湍流流動(dòng)中溝槽減阻的理論特性和幾何形狀

湍流流動(dòng)中溝槽減阻的理論特性和幾何形狀

1在水體中的應(yīng)用大自然中包含豐富的生物結(jié)構(gòu)、材料材料和各種生物特征的表面。因此，我們被稱為模仿。此外，通過(guò)學(xué)習(xí)和理解這些自然現(xiàn)象的機(jī)制，我們可以根據(jù)人類的需要再現(xiàn)這些現(xiàn)象。比如，蓮藕荷葉具有多層結(jié)構(gòu)和非常稀疏的水的特性。在這種情況下，表面的水很容易滾動(dòng)。在滑動(dòng)和滾動(dòng)過(guò)程中，吸收污染物的表面可以摩擦，從而使葉片表面平整。玫瑰花瓣也具有一定的舒水性。由于海峽兩岸的皮膚表面有層壓結(jié)構(gòu)，因此很容易將腳向上粘在墻上。瘦虎和漫反射手的皮膚表面有層壓結(jié)構(gòu)，使腳高度粘在墻上，因此可以懸掛并行走。刀片和墨水可以在機(jī)器人腿的底部安裝垂直的高粘度表皮，從而像壁虎一樣在墻上行走。自然界中動(dòng)植物減小流動(dòng)阻力的方法各異,其中屬水中游速較快的魚類、海豚和鯊魚最為成功.魚類皮膚表面分泌的黏液,使得它們?cè)谒杏蝿?dòng)時(shí)阻力減小,并且當(dāng)它們游過(guò)障礙物時(shí)不直接產(chǎn)生摩擦,因而可以避免皮膚磨損.微生物因?yàn)檫@種黏液,難以黏附在魚類皮膚的表面,故可以預(yù)防疾病的發(fā)生.我們?cè)缇桶l(fā)現(xiàn)當(dāng)人們向管道流場(chǎng)中加入一定量的瓜膠(一種自然界中的高分子聚合物),管流壁面摩擦阻力可以減少多達(dá)2/3.其他高分子聚合物甚至可以獲得更好的減阻效果.大量研究證明海豚的柔性皮膚同樣具有減阻特性.流場(chǎng)中柔性材料物體表面通過(guò)對(duì)壓力脈動(dòng)的響應(yīng),也具有良好的減阻效果.雖然早期研究顯示這種減阻效果十分可觀,但后期研究發(fā)現(xiàn),使用柔性材料的表面減阻率最多只能達(dá)到7%.在水中快速游動(dòng)的鯊魚也具有多結(jié)構(gòu)多功能的表面皮膚,可以減少附著淤積并減小阻力.鯊魚皮表具有細(xì)小結(jié)構(gòu),即膚齒,它的形狀像在流向上有序地排列的溝槽(圖1).Bechert等受到鯊魚皮表結(jié)構(gòu)的啟發(fā),使用壁面溝槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行減阻實(shí)驗(yàn),可以達(dá)到9.9%的減阻率.這些膚齒結(jié)構(gòu)間距非常小,以至于水生生物無(wú)法黏附在它的皮膚表面.游速較慢的鯊魚皮表也覆蓋著這種膚齒狀結(jié)構(gòu),但它們的形狀不是溝槽狀的,也起不到減阻的作用.本文主要綜述了溝槽結(jié)構(gòu)對(duì)于流體流動(dòng)阻力的影響以及其幾何形態(tài)優(yōu)化的方法.在了解鯊魚皮表減阻的機(jī)理之前,我們首先要了解流體流過(guò)實(shí)際鯊魚皮表的流動(dòng)特性.本文第2章通過(guò)流體流過(guò)平板的情況來(lái)討論流體流動(dòng)特性和流體阻力產(chǎn)生的原因.第3章先給出已有溝槽實(shí)驗(yàn)研究的綜述,然后討論了溝槽減阻的機(jī)理及其與溝槽幾何形狀的關(guān)系.第4章針對(duì)常見(jiàn)的溝槽幾何形狀以及選擇溝槽時(shí)要考慮的其他因素討論了最優(yōu)化方法和資料.第5章綜述了部分已經(jīng)大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的溝槽減阻案例.第6章陳述了滑移長(zhǎng)度及高分子添加劑對(duì)流體阻力的影響.最后我們?cè)诘?章總結(jié)了溝槽減阻的實(shí)驗(yàn)研究,并討論了溝槽減阻實(shí)驗(yàn)研究的前景.2邊界層流速度對(duì)摩擦阻力的影響流體阻力有多種形式,壓力阻力和摩擦阻力是最基本的阻力.壓力阻力(又稱形阻),是與能量有關(guān)的阻力形式.這些能量損失用來(lái)將物體上游的流體壓向物體下游做功.大部分壓力阻力與行程有關(guān).即當(dāng)水流過(guò)物體時(shí),必須在物體向前移動(dòng)之前繞開并包圍物體.所以,壓力阻力可以通過(guò)創(chuàng)造流線型外形來(lái)減小.摩擦阻力(又稱黏滯阻力),是指流體與其平行流動(dòng)的物體表面間相互作用,及流體分子之間作用產(chǎn)生的阻力.摩擦阻力,形象一點(diǎn)來(lái)說(shuō),類似于一副撲克牌在桌面上滑落過(guò)程中桌面和最下面那張牌之間以及各張牌之間的相互作用力(后者類似于黏性流體分子之間的相互作用).在流體流過(guò)物體表面時(shí),隨著其法向位置的增加,其流速越大,直到某一點(diǎn)流速達(dá)到平均流速度(又稱自由來(lái)流速度).流體黏性越大,各層流體之間分子引力越大,各層流體之間的‘表象’摩擦力也越高,流體扭曲變形的邊界層也越厚.所以高黏流體比低黏流體具有更大阻力,而且摩擦阻力隨著流體的速度增加而增大.實(shí)際上,作用在物體上的阻力,是對(duì)流體與物體間動(dòng)量交換所需能量的度量,而這種動(dòng)量傳輸是由壁面和遠(yuǎn)離壁面流體產(chǎn)生的速度梯度引起的.上述討論的摩擦阻力都假定存在于相鄰流層具有同一流向、不同速度的流體分子間.圖2顯示了平板邊界層流動(dòng)中層流到湍流之間的轉(zhuǎn)捩過(guò)程.轉(zhuǎn)捩區(qū)中,分子做漩渦,橫向運(yùn)動(dòng)進(jìn)而流動(dòng)紊亂,但流向上維持了平均速度.在湍流中,橫向流(又稱截面流)和非平行流相對(duì)速度引起了分子間顯著的動(dòng)量傳遞.