基于多尺度相干結(jié)構(gòu)的溝槽壁面平板湍流邊界層減阻機(jī)理

基于多尺度相干結(jié)構(gòu)的溝槽壁面平板湍流邊界層減阻機(jī)理

流量邊界層是自然界和工程科學(xué)中典型的流量邊界層之一。技術(shù)技術(shù)中的大洪水問題與流邊界層密切相關(guān)。與層流邊界層相比，流邊界層顯著增加了壁面摩擦部的阻力，導(dǎo)致壁面嚴(yán)重磨損，能耗和壁面振動(dòng)急劇增加，機(jī)械效率降低。因此，系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)材料的安全和可靠性的威脅是不可避免的。因此，從機(jī)制上分析了流量邊界層的流動(dòng)結(jié)構(gòu)及其形成原因，提出了控制流量邊界層的有效方法，作為流量控制的先鋒?？刂屏髁窟吔鐚拥闹饕繕?biāo)之一是減少壁面的摩擦阻力，降低能耗。因此，研究減少流量邊界層。有關(guān)減阻的研究可追溯到20世紀(jì)30年代,但直到60年代中期,研究工作主要是減小表面粗糙度,隱含的假設(shè)是光滑表面的阻力最小.NASA蘭利研究中心的研究人員發(fā)現(xiàn)順流向的微小溝槽表面能有效地降低壁面摩擦阻力,突破了表面越光滑阻力越小的傳統(tǒng)思維方式.NASA蘭利研究中心的Walsh及其合作者最先開展了溝槽平板湍流減阻的研究,Bacher和Smith通過對流速分布的測量,利用邊界層動(dòng)量積分公式得到了25%的靜減阻.采用同樣的方法,Gallagher和Thomas的研究結(jié)果表明只在溝槽板的后半部分阻力有所減小,但總的阻力幾乎不變.Coustols得到了10%～15%的減阻,且當(dāng)溝槽的偏航角β≤20°時(shí)仍有較好的減阻效果.Park和Wallace用熱線風(fēng)速儀詳細(xì)測量了溝槽內(nèi)的流向速度場,通過對溝槽壁面摩擦切應(yīng)力的積分,得到了大約4%的減阻.20世紀(jì)90年代,BechertDW對高度可調(diào)的細(xì)薄肋形溝槽面進(jìn)行研究并獲得9.9%的減阻效果,從而認(rèn)為具有適當(dāng)高橫比的細(xì)薄肋形溝槽面才是最佳減阻幾何形狀.然而,由于制造工藝相對復(fù)雜,大部分針對溝槽面減阻技術(shù)的研究仍然集中在傳統(tǒng)的對稱V型溝槽表面上.早期人們一般利用測力天平等設(shè)備直接測量壁面阻力評價(jià)溝槽壁面的減阻效果.幾年來,為了有效地設(shè)計(jì)減阻表面,人們的注意力集中到溝槽面湍流減阻機(jī)理的研究.許多學(xué)者從不同角度對減阻機(jī)理進(jìn)行探討,Gallagher和Thomas認(rèn)為是由粘性底層厚度的增加造成的,Bacher和Smith歸結(jié)為反向旋轉(zhuǎn)的流向渦與溝槽尖頂形成的小的二次渦的相互作用,認(rèn)為二次渦減弱了與低速帶條相聯(lián)系的流向渦,并在溝槽內(nèi)保留低速流體.流動(dòng)顯示結(jié)果表明,注入的染色液的展向擴(kuò)散限于溝槽內(nèi),相鄰溝槽間的相互作用較弱.Choi認(rèn)為主要是溝槽限制了流向渦的展向運(yùn)動(dòng),引起壁面猝發(fā)變?nèi)?導(dǎo)致了壁面摩阻的減少.Walsh認(rèn)為狹窄的V型溝槽的溝谷具有低摩阻的低速安靜流體,因而降低了總的阻力.