壁湍流

湍流是自然界和工程中普遍存在的一種十分複雜的流動現象。流體在近壁面的湍流成為壁湍流。

基本介紹

• 中文名：壁湍流
• 外文名：Wall turbulence
• 學科：流體力學
• 領域：能源動力，化工

簡介

凡是涉及粘性流體運動的領域，大都存在流體控制和減阻問題。運動物體的阻力來自邊界層，特別是湍流邊界層，壁湍流會使壁面阻力急劇增加。

例如：常規的水上船隻，其表面摩阻約占總阻力的50%；對於水下運動的潛艇，這個比例可達70%。在這些運輸工具表面的大部分區域，流動都處於湍流狀態。而在長距離的管道輸送中，泵站的動力幾乎全部用於克服表面摩擦阻力。

壁湍流控制技術

在船隻和潛艇等運輸工具表面的大部分區域，流動都處於湍流狀態，若能通過壁湍流控制技術減少這些運輸工具的表面摩擦阻力就能夠節約大量的能源消耗。

另外，減阻技術也是一切飛行裝置的關鍵技術。以飛機為例，其運動時，由於流體的粘性，不可避免地會受到流體施於的阻力，從而使飛行減速，產生噪音和振動，並導致飛行失穩，造成燃料消耗量的增加。通過表面邊界層湍流控制來實現飛行過程的減阻技術，以減阻為主要目的同時，還可取得消渦、減振、減噪和隱身等效果。這對改進飛機、飛彈或普通彈箭的性能具有十分重要的意義。

近年來湍流理論的發展，使得湍流減阻技術及其套用取得了突破性的進展。通過邊界層控制進行減阻的技術方法很多，涉及的領域很廣，大致可分為主動式和被動式兩類。被動式減阻不需要向流場輸入能量，而主動式則需向流場輸入能量並且可以結合控制策略達到智慧型控制的效果。這兩類方法都是試圖對近壁區域流體的流動狀態或本身特性進行修正，通過對邊界層從粘性子層小尺度旋渦運動到外層大尺度運動形式進行控制，來獲得減阻的效果。這裡介紹幾種主要的減阻方法及其控制機理。

溝槽面法

上個世紀60年代，NASA研究中心發現在物體表面沿流向開微小溝槽能夠有效降低壁面摩阻，這一發現突破了表面越光滑阻力越小的傳統思維方式。對於湍流邊界層，人們通常認為近壁區域的流向渦是使湍流壁面具有高摩阻的主要原因，因為它能導致低速流體沿展向匯集形成條帶，並誘導流體上揚和下掃，引起法向和展向動量交換，而微小溝槽恰好可以抑制流向渦的這些作用。此外，溝槽尖銳的頂峰也有助於二次渦的產生，二次渦與流場中原有的流向渦旋轉方向相反，因而可以削弱流向渦，抑制展向與法向的動量交換，從而降低近壁湍流摩阻。目前實際套用當中主要是在物體表面貼上一層開有細微溝槽的塑膠薄膜。這種方法的缺點是溝槽容易被油污，尤其是被塵埃等雜質覆蓋而失效，需要經常清洗。

開孔法

北京航天航空大學的楊弘偉和高歌對菱形網狀圓坑點陣結構的減阻特性進行了研究，水洞實驗表明這種技術套用於NACA-16012翼型表面時減阻效果最髙可達22%。實驗者認為菱形網狀圓坑點結構是小積曲面的一種近似，這種結構形成的一種特殊流態可能是其獲得減阻的主要原因。實驗中，凹坑結構的深度直徑比對減阻效果的影響很大，在深度直徑比為1/2時獲得了最佳減阻效果。但在空氣中能否達到和在水中相同的大幅度減阻，有待於進一步研究。

橫向肋條法

南京航空航天大學的潘家正對橫向助條法減阻進行了初步的風洞試驗。實驗中將垂直於流動方向的小尺寸肋條按一定的間隔距離固定在平板上，並利用自製的懸掛式天平測量了不同風速時的阻力，獲得了約10.2%的減阻效果。實驗者分析了湍流邊界層渦結構的干擾對減阻效果的影響，認為平均速度分布的改變是湍流表面摩擦阻力減小的結果，並從渦結構的觀點出發，提出了利用邊界層底部微型空氣軸承減阻的新概念。

