基本介紹
- 中文名：湍流減阻效應
- 外文名：turbulent drag reduction effect
- 別稱：Toms效應
- 領域：流體力學
- 套用：石油開採、輸運、抽水灌溉等
- 作用：降低流體輸送過程的能量消耗等
簡介,肋條減阻,粘性減阻,柔順壁減阻,聚合物添加劑減阻,微氣泡降阻,仿生減阻,
簡介
Toms在1948年發現高分子聚合物稀溶液的湍流摩擦阻力比純溶劑的阻力明顯減小，這個異常現象稱為湍流減阻現象或Toms效應。由於Toms效應可降低流體機械和流體輸送過程的能量消耗，因而已成為近代流體力學的一個熱門研究課題。
節約能源消耗是人類一直追求的目標，其主要途徑之一就是在各種運輸工具的設計中，儘量減少表面摩擦阻力。表面摩阻在運輸工具的總阻力中占有很大的比例，在這些運輸工具表面的大部分區域，流動都處於湍流狀態，所以研究湍流邊界層減阻意義重大，已引起了廣泛的重視，並已被 NASA 列為 21世紀的航空關鍵技術之一。
有關減阻的研究可追溯到 20 世紀 30 年代，但直到 20 世紀 60 年代中期，研究工作主要是減小表面粗糙度，隱含的假設是光滑表面的阻力最小。20 世紀70 年代阿拉伯石油禁運和由此引起的燃油價格上漲激起了持續至今的湍流減阻研究的高潮。經過 20 多年的努力，特別是湍流理論的發展，使得湍流減阻理論和套用取得了突破性的進展。就減阻技術講，有肋條減阻、粘性減阻（它包括柔順壁減阻、聚合物添加劑減阻以及微氣泡減阻等）、仿生減阻、壁面振動減阻等。
肋條減阻
自從 20 世紀 70 年代 NASA 蘭利研究中心發現具有順流向微小肋條的表面（以下簡稱肋條表面）能有效地降低壁面摩阻，從而突破了表面越光滑阻力越小的傳統思維方式以後，肋條減阻一直是湍流減阻技術中的研究焦點。
近些年，為了最大限度的實現減阻，人們對肋條形狀進行了大量實驗和最佳化設計。柏林的 Bechert 和Brused 等利用一種測量阻力精確度可達 10.3% 的油管對各種肋條表面的減阻效能進行了研究。他們測試了多種形狀的肋條，包括三角形的，半圓形的、刃形的，以及三維的肋條。結果表明，V 形肋條減阻效果最好，最大可得到 10%的減阻幅度。Bechert 和他的同事設計並測試了刃形肋條與噴射狀狹長切口複合的表面。他們構想通過湍流邊界層的壓力波動驅動流體在小的切口裡如同噴射般的進出，從而產生推力，進一步增大減阻幅度。最終利用這種形狀的肋條，測得的最大減阻幅度將近 9%。
大量的研究工作表明了肋條表面減阻的可靠性和可套用性，國外的研究已進入工程實用階段，空中客車將 A320 試驗機表面積的約 70% 貼上肋條薄膜，達到了節油 1% ~ 2% 的效果。NASA 蘭利中心對 Learjet 型飛機的飛行試驗結果減阻約在 6% 左右。在國內，李育斌等在 1：12 的運七模型具有湍流流動的區域順流向貼上肋條薄膜後，試驗表明可減小飛機阻力 5% ~ 8%。
粘性減阻
粘性減阻就是通過或從外部改變流體邊界條件或從內部改變其邊界條件，依靠改變邊界材料的物理、化學、力學性質或在流動的近壁區注入物理、化學、力學性質不同的氣體、液體來改變近壁區流體的運動和動力學性質，從而達到減阻目的的技術。
柔順壁減阻