橫向流的動(dòng)量傳遞意義重大,因?yàn)樗衅叫杏谖矬w表面的動(dòng)量交換都使得阻力相應(yīng)增加.對(duì)于管道流動(dòng),雷諾數(shù)在4000左右,層流會(huì)向湍流發(fā)生自然轉(zhuǎn)捩;而對(duì)于平板流動(dòng)其轉(zhuǎn)捩雷諾數(shù)是500000.雷諾數(shù)(Re)表征流動(dòng)中慣性力與黏性力的比值.對(duì)于管道流動(dòng),Re=ρvd/μ,其中,ρ是流體密度,v是速度,d是管道內(nèi)徑,μ是動(dòng)力黏度.對(duì)于平板流動(dòng),Re=ρvL/μ,其中L是特征長(zhǎng)度.對(duì)于雷諾數(shù)遠(yuǎn)小于轉(zhuǎn)捩雷諾數(shù)的流動(dòng),定義為層流,此時(shí)流體分子間的黏性力起主要作用.對(duì)于大雷諾數(shù),流動(dòng)為湍流,系統(tǒng)的慣性力占主要地位.人們之前認(rèn)為充分發(fā)展湍流,其速度分布是完全隨機(jī)的.但后來(lái)學(xué)者們研究發(fā)現(xiàn)其也存在著特殊的區(qū)域,其速度分布表現(xiàn)出準(zhǔn)周期的流動(dòng)特點(diǎn),即具有一定的擬序性.Kline等發(fā)現(xiàn)黏性底層(最靠近壁面的流層)擬序結(jié)構(gòu)明顯,但湍流邊界層外區(qū)是無(wú)序、混沌的.黏性底層上方的這些混沌運(yùn)動(dòng)是由于黏性底層表面形成的流向渦猝發(fā)引起的.流向渦(方向和流向平行的渦)在黏性底層起主導(dǎo)作用.由于這些渦在表面既旋轉(zhuǎn)又流動(dòng),它們?cè)诒砻孀匀欢坏匮刂鴻M向流動(dòng)方向遷移.渦與物體表面的相互作用,以及相鄰渦在遷移過(guò)程中的碰撞,使得產(chǎn)生的渦從黏性底層噴射到邊界層外.由于渦的噴射,使得與其他渦碰撞、產(chǎn)生扭轉(zhuǎn),改變了瞬時(shí)速度矢量,以致瞬時(shí)橫向速度分量增大到與瞬時(shí)流向速度分量同樣大小.黏性底層渦的遷移、猝發(fā)與湍流邊界層外部的無(wú)序流動(dòng)都是動(dòng)量交換的形式,也是流動(dòng)阻力產(chǎn)生的主要因素.減少流向渦的猝發(fā)破碎是減阻的主要目標(biāo),并且很有可能實(shí)現(xiàn).沿著平均流向,Coles用流動(dòng)顯示的方法首次觀察到沿流向的高低速條帶,即在水平橫截面上展現(xiàn)出的渦結(jié)構(gòu).后來(lái),Robinson基于Navier–Stokes方程,用數(shù)值模擬的方法完整地重現(xiàn)了高低速條帶結(jié)構(gòu).近年來(lái),隨著更多先進(jìn)的流動(dòng)顯示技術(shù)的發(fā)展,學(xué)者們得到了許多具有代表性的橫截面影像資料.圖3顯示的就是在平板和溝槽表面流向渦的形成過(guò)程.水平橫截面上由于相鄰渦作用產(chǎn)生的條帶結(jié)構(gòu)反映了當(dāng)?shù)亓鲌?chǎng)的平均速度.這些高低速條帶的平均展向波長(zhǎng)(高低速條帶間寬度)等于兩個(gè)相鄰渦的直徑和,而測(cè)量是在距壁面約70～100個(gè)壁面單位(1)的高度上進(jìn)行的.這相當(dāng)于對(duì)應(yīng)渦的直徑為35～50個(gè)壁面單位.我們可從圖3中看到渦的橫截面及其相對(duì)尺度大小,該渦的直徑小于40個(gè)壁面單位.3橫向流動(dòng)有效可嵌入高度的計(jì)算及應(yīng)用快游鯊魚皮膚表面特有的小溝槽狀結(jié)構(gòu)有利于抑制黏性底層上流向渦的橫向遷移.但溝槽結(jié)構(gòu)阻礙渦的平移及與溝槽間的相互作用的機(jī)理很復(fù)雜,至今人們對(duì)這種現(xiàn)象仍未完全理解.實(shí)際上,對(duì)渦遷移的抑制減少了渦向外區(qū)噴射的趨勢(shì),并且在湍流邊界層外減小了由于渦在邊界層外層的纏結(jié)和扭轉(zhuǎn)所引起的動(dòng)量交換.人們通常認(rèn)為,仿制鯊魚皮表所得到的溝槽結(jié)構(gòu)使得潤(rùn)濕面積增大,會(huì)使阻力增加.在湍流中,當(dāng)流體流過(guò)新的、更大的表面時(shí)由于表面切應(yīng)力的增加,流動(dòng)阻力也會(huì)顯著增加.然而,在脊?fàn)畋砻嫘纬蓽u,由于位于溝槽上方,只與溝槽脊?fàn)畋砻婕夥逑嗷プ饔?渦的產(chǎn)生不會(huì)在槽谷產(chǎn)生高速流動(dòng).也正由于較高速度的渦只與溝槽脊部的局部表面相互作用,所以只有這個(gè)小區(qū)域會(huì)承受較高切應(yīng)力.溝槽槽谷處的低速流體流過(guò)溝槽大部分的表面,但產(chǎn)生的切應(yīng)力很小.通過(guò)控制讓渦保持在溝槽脊的上方,使得溝槽槽谷內(nèi)的橫向流速度脈動(dòng)遠(yuǎn)小于平板流動(dòng)中的橫向流速度脈動(dòng).橫向流速度脈動(dòng)的差異,使表面切應(yīng)力和動(dòng)量交換減小,并把增加表面積的影響降到最低.當(dāng)然我們應(yīng)該注意到盡管渦在槽脊上方,但仍會(huì)有二次渦產(chǎn)生并短暫地進(jìn)入槽谷.實(shí)際上,這些短暫存在的二次渦運(yùn)動(dòng)增加了與溝槽槽谷表面的相互作用,但對(duì)阻力的影響很小.溝槽槽脊突出深入流場(chǎng)而沒(méi)有使其流動(dòng)阻力大幅增加,主要原因是溝槽與渦相互作用,減小了渦的橫向平移及其相關(guān)效應(yīng).由于流場(chǎng)中的溝槽結(jié)構(gòu),使流動(dòng)的有效起點(diǎn)提高.溝槽高度高出有效流動(dòng)起點(diǎn)垂直位移的量,我們稱為“有效突入高度”.