承理论”可以提出。

2.3.2。灵活的墙减阻

经过长期研究海豚和鲨鱼,人们发现这些海洋生物的皮肤严重弹性,可减少药物在游泳。根据这一特点,科学家发明了灵活的墙减阻方法,涂抹聚合物固体墙壁上填写他们的空间和液体与高弹性缓冲外部压力。库珀和木匠致力于优化兼容对减阻涂层达到最好的影响(22]。俄罗斯学者、Kulick和Semonov证明柔性壁有一个重要的影响在减少流噪声和表面摩擦力的研究,最大跌幅高达7%。

灵活的墙减阻机制主要是墙粘性子层的厚度增加,推迟从层流边界层过渡到湍流边界层,减少速度梯度的边界层,从而减少固体上的剪力墙(23]。尽管如此,它仍然有一定的局限性,适用于高速和湍流状态。目击者都暴露在低速流动。应用灵活的墙在低速流,它可以减少自己的体重和深化船在水中的深度。在这种情况下,其减阻效果并不理想。

3所示。其他阻力反应方法

3.1。微气泡降阻

Microdouble减阻的主要方法之一是实现飞机减阻。microair气泡减阻的深度,它主要应用在许多领域,如船舶减阻、超声成像和污水处理。值得一提的是,微气泡对船舶减阻,影响越来越成为热点研究问题之一。帆船,减阻可以通过覆盖船体上的泡沫层。用这种方法减少流体介质的密度可以改变内部结构的边界和流体流动的运动学和动力学特征在墙附近地区,如图4。与此同时,我们可以利用小泡沫表面的摩擦力和变形控制流结构来减小阻力(24,25]。研究表明,减阻效率高达20% ~ 80%。其机制是非常复杂的,受到许多因素的影响,如船体表面的数量,大小的泡沫,船体的结构,和船体表面的流动参数,从而影响减阻效应(24]。船体表面,可以由气液混合物注入空气,可以改变内部结构。由于气泡的波动,部分工作,由应用流体的剪切力,转化为变形能量,减少能量的损失减阻效果。

目前,关于微泡沫的研究,国外学者,Madavan et al ., (26)研究微气泡降阻的因素的影响。Merkle研究微湍流边界层效应的平台。研究相对落后,我国起步较晚。基于前人的成就,王27)研究微气泡降阻机理的理论使用Mac方法计算流体动力学中轴对称的身体。现在,使用该技术领域的超级枪壳可以减少阻力,从而提高水的速度导弹如图5。

类似于灵活墙减阻,虽然微气泡降阻取得了实质性的进展,它也有许多缺点。一个明显的缺点是,泡沫覆盖船体表面不稳定,容易受到裂缝产生阻力和噪声增大。如果泡沫太小,需要减阻无法实现(24]。除此之外,它的另一个弱点是,当船航行时,微型气泡覆盖在其表面主要由电解水生成氢气和氧气泡沫。尽管反应物的来源丰富,角度不污染的环境中,需求和对电能的依赖程度很高。

3.2。充满活力的墙减阻

相对于前面的几个减阻方法,墙减振是一种相对较新的减阻技术,指展览沿着流动方向的流体通过平滑的板和振动,导致平面阻力的方法减少,如图6。荣格等人验证的周期由振动减阻效果光滑平板在1992年首次使用DNS手段(28]。近年来,国外学者已经揭示了充满活力的墙减阻机制采用DNS计算方法和分析DNS数据。有两个关于目前活跃的墙减阻机制:首先,条和漩涡产生明显的倾斜,从而产生消极高空漩涡减少粘性子层的平均速度梯度和影响湍流边界层的结构。沿着顺翼展方向的漩涡回水区重新排列,削弱了波强度的漩涡回水区横向边界层,有利于减阻。另一个理论是,墙振动干扰的再生周期quasi-streamwise漩涡,不是维持壁湍流,这可以达到减阻的影响(22]。由于湍流的复杂性,目前没有准确的表达对墙减阻和相关研究在未来需要完成。

