李炳炘, 張 浩、2, 玄克勇, 孫國梁

(1.山東建筑大學 熱能工程學院,山東 濟南 250101;2.山東省綠色建筑協(xié)同創(chuàng)新中心,山東 濟南 250101;3.山東林李建筑設(shè)計有限公司,山東 濟南 250014)

1 概述

隨著經(jīng)濟不斷發(fā)展,全世界都在面臨著能源消耗急劇增加的問題。流動過程中的能量損耗逐漸引起了人們的重視,由此出現(xiàn)了許許多多的減阻技術(shù),如添加劑減阻技術(shù)、壁面改進減阻技術(shù)等。其中,壁面改進減阻技術(shù)主要利用仿生學原理,通過改變壁面結(jié)構(gòu)從而達到減阻效果,如微溝槽壁面[1-5]、超疏水壁面[6-9]、柔性壁面[10-12]。20世紀70年代末期,NASA蘭利研究中心聲稱發(fā)現(xiàn)順流向的微溝槽可以減小壁面上的阻力。空中客車公司發(fā)現(xiàn)將試驗機70%的表面貼上脊狀薄膜后可以省油1%～2%[13]。有研究表明,某型號飛機的飛行阻力減小,將會節(jié)省很多燃料[14]。通常我們評價船舶等交通運輸工具的重要指標是其運行速度以及能量的消耗率,在航行過程中,船舶所受的阻力主要來源于船舶與水之間的阻力以及船舶由于前后存在的壓力差所產(chǎn)生的壓差阻力,這些阻力是能源消耗的主要原因[15]。馬付良等[16]認為若要實現(xiàn)航行體的航行過程減阻,可以從摩擦切應(yīng)力、速度、航行體垂直距離和航行體與水接觸的面積來考慮。

摩擦阻力使輸氣管道產(chǎn)生了大量的能量損耗,美國相關(guān)研究數(shù)據(jù)表明,用于克服輸運過程中阻力的能量占總能量消耗量的16%,若能減阻50%,每年將會節(jié)省約300×108美元[17]。由此可見,通過降低輸運過程中的能量損耗,可以提升輸運效率,達到節(jié)能的目的。

Rief[18]發(fā)現(xiàn),鯊魚在游動過程中,由于其表皮上存在鱗脊,可以降低其在水中游動的阻力。鯊魚表皮并不是我們之前所認為的光滑表面,鯊魚表皮微觀結(jié)構(gòu)見圖1。人們因此受到了啟發(fā),產(chǎn)生了微溝槽減阻技術(shù)[19-20]。

圖1 鯊魚表皮微觀結(jié)構(gòu)

微溝槽減阻技術(shù)在航空航天、管道輸運以及體育運動中都有著廣泛的應(yīng)用[21]。相比于其他減阻技術(shù),微溝槽減阻技術(shù)憑借其操作簡單、無污染、能量消耗較少等優(yōu)點,成為非常具有發(fā)展前景的減阻技術(shù)。本文針對目前國內(nèi)外學者對于微溝槽減阻技術(shù)的研究,從微溝槽減阻技術(shù)的減阻機理、研究現(xiàn)狀、聯(lián)合減阻以及微溝槽減阻技術(shù)的應(yīng)用方面進行綜述,并對該技術(shù)的未來發(fā)展方向進行展望。

2 微溝槽減阻技術(shù)的減阻機理

現(xiàn)如今,國際上關(guān)于微溝槽減阻的機理并沒有實現(xiàn)統(tǒng)一,主要的3種減阻機理為突出高度論、微空氣軸承論和第二渦群論。其中,認可度比較高的是突出高度論和第二渦群論。

2.1 突出高度論

突出高度論是由Bechert等[22]提出的。突出高度論認為,微溝槽的尖端由于幾何形狀的改變,使得速度變化較大,表觀起點以下的流體速度梯度很小,相當于增厚了粘性底層,從而使得壁面處剪切應(yīng)力降低,可以實現(xiàn)減阻。

渦的產(chǎn)生是因為流體流動或摩擦,平行于流體流動方向的渦稱為流向渦,垂直于流體流動方向的渦稱為展向渦。顧恩鑫[23]經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn),微溝槽尖端部分的二次渦內(nèi)部發(fā)生低速流動,從而使得速度梯度減小,相當于增加了粘性底層的厚度,剪切應(yīng)力減小。Lee等[24]通過粒子圖像測速法(PIV)進行實驗,對展向渦進行了分析研究,發(fā)現(xiàn)微溝槽表面的展向渦數(shù)量相對于光滑表面來說更少,壁面的摩擦阻力相應(yīng)減小。由此可以看出,突出高度論實際上是認為抑制了流體的展向運動。