功能材料減阻

功能材料減阻是一種新型的減阻方法，它是在材料學與湍流邊界層理論進一步發展的基礎上建立起來的。在研究通過改變物體表面進行減阻的過程中，前幾十年，由於對湍流邊界層認識不夠，把重點放在降低物體表面粗糙度上，從而限制了該方法的發展。壁湍流擬序結構的發現，以及對瑞流邊界層內“條帶一渦”結構擬序運動的認識，推動了該方法的進一步發展。目前提出了許多新的控制模型與方法，功能材料減阻的控制效果也在不斷得到提高。

抽吸法

抽吸法的控制機理是在邊界層尚未分離之前將低動量的流體吸走，而在吸縫後所產生的新的邊界層，由於流體動量相對較高，能承受一定的逆壓而不分離。如果壁面設計和吸縫位置安排得當，抽吸法能夠完全消除分離，從而減小壓差阻力。

大渦破碎器法

在上游距離壁面很近的位置（小於邊界層厚度）水平安置展向小尺度的薄板條，可以打碎邊界層中的大渦結構，減少湍流猝發和改變底層流動狀態。板條可以為平板形或機翼形，可以前後或上下安置多個，可以有攻角，可以振動，也可用前後運動的細絲代替。這種方法的優點是簡單實用，對於局部，特別是在板條下游區域的控制效果十分明顯。美國蘭利研究中心對大渦破碎器減阻方法進行了深入研究，其中有的減阻策略已經能夠獲得明顯的減阻效益。

渦流發生器法

渦流發生器是美國聯合飛機公司在1947年首先提出的，用來延緩邊界層分離。在物體表面或上方加一排或幾排有一定間距和距離的小塊，這些小塊即充當渦流發生器。渦流發生器有楔形、機翼形、葉柵形等。運用渦流發生器在物面上造成一系列渦來影響和改變邊界層的流動結構，從而減阻。渦流發生器的效用主要取決於渦的強度、旋向、走向及渦間干擾等，而這些均與渦流發生器的結構、形狀、大小、方位、渦間距及相對於物面的位置有關，因此這些也成為設計渦流發生器時需注重的參數。

電漿減阻

電漿的飛行器減阻技術是近幾年發展起來的。其基本原理是利用電漿與繞流的相互作用，使飛行器周圍的流場結構（波繫結構和邊界層結構狀態）發生變化，致使飛行器的氣動結構和物理特性發生改變，從而提高飛行器的氣動性能。在超聲速情況下利用人工生成電漿與激波相互干擾的流體動力效應，減弱飛行器的激波系，從而引起飛行器上的力和力矩發生變化，實現波阻減小；在亞跨聲速情況下利用輝光放電等離子層在氣動邊界層上可產生一個靜電體力，利用這個靜電體力控制邊界層，減小邊界層的湍流度或防止湍流渦系的產生，從而減小大氣層內飛行器表面的摩擦阻力。

壁湍流的展向修正方法

從數學上講，流場是由守恆方程和邊界條件確定的，故控制流動有兩類基本思路，一是改變守恆方程，給守恆方程添加源項，或使流體改性，如形成電磁場、形成電漿或加入高聚物等；另一種就是改變流場的邊界條件，使邊界上的某些參數按一定規律變化，如吹、吸壁面，振動壁面，變形壁面和柔性壁面等。

近年來大量的實驗研究和數值模擬己經證明，對湍流近壁區域流動的展向方向進行修正，無論是通過改變守恆方程還是修改邊界條件，都可以有效干擾近壁擬序結構，抑制湍流猝發，達到良好的減阻效果。

目前，展向流動的修正方法主要有以下幾種：肋條法、展向振動法和展向行波法。其中，肋條法是一種無需輸入能量的被動控制方法，在實際運用中可以觀察到約10%的減阻效果。而展向振動法和展向行波法為主動控制方法，它們不需要信息的反饋並且可以結合控制策略達到最佳化控制的效果，近年來獲得了人們的重視。

數值模擬研究表明，無論是展向周期振動的平板還是展向周期振盪的電磁力皆可以獲得高於的減阻效果。並對此進行了實驗驗證。對雷諾數Re=150的近壁端流的數值模擬表明，選擇合適的展向行波參數，可以使壁面減阻高達30%左右，表明採用展向行波法也是行之有效的減阻方法之一。

壁湍流的展向振動以及展向行波可以通過多種方法實現。從數學的角度，可以將其分為兩類：一類是展向運動壁面法，常見的實現方法包括：壓電材料、形狀記憶合金；另一類是體積力法，常見的實現方法如電磁力。