通過(guò)計(jì)算溝槽表面層流區(qū)不同高度上的平均流向速度,并與平板流動(dòng)情況比較,我們就能計(jì)算出層流中的流向有效突入高度hps.同理,通過(guò)對(duì)溝槽表面和平板表面上方橫向流動(dòng)速度的比較,也能得出層流中的橫向流動(dòng)有效突入高度hpc.圖4是流向速度和橫向速度剖面圖及其相應(yīng)有效突入高度的示意圖.流向與橫向有效流動(dòng)起點(diǎn)的垂直位移差,即?h=hps-hpc,已經(jīng)被用來(lái)表述低雷諾數(shù)流動(dòng)情況下各種溝槽將會(huì)使渦的橫向遷移減小的度量.當(dāng)然如果雷諾數(shù)繼續(xù)增加,表面積的增加對(duì)于整體的流動(dòng)阻力增加的影響也在增大,這時(shí)層流減阻的理論逐漸失效.1995年,Goldstein等對(duì)溝槽壁面湍流流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬.他們使用浸入邊界法在管道湍流中生成虛擬溝槽表面.該方法涉及點(diǎn)力的添加,我們會(huì)在溝槽表面相應(yīng)的位置插入一個(gè)個(gè)的點(diǎn)力,即在與流向的反方向上施加一個(gè)拖力.由于湍流流動(dòng)速度的隨機(jī)性,我們需要一個(gè)反饋回路以保持在所需的溝槽表面速度為零.使用這種模擬方法可以監(jiān)測(cè)溝槽面插入到湍流流場(chǎng)中的反應(yīng),可以更好地理解其減阻機(jī)理.Goldstein等的研究首次將一些虛擬邊界插入以模擬層流平板邊界層及湍流平板邊界層.這些試驗(yàn)樹立了基準(zhǔn),檢測(cè)了在定常流場(chǎng)中用點(diǎn)力代表滯止邊界以及在非定常流場(chǎng)中借助反饋環(huán)路以準(zhǔn)確模擬邊界的能力.基于這種研究平臺(tái),他們?cè)谕牧髁鲃?dòng)中對(duì)兩類虛擬溝槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測(cè)試.圖5是其中一種溝槽結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)速度云圖分布.這類虛擬溝槽的表現(xiàn)與物理實(shí)驗(yàn)中溝槽的表現(xiàn)類似,與平板流動(dòng)比較,其表面減阻率在3.3%.他們分析溝槽表面的流場(chǎng),與現(xiàn)有的減阻理論一致:在溝槽表面形成的渦,保持在溝槽槽脊的上方,它使得溝槽槽谷產(chǎn)生低速流;槽脊間低速流的速度梯度小于平板上的速度梯度,這樣就減小了大部分溝槽表面的剪切力;在槽脊處的速度梯度較大,剪應(yīng)力也相應(yīng)較大,而這種剪應(yīng)力分布的總阻力是減少的;同樣,溝槽表面渦的橫向遷移較平板流動(dòng)顯著衰減,渦的橫向遷移的衰減,減弱了渦的猝發(fā)、纏結(jié)及邊界層外的湍流.4溝槽結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)屬性快速鯊魚溝槽面的形狀變化很大,即使同一條鯊魚其身體不同部位的形狀大小也大不相同.圖1就能看到尖吻鯖鯊尾部分散刀片狀溝槽結(jié)構(gòu)和其身體前部的溝槽結(jié)構(gòu)也存在差異.除此外生態(tài)學(xué)上其他快游鯊魚的皮膚溝槽結(jié)構(gòu)也各不相同.人們研究了很多溝槽類型,由于各種原因而選擇了不同的形狀及尺寸,有的是因?yàn)樗c自然存在的溝槽類似,有的是為了容易制造,有的是減阻優(yōu)化的結(jié)果.二維溝槽在流向上的橫向截面簡(jiǎn)單,并具有連續(xù)的突入,也是研究得最徹底的.圖6對(duì)于鋸齒形溝槽,扇形溝槽,和刀刃形溝槽等對(duì)稱二維溝槽結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)屬性做了最詳盡的特征描述[14,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31]通常,改變溝槽的幾何形狀不能使得減阻率增加.通過(guò)精細(xì)研究不同形狀溝槽,例如不對(duì)稱溝槽、分層溝槽、圓齒形溝槽、鋸齒狀溝槽,并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)小溝槽結(jié)構(gòu)的減阻率.此外,其他二維溝槽包括兄弟-姊妹交錯(cuò)型溝槽及頂部擁有很多小溝槽的分層溝槽的研究也得到了類似的結(jié)論.人們對(duì)立體溝槽也進(jìn)行了研究,包括分段二維溝槽和模擬鯊魚皮的結(jié)構(gòu)等.溝槽結(jié)構(gòu)的分類還包括調(diào)準(zhǔn)的分段刀片溝槽、偏置分段刀片溝槽、偏置三維刀片溝槽和三維模擬鯊魚皮結(jié)構(gòu)的溝槽.大多數(shù)研究者只是通過(guò)在風(fēng)洞或水洞中改變流體來(lái)流速度來(lái)改變無(wú)量綱間距s+,并且用剪應(yīng)力天秤來(lái)收集剪應(yīng)力數(shù)據(jù).這一點(diǎn)在管道流一章中也會(huì)討論.把測(cè)得的剪應(yīng)力與平板上得到的剪應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比,計(jì)算出減阻率作為縱軸,并根據(jù)流動(dòng)條件計(jì)算出s+作為橫軸,便可以針對(duì)一系列特征尺度的特殊溝槽得到其減阻率的特性曲線.對(duì)不同流動(dòng)條件下流場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比研究時(shí)必須應(yīng)用無(wú)量綱尺度,即無(wú)量綱間距s+.因?yàn)闊o(wú)量綱化尺度可以自動(dòng)反映流場(chǎng)具體結(jié)構(gòu)尺度的不同,例如渦的直徑,它與溝槽展向間距之間必須匹配.