圖1流向渦和溝槽表面尖峰的相互干擾這一點(diǎn)被Park和Wallace對溝槽側(cè)面摩阻的精細(xì)測量所證實(shí),他們得到側(cè)壁上面1/4部分的摩阻與光滑面大致相等,其余3/4部分比光滑面小,從而導(dǎo)致了總摩阻的降低.Vukoslavcevic等通過測量溝槽尖頂和低谷垂線上的流速分布得到在尖頂處摩阻增加85%,而在低谷摩阻降低很多.迄今為止,溝槽面湍流減阻技術(shù)的應(yīng)用范圍歸納起來主要有三方面:飛行器、流體驅(qū)動(dòng)設(shè)備、管道輸運(yùn)系統(tǒng).早期見諸報(bào)道的是20世紀(jì)80年代德國飛機(jī)制造商利用帶溝槽的飛機(jī)機(jī)身能使飛機(jī)節(jié)省燃料8%.而空中客車公司在A320試驗(yàn)機(jī)面積的70%貼上溝槽薄膜,達(dá)到了節(jié)油1%～2%的效果.泳衣業(yè)制造商澳大利亞Speedo公司研制開發(fā)的“FAST-SKIN”系列泳衣,可以減少3%水的阻力,這在百分之一秒決勝負(fù)的游泳比賽中意義非凡.在國外,如美國、歐洲乃至我們的鄰居印度近些年陸續(xù)開展的飛行器溝槽面減阻的實(shí)驗(yàn)研究,已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展.國內(nèi)對其在飛行器上的應(yīng)用研究正處于起步階段.如北京航空航天大學(xué)的王晉軍,石油大學(xué)的董守平、趙志勇、李新華等,西安交通大學(xué)的宮武旗、黃淑娟,西北工業(yè)大學(xué)的李育斌,南京航空航天大學(xué)的潘家正等均作了一定的工作;KSB公司在多級泵的葉片表面加工成一定形狀的溝槽后綜合效率提高了1.5%;在管道輸運(yùn)中,1984年,Nitschke通過測量具有流向溝槽面襯里管道的兩端壓差獲得了一定的減阻效果.DLRBerlin的研究機(jī)構(gòu)及日本的研究人員各自對內(nèi)襯溝槽面的輸油或輸水管道進(jìn)行了減阻實(shí)驗(yàn)研究均發(fā)現(xiàn)管輸量有不同程度的提高.由上可見溝槽減阻技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展空間.本文從流向V型溝槽對壁湍流場中的多尺度相干結(jié)構(gòu)進(jìn)行被動(dòng)控制的角度,分析了溝槽壁面及光滑平板壁面湍流邊界層中的流動(dòng)結(jié)構(gòu),利用熱線測速技術(shù),在不同來流速度條件下對風(fēng)洞中壁湍流相干結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,分析了溝槽壁面平板湍流邊界層的減阻機(jī)理.1極交流平板及溝槽尺寸實(shí)驗(yàn)在天津大學(xué)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室三元回流式低湍流度風(fēng)洞中完成,風(fēng)洞為木質(zhì)結(jié)構(gòu)的回流式閉口低速風(fēng)洞,主要用于湍流的實(shí)驗(yàn)研究.風(fēng)洞截面形狀除風(fēng)扇段為圓形外,其它均為八角形.實(shí)驗(yàn)段:截面尺寸:高0.60m,寬0.80m,四角各切去一個(gè)100mm×100mm的切角.實(shí)驗(yàn)段尺寸:長1500mm,寬800mm,高600mm,風(fēng)洞的收縮比為6.75,實(shí)驗(yàn)段氣流速度40m/s以下連續(xù)可調(diào),原始湍流度ε<0.2%,流速穩(wěn)定性|U?Uˉˉˉ|maxUˉˉˉ<0.2%|U-Uˉ|maxUˉ<0.2%,流速場的均勻性σUˉˉˉ<0.25%σUˉ<0.25%;風(fēng)洞采用無極變頻器調(diào)速,電機(jī)功率22kW.