2.2 微空氣軸承論

微空氣軸承論由潘家正[25]提出,潘家正通過進行風洞試驗,用垂直于流動方向的適當截面尺寸的小肋條來“鎖住”小渦,小渦可以進行旋轉(zhuǎn),就像一個個微型軸承,由此提出了微空氣軸承論。王偉[26]研究發(fā)現(xiàn),微溝槽表面的溝谷內(nèi)形成了低速旋渦,抑制了湍流的發(fā)生,使流體與壁面間由滑動摩擦變成了滾動摩擦,從而減小了阻力。微空氣軸承論減阻機理見圖2。

圖2 微空氣軸承論減阻機理

2.3 第二渦群論

目前,比較具有影響力的是Bache于1985年提出的的第二渦群論。第二渦群論是將湍流產(chǎn)生機理作為出發(fā)點,對于微溝槽為什么具有減阻效果作出了解釋。Bache認為,微溝槽的尖端會與流向渦相互影響,從而形成二次渦,該二次渦與流向渦的旋轉(zhuǎn)方向正好相反,可以起到減弱流向渦強度的作用,同時使得溝谷處的流體保持低速狀態(tài)[27]。二次渦的產(chǎn)生可以抑制流向渦強度,同時可以抑制在流動方向上低速條帶沿壁面的流動。

魏進家等[28]發(fā)現(xiàn)微溝槽內(nèi)存在較多尺寸小、旋轉(zhuǎn)強度較弱的二次渦,這些二次渦的存在使得微溝槽可以約束侵入其內(nèi)部的流向渦的展向運動。王衛(wèi)強等[29]發(fā)現(xiàn)微溝槽尖端有二次渦產(chǎn)生,削弱了反向旋渦對的強度,因此可以達到減阻的效果。Choi等[30]認為在條紋微溝槽中,最可能由于微溝槽尖端與流向渦之間的相互作用實現(xiàn)了減阻。

3 研究現(xiàn)狀

3.1 實驗方法研究微溝槽減阻技術(shù)

① 矩形管道實驗

Bechert等[31]在矩形管道內(nèi)進行實驗,石蠟基油為流體介質(zhì),采用可以進行高度調(diào)節(jié)的微溝槽,實驗發(fā)現(xiàn),最佳微溝槽尺寸為微溝槽高度和間距比為0.5,在此情況下,同光滑表面相比摩擦阻力減小了約9.9%。李恩田等[32]通過矩形管道壓力降實驗分別研究了壁面微溝槽和表面活性劑的減阻性能,后又研究了二者耦合后的減阻效果,發(fā)現(xiàn)壁面微溝槽和表面活性劑均具有減阻效果,且二者進行耦合后,減阻效果得到進一步提升,最高減阻率可以達到48.26%。嚴冬等[33]通過粒子圖像測速技術(shù)研究了固體顆粒對放于平板湍流邊界層中的平壁和微溝槽壁面的減阻效果的影響,結(jié)果表明,對于微溝槽壁面而言,加入固體顆粒后會降低微溝槽近壁處對數(shù)律區(qū)的湍流強度。

② 重力式管道實驗

馮家興等[34]通過重力式管道實驗系統(tǒng),研究了不同的通氣流量下,減阻率隨著雷諾數(shù)和微溝槽無量綱間距的變化情況,以及通氣條件下單純超疏水壁面和超疏水微溝槽壁面上減阻效果的差別。固體壁面與氣體間存在著由氣泡構(gòu)成的氣膜層,氣膜層的存在可以使得超疏水壁面更加穩(wěn)定。不同通氣流量下微溝槽壁面處的氣膜層圖像見圖3。圖3a顯示通氣流量為0時,氣膜層流失,只在微溝槽內(nèi)部存有少量氣體;圖3b顯示紅框內(nèi)的微溝槽已被氣體所充滿,但是紅框外的微溝槽未被氣體充滿;圖3c顯示在通氣流量為10 mL/s時,微溝槽已被氣膜層完整包裹。由于氣膜層的流失會影響減阻效果,通氣流量增加可以改善氣膜層流失問題,從而使得超疏水微溝槽結(jié)構(gòu)的減阻能力增強。此外,在雷諾數(shù)保持不變、通氣流量增加的前提下,氣膜層更加均勻,減阻率上升,存在最佳通氣流量。