利用水、油、空氣做介質(zhì),人們已經(jīng)對(duì)各種材料表面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn).結(jié)果發(fā)現(xiàn)在相同的無(wú)量綱尺度下,不管溝槽的材質(zhì)、用來(lái)測(cè)試的流體種類、抑或制造的尺寸如何,只要溝槽的各個(gè)特征尺度之比相同,我們得到的減阻性能曲線都是相似的.4.1溝槽結(jié)構(gòu)減阻效果對(duì)比鋸齒形溝槽是研究中最常用的標(biāo)準(zhǔn)溝槽.其特征尺度和最優(yōu)尺寸的原理圖如圖6(a)所示.溝槽形狀是由槽高和槽寬的比值h/s或尖角角度α確定的.經(jīng)過(guò)對(duì)比,α=54?的鋸齒形溝槽其性能擬合曲線減阻效果最佳.從現(xiàn)有數(shù)據(jù)看,高寬比h/s=1.0,尖角角度α=54?的鋸齒形溝槽最優(yōu)減阻率為5%.圓齒形溝槽通常定義高寬比h/s的值,但在各項(xiàng)研究中形狀不盡相同.雖然形狀相似,但是是否要確定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的扇形槽面,研究者們并沒(méi)有達(dá)成共識(shí).一般來(lái)說(shuō),任何凹面形狀都可被稱為圓齒形.通過(guò)比較鋸齒形溝槽、圓齒形溝槽、刀刃形溝槽的減阻數(shù)據(jù),可以得到一個(gè)最優(yōu)化的形狀.理想狀態(tài)下,一般認(rèn)為槽脊薄而鋒利效果較好,但有較厚槽脊的圓齒形溝槽也起到了較好的減阻效果.圖6(b)顯示了圓齒形溝槽的最優(yōu)化尺寸數(shù)據(jù).高寬比h/s=0.7的圓齒形溝槽最優(yōu)減阻效果達(dá)到6.5%.人們對(duì)不同特征尺度刀刃形溝槽減阻效果進(jìn)行了細(xì)致的研究.圖6(c)是刀刃形溝槽特征尺度與最優(yōu)減阻率的關(guān)系圖.在可調(diào)節(jié)刀刃溝槽尺寸的試驗(yàn)臺(tái)上,當(dāng)達(dá)到最優(yōu)尺寸(高寬比h/s=0.5,t/s=0.02)時(shí),取得9.9%的最佳減阻效果.由于刀刃形溝槽固有的結(jié)構(gòu)缺陷,溝槽厚度受到強(qiáng)度的制約.刀刃太薄,就會(huì)在流體流動(dòng)過(guò)程中彎曲,從而導(dǎo)致渦的展向遷移,減阻效果減弱.圖7(a)比較了鋸齒形、圓齒形、刀刃形3種溝槽結(jié)構(gòu)的最優(yōu)減阻效果.容易看出刀刃形溝槽減阻效果最好,圓齒形溝槽減阻效果次之,鋸齒形溝槽減阻效果最差.表1對(duì)3類溝槽特征及減阻特性進(jìn)行了總結(jié)比較.圖6也說(shuō)明了每種溝槽在s+=15附近(大約1/3～1/2流向渦寬度)時(shí)取得最優(yōu)減阻效果.較大的s+會(huì)導(dǎo)致渦落入溝槽的間隙中,從而增加溝槽表面的切應(yīng)力.當(dāng)s+降到最優(yōu)值以下,整體的溝槽尺寸將遇到一個(gè)臨界值,再低的話就不能有效抑制渦的橫向遷移.溝槽的減阻潛力取決于流向上溝槽的有效突入高度.增加有效突入高度似乎與減阻潛力有關(guān)聯(lián).圖7(b)分別給出了鋸齒形溝槽、圓齒形溝槽和刀刃形溝槽的有效突入高度.對(duì)于相同的高寬比h/s,刀刃形溝槽因?yàn)榻孛婷娣e最小,所以有效流場(chǎng)起點(diǎn)位移?o(溝槽面最低未受擾動(dòng)等速線高度減去相同流場(chǎng)條件下平板面達(dá)到該等速線高度)最小,而鋸齒形溝槽?o最大.當(dāng)我們?nèi)〔煌膆/s值時(shí),盡管3種類型溝槽速度剖面在流向上有相同的最大有效突入高度0.2206s,但因?yàn)橥牧鲄^(qū)表面面積增加使得表面剪切應(yīng)力增加,會(huì)使得整體阻力值增大.即在相同突入高度而高度hp值最大時(shí),有效流場(chǎng)起點(diǎn)位移?o也增加,結(jié)果減阻的效應(yīng)反而被實(shí)際流動(dòng)中阻力的增大所超越.應(yīng)用溝槽時(shí)所關(guān)注的另一點(diǎn)是減阻性能對(duì)偏角的敏感性.我們定義偏角β為流體流向與溝槽槽道方向的夾角.研究發(fā)現(xiàn)它降低溝槽表面的減阻效果.當(dāng)偏角β大于30°,溝槽表面使阻力增加;但當(dāng)β不大于15°時(shí),仍可以起到減阻效果.圖8顯示了不同偏角情況下鋸齒形溝槽的減阻特性.4.2三維溝槽減阻研究我們知道,鯊魚表皮溝槽結(jié)構(gòu)是分段的,分組的,不是二維的.所以研究者使用三維特征的立體溝槽來(lái)更好地接近實(shí)際鯊魚皮膚的減阻特性并試著從二維溝槽減阻研究中去發(fā)掘尚未理解的減阻方法.Wilkinson等研究了由調(diào)準(zhǔn)的分段刀刃形溝槽組成的復(fù)合型溝槽和三維立體溝槽的減阻特性.與二維連續(xù)溝槽相比,凈減阻率并沒(méi)有得到改善.Bechert等分別對(duì)一種溝槽槽間距為s,交錯(cuò)排列間距為s/2的分段刀刃形溝槽進(jìn)行了研究.圖9(a)是交錯(cuò)排列梯形刀刃形溝槽結(jié)構(gòu)示意圖.Bechert等希望使用這些交錯(cuò)排布的溝槽及其他幾何參數(shù)的三維溝槽也能實(shí)現(xiàn)相同的渦抬升和抑制渦橫向遷移的效果.圖9(b)是交錯(cuò)排列的分段刀刃形溝槽最大減阻效果和連續(xù)型二維刀刃形溝槽最優(yōu)減阻效果的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比.通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn),三維立體溝槽沒(méi)有得到額外的凈減阻效果.