自從 20 世紀 60 年代 Kramer 利用“人造海豚皮”進行柔順壁湍流減阻試驗以後，許多學者深入進行了理論和實驗研究。沃里克大學的 Lucey 等研究了柔順壁的轉捩延遲作用。從理論上證明 Kramer柔順壁具有充分的轉捩延遲作用。他們的數值模擬結果與 Gaster 在 1987 年進行的一系列水池拖曳實驗結果相吻合。
聚合物添加劑減阻
在牛頓流體中溶入少量長鏈高分子添加劑，可以大幅度的降低流體在湍流區的運動阻力，減緩湍流的發生。它最早是 Toms1947 年在觀察管內流動聚合物機械降解時發現的，故又稱 Tom 效應。
聚合物添加劑減阻是通過從液體內側邊界創造條件，以實現減阻。長鏈高分子聚合物添加劑能導致減阻的共同特點是：其額定分子量數量級都是高達百萬的。學者們對於它的減阻機理進行了大量的研究。
聚合物添加劑減阻由於方便實現，在很多領域得到了廣泛的套用。尤其用在原油的輸送中，可減少長輸送管線的中間泵站，節約能源和設備，提高流量和縮短船隻的在港停泊時間。例如美國的一條海底輸油管線，直徑 0.356m，年輸能力 800 萬桶，添加聚合物減阻劑後，減阻率達 26%，輸量提高了 18%，基本取消了駁船。現在世界各國幾十個地區的 30多條管線的原油或成品油輸送使用了聚合物添加劑。此外，在醫學上可以用來減少血液流動的粘性摩阻，增大血流量，以治療冠心病。在水射流技術方面，也可採用聚合物添加劑，以提高高速水射流的出口動量、切割能力、射噴量和射程。
微氣泡降阻
早在 18 世紀人們就開始在船殼和水的邊界之間注入一層空氣，減小其表面摩擦力。但是，由於氣液交界面的不穩定性，這種構想在實際中很難套用。微氣泡減阻就是基於這種構想提出來的，它有效的避開了氣液交界面的不穩定問題。
仿生減阻
海洋生物長期生活在水中，經過漫長的歲月，進化出了效率很高的遊動機構，其表面摩擦阻力也相當的低。因此通過仿生學的研究，設計出減阻效果更好的結構，一直是學者很感興趣的問題。
企鵝具有很高的游泳效率，有人做過計算，假定1kg 的南極磷蝦的能量為 3700k J，1kg 的南極磷蝦食物就能支持一隻 4kg 重的 Adeiie 企鵝在寒冷的冰洋水裡游 200km。柏林技術大學的 Bannasch 通過在水池中測試與活體企鵝尺寸一致的模型，進行了實驗研究。發現其中一種基於三種中等大小企鵝的軸對稱型的形狀模型在試驗中具有很低的層流摩擦阻力。當轉捩在身體長度的 5% 處發生時，其表面摩擦係數比湍流中相同長度平板的還要低，同時它隨著雷諾數的增加以更快的速度減小。他們認為粘性阻力的減小是由於壓力以及速度分布沿著波浪形軀體的複合曲面逐步發展的結果。由於等量的流體加速和減速，沿著企鵝軀幹的前端和後端的突起部分的壓力梯度幾乎是恆定的，因而流速保持相同，在企鵝身體介入部分由凸曲面變為凹曲面處的壓力也幾乎是恆定不變的。即使是剛性模型，邊界層湍流速度波動依然保持在較低的水平。企鵝身體的波狀曲面以及柔性壁是它具有極好遊動效率的主要原因。他還發現，在多數情況下，鳥類羽毛表面都能觀測到波長為 2 ~ 3cm 的規則的橫波。
Bechert 對一種模擬鳥類羽毛的被動流體分離控制方法進行了風洞測試。在巡遊環境中，對層流翼部分的活動襟翼的測試結果表明機翼上的最大升力增加了 20% 而未發現有負面影響。一架電動滑翔機飛行測試紀錄的阻力數據也證明了這一點。