圖3 不同通氣流量下微溝槽壁面處的氣膜層圖像

3.2 數(shù)值模擬方法研究微溝槽減阻技術(shù)

① 形狀對微溝槽減阻效果的影響

微溝槽的形狀以及張角對于減阻效果的影響引起了學者們的關(guān)注。叢茜等[35]用有限體積法分別對三角形、扇貝形和刀刃形3種形狀的微溝槽進行了數(shù)值模擬,3種形狀的微溝槽見圖4。在保證3種形狀微溝槽表面的特征尺寸、頂點間距d、微溝槽頂端到溝谷高度h均相同的前提下,分析了3種微溝槽表面的流場特性以及減阻效果。分別從剪應(yīng)力、速度場以及雷諾應(yīng)力方面進行了數(shù)值模擬,結(jié)果表明,三角形微溝槽表面減阻效果最不明顯,刀刃形微溝槽表面減阻效果最佳。

圖4 3種形狀的微溝槽

袁一平等[36]將風力機專用翼型作為研究對象,在其上布置6種不相同的橫向微溝槽,分析后得出微溝槽改變了吸力面的壓力分布的結(jié)論,降低了翼型表面邊界層的厚度,提升了翼型表面的速度梯度,因此翼型表面黏性阻力上升,三角形微溝槽可以減阻主要是因為降低了翼型表面的壓差阻力。杜淑雅等[37]采用大渦模擬的方法,通過數(shù)值模擬分別分析三角形和梯形微溝槽對于湍流邊界層的影響和減阻效果。結(jié)果表明,在相同無量綱條件下,相比于三角形微溝槽,梯形微溝槽的減阻效果更佳。徐琰等[38]利用CFD方法近似模擬了氣體流動,研究了在不同參數(shù)條件下三角形微溝槽的減阻效果變化。其中,當三角形、矩形、半圓形、梯形4種形狀的微溝槽處于低速區(qū),且寬度以及高度相同時,發(fā)現(xiàn)三角形和梯形微溝槽減阻效果差距不大,三角形微溝槽的減阻效果優(yōu)于矩形微溝槽。相對于其他3種微溝槽,半圓形微溝槽對氣流的影響不是很大。不同形狀的微溝槽在不同參數(shù)條件下減阻效果有所差別。

② 張角對微溝槽減阻效果的影響

王松嶺等[39]通過數(shù)值模擬分析了在90°、120°、150°張角時,三角形微溝槽減阻效果的差別。分析發(fā)現(xiàn),當來流速度為25 m/s、張角為90°時,可以獲得最佳減阻效果。

③ 雷諾數(shù)對微溝槽減阻效果的影響

雷諾數(shù)是流體慣性力與黏性力的量度。雷諾數(shù)的改變對微溝槽減阻效果產(chǎn)生一定影響。李恩田[21]采用直接數(shù)值模擬的方法,通過改變來流速度,研究了在雷諾數(shù)不同時三角形微溝槽的減阻效果的變化,研究結(jié)果顯示,對于三角形微溝槽,適當?shù)膩砹魉俣确秶沟萌切挝喜劬哂休^好的減阻效果。陳璠等[40]通過數(shù)值模擬分別研究了在橫向和縱向微溝槽中,不同微溝槽構(gòu)型在不同雷諾數(shù)條件下減阻效果的差別。結(jié)果表明,對于橫向微溝槽,在高雷諾數(shù)條件下,微溝槽間距較大的橫向微溝槽減阻效果較好;在低雷諾數(shù)條件下,微溝槽數(shù)量較多的橫向微溝槽減阻效果較好。而對于縱向微溝槽,雷諾數(shù)對其影響并不大,但縱向微溝槽在計算范圍內(nèi),減阻效果始終好于橫向微溝槽。劉志華等[41]通過改變?nèi)切挝喜鄣牟贾梦恢煤蛠砹魉俣?研究了雷諾數(shù)對微溝槽減阻效果的影響。結(jié)果表明,雷諾數(shù)對微溝槽減阻效果的影響應(yīng)當分別分析來流速度以及微溝槽布置位置對微溝槽減阻效果的影響。來流速度對于微溝槽的減阻效果有著很大影響,存在一個最佳來流速度,當來流速度等于最佳來流速度時,減阻效果最好。王晨飛[42]通過數(shù)值模擬探究了不同微溝槽參數(shù)對鋸齒形微溝槽以及刀刃形微溝槽減阻效果的影響。在無量綱參數(shù)相同的條件下,刀刃形微溝槽結(jié)構(gòu)相比于鋸齒形微溝槽結(jié)構(gòu),減阻效果更好。當雷諾數(shù)改變時,不管是刀刃形還是鋸齒形微溝槽,當無量綱間距在15左右、無量綱高度在10左右時,可以取得最佳減阻效果。隨后研究了超疏水溝槽壁面減阻,研究發(fā)現(xiàn),超疏水溝槽存在壁面滑移現(xiàn)象,正是由于這種現(xiàn)象的存在,使得近壁面處速度增加,流體阻力減小。超疏水鋸齒形微溝槽的減阻效果優(yōu)于超疏水刀刃形微溝槽。在最佳來流速度范圍內(nèi),微溝槽減阻效果最好。