所以,他們總結(jié)認(rèn)為:分段二維溝槽組合而成的立體溝槽看來(lái)不會(huì)比平面連續(xù)型溝槽的減阻效果有較大的提高.對(duì)于現(xiàn)實(shí)世界,人們已經(jīng)根據(jù)鯊魚皮鱗片分組的尺度來(lái)對(duì)鯊魚皮品種優(yōu)劣特性從理論上進(jìn)行分類.理論認(rèn)為若在鯊魚鱗狀皮膚表面下建立一個(gè)壓力交換系統(tǒng),通過(guò)噴射方法可以消除黏性底層的壓力條帶,但結(jié)論是所增加的動(dòng)量交換不利于減阻.近來(lái)對(duì)鯊魚鱗片減阻特性的研究分為靜態(tài)鱗片結(jié)構(gòu)和靈活可控鱗片結(jié)構(gòu)兩種.圖10(a)是用環(huán)氧樹脂注塑復(fù)制的白斑角鯊皮膚的鱗片.Jung和Bhushan在矩型流動(dòng)池的流動(dòng)實(shí)驗(yàn)中取得了壓力降減小的結(jié)果(對(duì)應(yīng)流動(dòng)阻力的減小).在管道流動(dòng)中,從入口到出口壓力的下降是流動(dòng)阻力的一種表現(xiàn)形式,壓降越大說(shuō)明阻力越大.他們通過(guò)對(duì)分段刀片式丙烯酸表面鱗片(圖10b)與平板丙烯酸表面的對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究,找到了壓降降低的最小值.環(huán)氧基樹脂覆蓋的鱗片模型實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果在圖11(a)中給出,分段刀片式結(jié)構(gòu)溝槽的研究結(jié)果見(jiàn)圖11(b).某些鯊魚表皮結(jié)構(gòu)頂部的鱗片靈活地附著在下面的皮膚上.通過(guò)鱗片的樹立,可以改變仰角.鱗片下的壓力變化,可引起靈活鱗片的位置改變,以及鱗片后緣的翹起.另一方面,鯊魚自然游動(dòng)中皮膚會(huì)出現(xiàn)凹面,凹面處的鱗片也可能會(huì)豎立起來(lái).通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M靈活的鱗片結(jié)構(gòu)在邊界層中的豎立,也許可以實(shí)現(xiàn)流動(dòng)控制和減阻的目的,但讓鱗片極限豎立并沒(méi)有起到減阻效果.不過(guò),鱗片的豎立使得流場(chǎng)中出現(xiàn)了各種特別的流動(dòng)現(xiàn)象,例如形成3個(gè)形狀各異的渦旋等.4.3溝槽的減阻率測(cè)定人們研究管道流動(dòng)中溝槽的減阻作用,發(fā)現(xiàn)鋸齒形溝槽減阻效益確實(shí)存在.但因?yàn)楣艿乐袦喜鄄贾玫葢?yīng)用中的難度,其數(shù)據(jù)一般局限于3M生產(chǎn)的鋸齒形溝槽膜.他們通過(guò)測(cè)量溝槽管道及與其類似的光滑管道之間的壓力降進(jìn)行減阻率對(duì)比測(cè)試.圖12(a)給出了平板上鋸齒溝槽的減阻數(shù)據(jù).當(dāng)在管道的內(nèi)表面使用溝槽時(shí),由于管壁曲率,溝槽的槽脊也會(huì)隨之靠攏一些.所以,管道內(nèi)溝槽的理想s+范圍要小于相同條件下平板面溝槽的取值范圍.另外,s+的減小說(shuō)明,與平板情況相比,圓管管流中減阻率的增加可能出現(xiàn)在更大的特征角α下.5溝槽微尺度的加工和利用對(duì)于溝槽的大范圍研究與應(yīng)用來(lái)說(shuō),其制作加工技術(shù)已經(jīng)成為這一領(lǐng)域中的主要難題之一.由于綜合成本的原因,典型的微尺度制造技術(shù)不再適合大范圍應(yīng)用.即使為了研究使用,大部分研究人員也放棄了微加工工業(yè)中的微制造技術(shù),轉(zhuǎn)而選擇傳統(tǒng)銑削或成型手段.盡管對(duì)于不同工況或者不同流體流場(chǎng)可以使用無(wú)量綱化單位進(jìn)行比較,但是實(shí)驗(yàn)用溝槽的微尺度精確加工已經(jīng)成為一個(gè)專門的研究領(lǐng)域.溝槽幾何尺寸最優(yōu)化過(guò)程中最大的困難是溝槽系列的制造,其中各個(gè)溝槽的特征尺度略有增加.在空氣流動(dòng)中使用的溝槽間距要不大于1mm,這是由空氣的低黏度和高速風(fēng)洞測(cè)試時(shí)要在表面產(chǎn)生精準(zhǔn)可測(cè)的剪切應(yīng)力所必需的快速所決定的.相反的,油道中的流動(dòng)則具有黏度高,流動(dòng)慢的特點(diǎn).使得溝槽的尺寸需要保持在3～10mm范圍內(nèi).風(fēng)洞及其測(cè)試臺(tái)之外的溝槽在商業(yè)和實(shí)驗(yàn)用途上也受限于加工溝槽所需要的高額花費(fèi).大規(guī)模溝槽的應(yīng)用已在幾項(xiàng)研究中實(shí)現(xiàn),有的為了商業(yè)競(jìng)爭(zhēng),有的為了零售.3Mriblets(公司名)所生產(chǎn)的乙烯薄膜表面的鋸齒形溝槽已經(jīng)被用于船殼和飛機(jī)表面.Speedo及其他公司生產(chǎn)的競(jìng)技型泳衣也在表面采用了溝槽形態(tài),以降低每圈比賽中的阻力.此外,一種新式表面刮痕技術(shù)被應(yīng)用于管道內(nèi)表面以產(chǎn)生人造溝槽表面.5.1表面織構(gòu)尺寸的確定盡管湍流區(qū)是完全隨機(jī)的流動(dòng),但是黏性底層的厚度,流向渦的寬度,乃至最優(yōu)溝槽間距,都是依賴于流體流動(dòng)性質(zhì)的.溝槽間距是溝槽其他尺寸的基礎(chǔ),因此計(jì)算出合適的間距對(duì)于溝槽設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的.為了計(jì)算溝槽間距,必須知道壁面剪切應(yīng)力.