實(shí)驗(yàn)用光滑壁面平板及溝槽壁面平板并排水平放置在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段內(nèi).如圖1所示,正對來流方向的平板前緣為楔形,平板前緣固定拌線并貼有砂紙,以加速邊界層轉(zhuǎn)捩,以保證在探針測量位置形成充分發(fā)展的湍流,溝槽壁面平板溝槽尺寸如圖2所示.槽的寬度s=1.4mm,槽的深度為壁面摩擦切應(yīng)力,u*為壁面摩擦速度.其中溝槽用粘性內(nèi)尺度無量綱尺寸:雷諾數(shù)Rex=93579.3,s+=h+=8.86;雷諾數(shù)Rex=123809.5,s+=h+=11.54;雷諾數(shù)Rex=173877.4,s+=h+=16.光滑平板及溝槽平板沿流向軸線各有5個(gè)測壓孔與多管壓力計(jì)相連,用以監(jiān)測兩板上流向的壓力梯度變化,保證流向壓力梯度為零.在距離平板前端X=800mm處,用美國TSI公司IFA300型恒溫?zé)峋€風(fēng)速儀及TSI-1210-T1.5型單絲熱線探針、TSI-1244-T1.5雙絲熱線探針進(jìn)行測量,熱線敏感材料為直徑5μm的鎢絲.為了獲得恒溫?zé)峋€風(fēng)速儀最佳頻率響應(yīng)和真實(shí)的輸出電壓E(t)和流動(dòng)速度U(t)之間的響應(yīng)關(guān)系,每一個(gè)探針在每次測量前都單獨(dú)進(jìn)行標(biāo)定.溝槽壁面平板實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃凸饣诿嫫桨鍖?shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮陲L(fēng)洞中同時(shí)并排用6個(gè)自由來流速度吹風(fēng).用單絲邊界層熱線探針從距離壁面y=0.1mm的位置開始沿平板湍流邊界層的法向精細(xì)測量了不同壁面平板湍流邊界層平均速度剖面,利用壁湍流對數(shù)律平均速度剖面與壁面摩擦速度、流體粘性系數(shù)等內(nèi)尺度物理量的關(guān)系以及壁面摩擦速度與壁面摩擦切應(yīng)力的關(guān)系,通過非線性迭代擬合其中的壁面摩擦速度u*,用平均速度剖面法測量壁湍流的壁面摩擦阻力和壁面摩擦系數(shù),對溝槽壁面減阻特性進(jìn)行了比較,為進(jìn)一步認(rèn)識溝槽壁面減阻機(jī)理提供實(shí)驗(yàn)依據(jù).由TSI-1210T1.5型熱線探針測量湍流邊界層近壁區(qū)域平均速度剖面.用X形二分量邊界層熱線探針測量了不同雷諾數(shù)下不同法向位置的瞬時(shí)流向、法向速度分量的時(shí)間序列信號,采樣頻率50kHz,每個(gè)空間點(diǎn)采樣時(shí)間21s,樣本數(shù)據(jù)量1048576.2溝槽壁面的減阻效果根據(jù)實(shí)驗(yàn)測量所得的數(shù)據(jù)繪制不同雷諾數(shù)下溝槽壁面平板及光滑壁面平板湍流邊界層用粘性內(nèi)尺度無量綱化平均速度Uˉˉˉ+=Uˉˉˉ/u?Uˉ+=Uˉ/u*和無量綱化法向位置坐標(biāo)y+=yu*/v之間關(guān)系的曲線.平均速度剖面Uˉˉˉ+～y+Uˉ+～y+的變化情況如圖3所示.從圖中可以看出,在近壁區(qū)域y+<30,相同y+位置處,槽上和棱上的無量綱平均速度Uˉˉˉ+Uˉ+要明顯大于光滑壁面平板上的無量綱速度.