3.3。涂层减阻

随着经济的快速发展,对原油的需求正在增加。管道建设迫在眉睫。在石油的长途运输过程中,石油和管道之间的摩擦阻力占总阻力的98%,使泵站的力量几乎完全克服摩擦(29日]。如果可以减少石油的运输阻力,它可以带来巨大的经济效益。在此基础上,管道的减阻问题一直困扰研究人员。随着涂料技术的发展,涂料在管道作为一项成熟的技术应用于石油的长途运输。在管道涂层的应用不仅可以减少阻力,而且还减少石油管道的腐蚀。早在1953年,该方法应用于石油天然气运输主干管道,可增加5% ~ 20%的天然气运输能力(30.]。魏和倪发现硅油的减阻效果是最好的。的原因是疏水性硅油可以使墙更光滑29日]。涂层的疏水性和控制壁粗糙度是涂层减阻的基本原因。

涂层减阻机制主要集中在两个方面:光滑表面减阻和低表面能减阻。在管道的过程中,由于加工精度的限制,管道总是呈现一定程度的粗糙度和表面是崎岖的。石油在管道的流动处于湍流状态,在凹凸的表面可以形成漩涡区域对象可以产生一定的压力,将损失的能量与平均凹凸物体的高度。意思是高度越高,损失的能量就越大。管壁上的涂层可以有效地减少凹凸高度光滑的墙上,这可以减少生产的机械阻力墙粗糙度。国外相关研究发现,从层流边界层过渡到湍流边界层可以推迟喷涂的涂层。低表面能减阻,喷涂的涂层改变液体的润湿程度在管壁上的疏水性涂料,降低管壁的流体的速度梯度,减少墙上的剪切力,从而达到减少运输阻力的目的。更重要的是,困难可以湿涂层减阻性能有关。越困难的涂层可以湿,更糟糕的是它的减阻效果。

3.4。聚合物添加剂减阻

除了涂层减阻,减阻的目的也可以通过添加聚合物流体。在19世纪后期,人们发现,浑水可以流动速度比干净的水在某些河流的部分。之后,他们发现船上的表面摩擦阻力小帆时在水中和水比没有水植物植物[31日]。在1940年代末,汤姆斯发现最早的减阻剂(半径标注),聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。之后,研究人员发现一个接一个其他添加剂。半径标注可以大致分为两类:水溶性和油溶性。水溶性半径标注包括田菁属权力,PAM(聚丙烯酰胺)和合成PEO(聚乙二醇)。油溶性半径标注包括烯烃共聚物和聚异丁烯32]。

在我国,半径标注的研究虽然起步较晚,仍取得了伟大的进展。在1980年代和90年代早期,成都科技大学和浙江大学合成室内半径标注一个显著的进步。中国石油管道公司的发展取得突破进展EP系列油,半径标注,形成自主知识产权,开始大规模生产。

聚合物添加剂减阻仍不成熟,但取得了一定研究成果。1967年,Virk等人发现存在一个弹性缓冲区层流和紊流之间在墙附近地区,通过测量流体速度之前和之后添加半径标注,根据,渐近线被获得。早期的研究者认为弹性缓冲区的存在导致速度的增大,增加管道的流,达到减阻的效果。此外,伯曼有了新的发现,通过注入半径标注效果优于半径标注是事先溶解在液体在1986年。专注于流体动力学特性的影响,聚合物可以改变墙上的湍流结构。Abernathy画两个结论一是聚合物可以阻碍旋涡的生成和减少旋涡的频率;另一个是聚合物可以减少涡的旋转速度。他们两人在一起会导致减阻效果。可以提出一些假设和分析结合实验结果对聚合物减阻机制,但是仍然没有统一的理论可以解释所有实验现象(33,34]。

同时,人工聚合物会引起生物破坏船的船体,和一些有机半径标注可以污染环境。高分子减阻剂是常用的石油管道运输,但它将添加额外的资金。

3.5。超疏水表面减阻

根据这一现象,水辊容易不润湿的荷叶,因为微尺度结构的乳液在荷叶上的排斥水,它发明的超疏水表面减阻的方法(35]。到目前为止,接受了超疏水表面减阻的机理是滑移长度的理论考虑到因为水生产墙滑动通过疏水表面的边界层速度梯度下降,减少了剪切应力,以及推迟层流附件表面的变化,层流制度往往是更稳定(36]。超疏水表面减阻的机理如图7。