橢圓管道中壁面剪切應(yīng)力可以通過(guò)將布拉修斯(Blasius)定律摩擦系數(shù)和范寧(Fanning)摩擦因子相結(jié)合而近似解出.布拉修斯定律的摩擦系數(shù)定義為Cf=0.0791(Vd/ν)-1/4,其中ν為動(dòng)力黏性系數(shù),d=4A/p是槽道水力直徑,A為橫截面積,p為濕周.范寧摩擦因子是由Cf=2τ0/ρV2定義的無(wú)量綱數(shù)字,其中τ0為壁面剪切應(yīng)力,ρ為流體密度,V為平均流動(dòng)速度.將兩方程聯(lián)合起來(lái),可得到近似的壁面剪切應(yīng)力由圖7(a)的優(yōu)化比較數(shù)據(jù),我們可以得知無(wú)量綱化間距應(yīng)從15<s+<18的范圍中選擇.我們建議管道流動(dòng)的值應(yīng)選擇得稍微小一些,最好在12<s+<14之間(圖12).可由無(wú)量綱因子s+計(jì)算物理間距,s=s+ν/Vτ,其中Vτ=(τ0/ρ)1/2,是壁面剪切速度.對(duì)于圖6中的不同溝槽形狀使用優(yōu)化曲線,可以用最優(yōu)間距為基礎(chǔ)的特征尺寸解出最優(yōu)物理溝槽尺寸.5.2飛機(jī)溝槽結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究與應(yīng)用之間的銜接經(jīng)常是緩慢的,溝槽表面的應(yīng)用也不例外.由于過(guò)去溝槽制造技術(shù)的限制,商業(yè)應(yīng)用的利潤(rùn)和應(yīng)用手段均受到限制.由于溝槽主要為表面流動(dòng)為湍流的物體提供減阻,只有某種特定形狀的物體才會(huì)顯示出可觀減阻效果.長(zhǎng)且具有相對(duì)平坦側(cè)壁的物體其大部分阻力通常來(lái)自于壁面的湍流,因此使用溝槽會(huì)獲得較好的減阻效果.然而,對(duì)于諸如汽車這樣的物體,其壓差阻力或流動(dòng)分離才是阻力的主要形式,溝槽的應(yīng)用效果并不明顯.自從19世紀(jì)80年代中期以來(lái),帶有鋸齒狀溝槽的乙烯薄膜已經(jīng)應(yīng)用于競(jìng)賽用船殼.奧林匹克賽艇和美洲杯帆船賽艇均覆蓋以溝槽.溝槽也曾被用于船舶的船體.由于一架飛機(jī)的壁面摩擦占到全部阻力的48%,19世紀(jì)70年代美國(guó)NASALanley研究中心以及后來(lái)的德國(guó)航空航天研究中心針對(duì)飛行器表面混合溝槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行了各種研究.“波音”和“空客”公司也在測(cè)試機(jī)上應(yīng)用了乙烯薄膜溝槽.這些薄膜未曾見(jiàn)于標(biāo)準(zhǔn)商業(yè)飛行,但不得不提到測(cè)試中所獲得的減阻效果.溝槽在飛機(jī)上的應(yīng)用需要作出幾項(xiàng)讓步:溝槽覆蓋區(qū)域由于環(huán)境因素某些部分必須留空;窗戶為了視野不能被覆蓋;飛行過(guò)程中接觸塵土和碎屑的地方應(yīng)該留空,否則溝槽會(huì)在飛行期間被侵蝕;另外,溝槽區(qū)域可能接觸到融雪劑、燃料或液壓用油的地方也要留出來(lái).除了上述幾個(gè)區(qū)域,溝槽覆蓋面積占飛行器其余面積的70%,能提供最多3%的減阻.這3%的減阻對(duì)應(yīng)于大約3%的燃料費(fèi)用的節(jié)約.溝槽結(jié)構(gòu)在飛機(jī)上的另一個(gè)潛在應(yīng)用是在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片表面,可以減小其壁面摩擦.溝槽技術(shù)的另一個(gè)重要商業(yè)應(yīng)用是管道流動(dòng)中的減阻.在大部分管道中用機(jī)器加工其表面或使用溝槽乙烯薄膜困難重重,必須使用替代方案.對(duì)管道的內(nèi)表面使用劃痕技術(shù)產(chǎn)生一種類溝槽粗糙度實(shí)驗(yàn),提供了大于5%的減阻效果.有經(jīng)驗(yàn)的水手知道,當(dāng)船身沿流向布滿沙子時(shí)船可以航行得更快,源于這一點(diǎn),Weiss通過(guò)使用鋼刷沿管線移動(dòng),制造脊?fàn)顪喜郾砻?其研究顯示經(jīng)過(guò)清潔管道和制造脊?fàn)畋砻孢@兩步可在流體流動(dòng)中達(dá)到10%的減阻.對(duì)于一段長(zhǎng)達(dá)16km的天然氣管線在商業(yè)運(yùn)營(yíng)時(shí)的測(cè)試證實(shí)了這一效果.溝槽減阻技術(shù)成功應(yīng)用于商業(yè)銷售的主要或者是唯一的商業(yè)市場(chǎng)是競(jìng)賽用泳衣.普通大眾是通過(guò)2004年Speedo公司介紹的Fastskin泳衣逐漸認(rèn)識(shí)到鯊魚皮的減阻效果的.Speedo聲稱,在靜水測(cè)試中該泳衣與其他競(jìng)賽用泳衣相比有百分之幾的減阻.然而,鑒于制造過(guò)程中對(duì)溝槽幾何形狀所作的妥協(xié),我們很難相信其減阻的全部結(jié)論.很顯然,通過(guò)編織螺紋的方式來(lái)創(chuàng)造表面結(jié)構(gòu)具有一定困難,并且用螺紋編織得的溝槽,其可選的幾何形狀只有有限的幾種.Fastskin泳衣通過(guò)編織的方式得到的溝槽與寬葉片、頂端有小條紋的溝槽相似.使用這種大規(guī)模制造方式形成的溝槽較大,而個(gè)別生產(chǎn)時(shí)沿宏觀溝槽螺紋制造出的溝槽較小.我們從圖13中可以看出這兩種可分辨的類溝槽形狀.如圖13(a)所示,未經(jīng)拉伸的溝槽擠壓在一起.當(dāng)織物被拉伸,溝槽的寬度和間距也隨之增加(圖13(b)).