④ 圓角半徑對微溝槽減阻效果的影響

將微溝槽尖峰處加工成圓角,從而使得尖峰處擾動減小。微溝槽尖峰處圓角對減阻效果有影響最初由李新華等[43]發(fā)現(xiàn),由于加工出現(xiàn)誤差使得微溝槽尖峰處產(chǎn)生了小弧度圓角,導致微溝槽結(jié)構(gòu)非但不會減阻反而出現(xiàn)了增阻的現(xiàn)象,由此李新華等認為尖峰處的曲率會對微溝槽減阻效果產(chǎn)生影響。劉志華等[44]發(fā)現(xiàn),微溝槽尖峰處圓角半徑越小,即微溝槽尖峰越尖,減阻效果越好。

4 聯(lián)合減阻

4.1 添加劑與微溝槽聯(lián)合減阻

添加劑減阻主要是表面活性劑減阻與高分子聚合物減阻。由于添加劑減阻與微溝槽減阻在減阻機理上可以實現(xiàn)互補,因此二者聯(lián)合減阻可以達到更好的減阻效果。李恩田[45]通過粒子圖像測速實驗和阻力測試實驗分別研究了室溫下表面活性劑十六烷基三甲基氯化銨(CTAC)和高分子聚合物聚丙烯酰胺(PAM)兩種添加劑、三角形微溝槽以及兩種添加劑與三角形微溝槽聯(lián)合的減阻效果。研究發(fā)現(xiàn),表面活性劑CTAC和高分子聚合物PAM兩種添加劑的減阻效果受濃度和雷諾數(shù)影響,隨著濃度升高,減阻效果越來越好,減阻率隨雷諾數(shù)增加先增加后減小;三角形微溝槽減阻效果受微溝槽的尺寸影響,微溝槽深寬比越大,減阻效果越好,隨著微溝槽的無量綱溝槽寬增大,微溝槽減阻效果先增加后降低;對于表面活性劑CTAC來說,壁面微溝槽可以增強表面活性劑CTAC的減阻效果,但減阻效果會受到微溝槽尺寸及雷諾數(shù)的影響;對于高分子聚合物PAM來說,壁面微溝槽對PAM減阻效果的增強,會受到微溝槽張角以及雷諾數(shù)的影響,隨雷諾數(shù)增大呈現(xiàn)先增強后減弱的趨勢。

魏進家等[28]通過數(shù)值模擬的方法探究了表面活性劑溶液在不同尺寸矩形微溝槽結(jié)構(gòu)內(nèi)的減阻情況。結(jié)果表明在合適尺寸的微溝槽結(jié)構(gòu)內(nèi),表面活性劑溶液可以得到更好的減阻性能,除此之外,微溝槽的最佳減阻尺寸在表面活性劑溶液中也可以放大。且魏進家等提出,微溝槽和表面活性劑溶液耦合后可以加強減阻效果的原因在于約束作用和尖峰作用的影響。朱涵[15]通過建立粘彈性流體數(shù)值模型,研究了三維流動減阻的原理,對表面活性劑與微溝槽耦合減阻做了探究。研究發(fā)現(xiàn),當雷諾數(shù)增大時,減阻率會隨之產(chǎn)生先增大后減小的趨勢。減阻效果的出現(xiàn)是因為當雷諾數(shù)較為合適時,會出現(xiàn)流體的滑移現(xiàn)象,從而會使得流體與內(nèi)壁間摩擦力減小,而后期當雷諾數(shù)繼續(xù)增加時,不僅無法減阻,反而產(chǎn)生增阻現(xiàn)象,原因是產(chǎn)生了更加細小的渦旋侵入了槽谷內(nèi),從而產(chǎn)生增阻現(xiàn)象。表面活性劑可以強化微溝槽的減阻效果,且存在一個合適的雷諾數(shù)范圍,在該范圍內(nèi),可以實現(xiàn)減阻,超出該范圍會出現(xiàn)增阻現(xiàn)象。李恩田等[32]通過研究不同濃度高分子聚合物(簡稱高聚物)溶液在寬高比為0.7的三角形微溝槽管道內(nèi)的減阻效果,發(fā)現(xiàn)隨著高聚物溶液濃度增加,減阻效果越來越好。