Voronov et al。37)通过数值模拟发现,在滑移长度和接触角通常被视为疏水性能标准,他们并不总是遵循相同的规则,低σ_r(相对原子大小),容易让接触角增加但将减少滑移长度。Bixler和Bhushan38)获得26%的最大减阻率通过模拟鲨鱼皮肤电阻减少实验。李和金(39)研究了疏水性的适用范围在液压减阻。目前的研究发现,超疏水表面的纹理捕获空气形成气垫,减少了摩擦阻力和流体之间的涂层表面。使用减阻特性的超疏水表面技术应用于表面的游泳套装。如图8,这个泳衣更有利于增加的速度远动员与仿鲨鱼皮泳衣。

3.6。飞机表面减阻

射流技术的目的是控制和提供动力为自己通过喷射反应的相互作用力和飞机之间的相互作用和流动。它有短的响应时间和良好的低压控制特点40]。

鲨鱼生活在海洋水生动物有快速运动。深海鲨鱼的破裂开始速度是惊人的,达到10 ~ 20米/秒;在追求他们的猎物,他们有非常快的速度41]。吉尔有大板排列在前面的身体一侧鲨鱼,如图9,每一层有5 ~ 7鳃裂囊肿。当他们游泳时,水通过半开口吸嘴,从鳃缝和气体交换。它与呼吸和密切相关的自动减少阻力。

研究人员发现表面的减阻效果根据射流运动的鲨鱼的腮。目前的研究普遍认为,如果有飞机运动的脸上,喷射流体将阻止主流领域,形成逆流区后面的喷射孔壁附近的速度和方向是相反的流速在逆流区有明显的减阻效果。此外,有反向旋转涡延伸下游生产的下游的喷射孔,它会引起两个涡在墙上增加边界层的厚度,减少速度梯度都有减阻的效果(42]。

总之,随着科学技术的快速发展,飞机减阻技术已达到快速开发和丰硕的成果,许多研究成果已应用于工程实践,但仍有许多问题仍然需要进一步的研究。

3.7。行波表面减阻

行波表面减阻技术被认为是一个非常有前途的减阻技术和采用波纹形状,这是灵感来自沙漠的沙丘起伏结构,如图10。目前,对行波表面减阻的机理仍然是有争议的。更有说服力的论据是,行波的表面上的波纹形状可以产生二次流,即原点并行人工涡流引发了一行,所以它是自由流动的并行人工涡流,实现拖降噪的目的。其原理如图11。

3.8。结合减阻

在实际工程应用中,将多种减阻技术一起使用达到最佳减阻效果。减阻的效果使用多个减阻技术通常比使用单一减阻技术。这是最普遍使用沟表面减阻和其他减阻方法在各种组合。一系列湍流减阻测试耦合槽表面和聚合物涂层技术进行了耦合减阻的效果是优秀的沟表面减阻聚合物涂层减阻。太阳,发现这种组合增加墙的稳定性空气层能使泡沫不容易打破减少阻力和噪音,因此减阻效果的优化(11]。

4所示。总结与展望

湍流减阻技术案例湍流理论应用于工程具有良好的发展前景。由于实际工程的需要,中国人和外国人进行了大量的实验研究,得到许多成就作为实际应用的参考。然而,大多数研究仍停留在仿真和测试阶段没有形成成熟的系统理论。在未来的研究中,探索减阻机制应该放到更重要的位置,尤其是结合数值模拟和实验研究,专注于理论研究和理论指导实践。减阻效果大大受限,因为,目前的减阻技术的研究工作主要集中在单一的减阻技术。因此,使用多个减阻技术结合将成为未来研究的重要方向。研究技术服务实践,所以我们应该加快促进实验室的发展工程应用研究成果。以及如何将相对成熟的减阻技术转化为实际项目和推广也是未来研究的一个重要方向。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这个项目是由中国国家自然科学基金(51779226,51779226),中国浙江省自然科学基金(LQ15E050005),浙江省公益性技术应用项目(2017 c31025),和中国博士后科学基金会(2016 m601736)。