故h/s比率的減少依賴于每個(gè)游泳運(yùn)動(dòng)員身體的尺寸,這也是另一個(gè)設(shè)計(jì)中必須做妥協(xié)的因素.當(dāng)然溝槽厚度在設(shè)計(jì)中也是需要考慮的一個(gè)因素.除了現(xiàn)有編織方式的限制,溝槽間距的彈性變化也會(huì)影響編織物溝槽抑制流向渦橫向遷移的能力.所以我們需要和使用更厚的溝槽來(lái)增強(qiáng)強(qiáng)度,但其尖端的減阻效果與薄溝槽相比會(huì)有所減弱.5.3溝槽仿真對(duì)于實(shí)驗(yàn)用溝槽,其幾何形狀是根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)精心制作出來(lái)的.但應(yīng)用于高速氣流時(shí),標(biāo)準(zhǔn)化的溝槽制造技術(shù)尚缺乏所需的精度.此外,機(jī)加工缺乏制作小尺度溝槽時(shí)所需要的靈活度,因此無(wú)法輕易做出微量變動(dòng)以實(shí)現(xiàn)鋸齒狀和圓齒形溝槽的真正優(yōu)化.使用小尺度計(jì)算機(jī)數(shù)控軋機(jī)(CNC)在丙烯酸上可制造出厚度僅為38μm,高度達(dá)90μm的分段葉片溝槽.也有人用機(jī)器在鋁板上制作出間距在亞毫米量級(jí)的圓齒形和鋸齒形溝槽.另一種制作葉片形溝槽的方法是將分開編織的部分組裝到一起.通過(guò)將薄的葉片單元和間隔單元組裝起來(lái),制造出幾何形狀可調(diào)整的堆積裝配件.通過(guò)分開的方式制造出葉片,薄的葉片可以使用軋制工藝制造出來(lái),從而消除了軋制失誤毀掉測(cè)試平板的擔(dān)心.溝槽間距是通過(guò)每個(gè)葉片及其間隔元件的公差之和來(lái)控制的,允許整體制造公差有所增加.這種組裝方式的主要進(jìn)步是易于調(diào)整,并且減少了軋制失誤而毀掉測(cè)試平板的危險(xiǎn).圖9(a)給出了組裝出來(lái)的溝槽圖片.對(duì)于模擬鯊魚表皮溝槽和三維溝槽,其復(fù)雜形狀通常需要通過(guò)模具來(lái)制造.微型模塑和微型壓印已經(jīng)通過(guò)以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作為模具材料和以硅膠作為復(fù)制品材料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)評(píng)估.實(shí)驗(yàn)顯示,復(fù)制品的精度(分辨率)在條紋間距上降低了2.2%和5.5%,在條紋高度上降低了8.3%和5.9%.此外,研究者按鯊魚表皮利用蠟緩釋劑做模具制成了鯊魚皮環(huán)氧樹脂復(fù)制品,在一個(gè)矩型管道段中進(jìn)行了流動(dòng)池實(shí)驗(yàn)研究.這些復(fù)制品的電子顯微鏡(SEM)掃描圖像如圖10(a)所示.這些制造方法很多并不適合在實(shí)驗(yàn)室之外的環(huán)境中應(yīng)用.盡管溝槽也許可以展現(xiàn)相當(dāng)好的減阻效果,可在真實(shí)物理環(huán)境中由于磨損,許多上述模型的減阻效果會(huì)很快消失殆盡.此外,這些方法大部分關(guān)注的是適合大規(guī)模應(yīng)用的制造方法.其他溝槽制造方法已經(jīng)在生產(chǎn)實(shí)踐中進(jìn)行著研究.3M公司的乙烯薄膜溝槽已經(jīng)被用于無(wú)數(shù)溝槽減阻效果的研究中.另外,還有微型磨削成型法和增量軋制法軋制溝槽的研究等等.3M公司的乙烯薄膜溝槽已被用于許多測(cè)試表面,包括管道流研究中不同管道的內(nèi)表面,流動(dòng)槽道和風(fēng)洞中的平板,拖曳水槽中的船殼,飛機(jī)機(jī)翼和機(jī)身.類似溝槽薄膜已使用體硅微加工工藝制造模具,以便復(fù)制出聚二甲基硅氧烷(PDMS)模塑成品來(lái)獲得一種薄且柔性的溝槽薄膜.這種薄膜已被用于流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn).磨削法和滾壓法已經(jīng)在科研和大規(guī)模應(yīng)用中得以研究.使用了一個(gè)異形磨輪來(lái)制造幾種h=20μm,s=50μm的鋸齒形溝槽.磨削砂輪的修整是通過(guò)一個(gè)兩步加工過(guò)程的金剛砂成形砂輪做到的,其中成形砂輪在第1次加工時(shí)每?jī)蓚€(gè)齒修整其中的第2個(gè)鋸齒,然后軸向上改變一個(gè)溝槽間距的距離,并在第2次加工時(shí)修整余下的鋸齒.磨削過(guò)程的一個(gè)缺憾是在最終的溝槽表面上缺乏強(qiáng)化.此外,滾壓法可以被用于在制造過(guò)程中對(duì)溝槽進(jìn)行應(yīng)變硬化.通過(guò)使用具有兩個(gè)溝槽剖面的軋輥,一個(gè)線性成型滾壓過(guò)程被用于在鈦合金上制造圓齒形溝槽,其h=162μm,s=340μm.應(yīng)變硬化手段,良好的磨粒形狀以及制造后溝槽表面的殘余壓應(yīng)力為生產(chǎn)應(yīng)用中的溝槽強(qiáng)度提供了有力保證.6標(biāo)準(zhǔn)折算法與標(biāo)準(zhǔn)東南角法的溝槽減阻效果對(duì)比流體分子在流過(guò)物體表面時(shí)會(huì)形成分子鍵.因?yàn)椴煌黧w分子間化學(xué)結(jié)構(gòu)迥異,分子鍵的引力對(duì)于不同的“材料表面-流體”組合來(lái)說(shuō)也是不同的.因此,這些溝槽面的測(cè)試不允許不同材料表面和流體之間的研究結(jié)果做絕對(duì)比較.圖14給出了標(biāo)準(zhǔn)無(wú)量綱化的溝槽減阻效果研究結(jié)果之間的對(duì)比,測(cè)試研究中使用了不同“表面材料-流體”組合但形狀相似的溝槽.可以清楚地看出,兩種實(shí)驗(yàn)結(jié)果減阻趨勢(shì)相似,但曲線不重合.