4.2 超疏水壁面與微溝槽聯(lián)合減阻

王者風[46]通過利用多相流模型VOF和雷諾應(yīng)力模型RSM進行了浸潤性和數(shù)值仿真模擬,隨后又對矩形和三角形微溝槽進行了浸潤性仿真模擬,發(fā)現(xiàn)特征尺寸75 μm內(nèi)微溝槽具有較好的疏水性和減阻性。劉麗霞等[47]進行粒子圖像測速實驗,研究了湍流邊界層在微溝槽超疏水復(fù)合壁面的瞬時速度場。用超快激光刻蝕的方法在鋁板上制出了超疏水壁面模型和超疏水微溝槽復(fù)合壁面模型,該超疏水微溝槽復(fù)合壁面的減阻率可達20.7%,而超疏水壁面減阻率只有14.6%。

5 微溝槽減阻技術(shù)的應(yīng)用

5.1 航行體減阻

隨著經(jīng)濟不斷發(fā)展,人們對于航行體的耗油量逐漸重視。飛機飛行過程中,阻力大部分是摩擦阻力以及誘導阻力,民用客機阻力降低1%可以給航空公司帶來可觀的經(jīng)濟效益[48]。Huang等[49]從湍流邊界層角度對微溝槽進行了研究,并在機翼表面覆微溝槽薄膜,降低了約7%的阻力。德國一航空公司發(fā)現(xiàn)當安裝了微溝槽薄膜后,飛機耗油量減少了8%[50]。對于航行體來說,為了避免腐蝕,會在其表面進行涂漆處理,但是目前存在著漆層較微溝槽結(jié)構(gòu)來說尺寸較大的問題,該問題的存在會大大降低微溝槽減阻效果。

5.2 管道減阻

在管道運輸過程中,表面摩擦阻力是運輸過程阻力的重要組成部分,因此如何降低管道內(nèi)的表面摩擦阻力成為人們關(guān)注的焦點。李貝貝等[51]研發(fā)了一種不需要任何附加設(shè)備、只需在管道上加工出微溝槽結(jié)構(gòu)或在管道內(nèi)壁敷設(shè)有微溝槽結(jié)構(gòu)的薄膜,從而實現(xiàn)減阻效果。Bechert[52]指出一條長16 km、管道內(nèi)壁面布置了清潔微溝槽的天然氣管道,在實際應(yīng)用過程中阻力降低了10%。長距離管道運輸有壓力大、距離長、阻力大的特點,因此微溝槽減阻技術(shù)的應(yīng)用對于長距離管道運輸具有非常大的實用價值[53-54]。

6 結(jié)論與展望

微溝槽減阻技術(shù)具有操作簡單、無污染、能量消耗較少等優(yōu)點,成為目前具有廣闊發(fā)展前景的減阻技術(shù),已應(yīng)用于航運、管道輸運中。針對目前國內(nèi)外微溝槽技術(shù)的研究,作出如下展望。

① 目前使用較多的是單一的減阻技術(shù),多種減阻技術(shù)聯(lián)合減阻仍需要繼續(xù)研究?？梢酝ㄟ^控制參數(shù)等方法研究出更好的減阻方法。

② 微溝槽結(jié)構(gòu)存在著形狀較為復(fù)雜且尺寸很小、不易加工等問題。目前,3D打印技術(shù)快速發(fā)展,今后可以將3D打印技術(shù)應(yīng)用到減阻技術(shù)中,更加方便、快捷地制造出微溝槽結(jié)構(gòu)。

③ 在航行體表面設(shè)置微溝槽結(jié)構(gòu)時,由于腐蝕等問題,需進行涂漆處理,漆層較微溝槽結(jié)構(gòu)來說尺寸較大,這大大降低了微溝槽結(jié)構(gòu)的減阻效果,因此如何改進加工工藝使得減阻效果增強值得深入研究。