這是由于流體分子和表面材料之間的相互作用以及測(cè)量的分辨率和準(zhǔn)確率使得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在s+值的上限處和下限處上出現(xiàn)很大差異.另外一個(gè)對(duì)流場(chǎng)阻力影響較大的因素是流場(chǎng)中聚合物添加劑的存在.湍流流場(chǎng)中聚合物添加劑和流體分子間的相互作用導(dǎo)致阻力的劇烈減小.魚在游泳的時(shí)候會(huì)分泌少量的黏液,與邊界層內(nèi)部流體混合,從而減少魚受到的阻力.盡管鯊魚沒(méi)有分泌足夠的黏液來(lái)減少阻力,但是其表面確實(shí)存在少量的黏液.6.1表面水、油的耦合作用流體分子與其接觸表面之間耦合的程度可以用多種方法描述.我們把材料表面與其上液滴切線之間形成的夾角叫做“接觸角”.在壁面上,水滴球面接觸角是180?.水膜接觸角是0?.另一個(gè)描述面-液耦合度的特征量是“滾動(dòng)角”.它被定義為開始靜止在水平面的流體液滴欲要在壁面運(yùn)動(dòng)時(shí)的夾角.故具有較低分子鍵親和力和較高液-面間親和力的流體分子其接觸角小,滾動(dòng)角大.那些分子鍵作用力比液-面間親和力更大的流體接觸角大,滾動(dòng)角小.流體分子和材料表面兩者表面能量的不同決定了其之間的結(jié)合強(qiáng)度.如果某表面的表面能量比流過(guò)其上的流體更低,與流體結(jié)合強(qiáng)度就低;反之亦然.我們通常用來(lái)研究表面引力屬性的流體分別是水和油.如果材料表面與水之間的接觸角小于90°,我們稱之為“親水性材料”;如果接觸角大于90°,則為“疏水性材料”;如果接觸角大于150°,稱之為“超疏水性材料”.為了獲得超疏水的特性,除了典型材料涂層之外還必須利用表面粗糙度.對(duì)于油,我們使用相同的角度分別定義親油性、疏油性和超疏油性材料.流體阻力是這些液-面作用中很明顯卻常常被忽略的結(jié)果.滾動(dòng)角大代表著流體與壁面之間表面摩擦阻力大.在流場(chǎng)中,壁面經(jīng)典無(wú)滑移條件是分子間引力的作用.然而,我們可以通過(guò)改變壁面和流體間相互作用從而修正邊界條件.疏水材料表面的流場(chǎng)其速度剖面的起點(diǎn)并不是0.圖15給出了疏水性材料在壁面有滑移條件下和親水性材料在壁面無(wú)滑移條件下的速度剖面的比較.表觀流動(dòng)的速度零點(diǎn)與壁面之間的距離稱為“滑移長(zhǎng)度”.隨著流體與壁面之間吸引力的減小,滑移長(zhǎng)度增加,而流體阻力減小.管道流動(dòng)中初始速度增加引起最大流動(dòng)速度的相應(yīng)升高,于是阻力也就降低.涂層材料表面能較低的管道,與相似的但表面能量高的管道相比,其壓力降要低.圖16給出了流通池實(shí)驗(yàn)中親水性、疏水性和超疏水性材料表面分別流過(guò)層流、湍流時(shí)其壓力降的比較.最大壓力降和最大流體減阻發(fā)生在超疏水性材料表面,計(jì)算得到其上的滑移長(zhǎng)度達(dá)到了100μm.其他的液-面組合之間也有類似結(jié)果.降低流體分子和材料表面之間的結(jié)合強(qiáng)度可以相應(yīng)減少其層流區(qū)和湍流區(qū)的流動(dòng)阻力.6.2高分子減阻劑的應(yīng)用我們知道魚類在游動(dòng)時(shí)會(huì)分泌黏液.我們不知道這些黏液是否一直存在,但一些特定環(huán)境會(huì)導(dǎo)致、改變或加強(qiáng)黏液的產(chǎn)生.這些環(huán)境壓力來(lái)自于魚類要提高游速的需要(從而追擊獵物或避免被捕食),或者逃避非食肉性動(dòng)物(比如微生物)造成的危險(xiǎn),或者避免在巖石表面游動(dòng)時(shí)被擦傷.不管是什么因素使得魚在游動(dòng)時(shí)開始分泌黏液,但其減阻作用是顯然的.大量實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí):覆蓋了黏液的魚類游動(dòng)比沒(méi)有黏液時(shí)更可能減阻.在一個(gè)蜂蠟魚模型和覆蓋了黏液的魚模型的比較實(shí)驗(yàn)中,后者的壁面摩擦阻力減小了50%.與這些魚類黏液減阻實(shí)驗(yàn)相類似,在管流中使用高分子溶液添加劑從而實(shí)現(xiàn)減阻的實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)進(jìn)行了多年.在一個(gè)管道流動(dòng)實(shí)驗(yàn)中,使用各種不同的注入方法添加高分子溶液,實(shí)現(xiàn)了最高80%的減阻效果.另外,隨著雷諾數(shù)的增加,其減阻率也在增加.在整個(gè)管流中若高分子持續(xù)混合并持續(xù)起著作用,減阻效果會(huì)很好.但在外流場(chǎng)中的應(yīng)用卻會(huì)更困難.在靜止接觸時(shí),魚表面的黏液與水混合得并不好,但是在魚開始游動(dòng)后黏液與水充分混合,起到了減阻的效果.根據(jù)這點(diǎn)來(lái)看,我們低估了魚表面黏液的作用.不幸的是,在高分子減阻的長(zhǎng)期外流應(yīng)用中,必須連續(xù)注入高分子溶液.這樣,高分子溶液使用量就太大,故從整體能源使用的角度來(lái)說(shuō),是一個(gè)低效的能源策略.盡管鯊魚沒(méi)有分泌足夠的黏液來(lái)達(dá)到減阻的效果,但鯊魚皮表面確實(shí)存在著少量類似黏液.鯊魚表皮黏液分泌的機(jī)理和魚可能是類似的,只有當(dāng)環(huán)境壓力或者游動(dòng)時(shí)才引起分泌量的增多,但整體來(lái)說(shuō)其分泌量還是較少的.我們猜測(cè),一種可能的黏液微量分泌的機(jī)理對(duì)于改變溝槽槽谷或者溝槽槽峰處(這里剪