這從一個(gè)方面說明溝槽壁面在湍流邊界層近壁區(qū)具有減阻作用.不同雷諾數(shù)下溝槽壁面平板及光滑壁面平板湍流邊界層平均速度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1～表3.表中Rex為以距離平板前緣X=800mm處為特征長度的雷諾數(shù).從表中可以看出,在三個(gè)不同雷諾數(shù)下,平均壁面摩擦速度u*,壁面摩擦切應(yīng)力τw,平均壁面摩擦系數(shù)Cf三個(gè)特征量在溝槽壁面平板槽上和棱上均小于光滑壁面平板.可以說明與光滑壁面平板相比,溝槽壁面具有減阻效果.圖4～圖6分別給出了溝槽板及平板湍流邊界層近壁面法向位置第1測點(diǎn)(y+=5.18)第9尺度相干結(jié)構(gòu)在噴射和掃掠過程流向脈動(dòng)速度法向脈動(dòng)速度、雷諾應(yīng)力分量的條件相位平均波形.與光滑平板相比,不論噴射過程還是掃掠過程,溝槽面槽上和棱上流向脈動(dòng)速度、法向脈動(dòng)速度、雷諾應(yīng)力幅值均明顯降低,而且在時(shí)間尺度上也較平板不同程度縮短.這說明溝槽面有效抑制了壁湍流中相干結(jié)構(gòu)的脈動(dòng),并使相干結(jié)構(gòu)噴射和掃掠過程的持續(xù)時(shí)間縮短.圖7～圖9分別給出了溝槽板及平板湍流邊界層近壁面法向位置第45測點(diǎn)(y+=30.00)第9尺度相干結(jié)構(gòu)在噴射和掃掠過程流向脈動(dòng)速度、法向脈動(dòng)速度、雷諾應(yīng)力分量的條件相位平均波形.從圖中可以看出,在該測點(diǎn)溝槽面槽上、棱上相對于光滑平板條件相位平均波形已基本重合,說明溝槽壁面對該位置處的相干結(jié)構(gòu)已不起作用,也就是說,溝槽壁面只能控制緩沖層以內(nèi)近壁湍流的相干結(jié)構(gòu),而對對數(shù)律區(qū)及其以外區(qū)域的相干結(jié)構(gòu)沒有控制作用,溝槽壁面的減阻效果是通過抑制緩沖層以內(nèi)近壁湍流相干結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)實(shí)現(xiàn)的.圖10給出溝槽壁面槽上、棱上及光滑平板湍流邊界層近壁區(qū)第9尺度相干結(jié)構(gòu)的在噴射和掃掠過程中占有湍流脈動(dòng)動(dòng)能隨法向無量綱距離的變化情況.從圖中可以看出,在緩沖層以內(nèi)的近壁區(qū)域(y+<30.00),槽上和棱上噴射和掃掠過程中,相干結(jié)構(gòu)占有湍流脈動(dòng)動(dòng)能均明顯低于光滑平板,進(jìn)入對數(shù)層以后(y+>30.00),溝槽壁面與光滑平板相干結(jié)構(gòu)的在噴射和掃掠過程中占有湍流脈動(dòng)動(dòng)能趨于一致.同樣也說明溝槽壁面只能控制緩沖層以內(nèi)近壁湍流的相干結(jié)構(gòu),而對對數(shù)層及其以外區(qū)域的相干結(jié)構(gòu)沒有控制作用,溝槽壁面的減阻效果是通過抑制緩沖層以內(nèi)近壁湍流相干結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)的.雷諾數(shù)Rex=173877.4下,第9尺度溝槽板槽上、棱上及光滑平板上相干結(jié)構(gòu)猝發(fā)的實(shí)際物理時(shí)間長度如表4所示.可以看出,在靠近壁面處,槽上和棱上噴射和掃掠持續(xù)時(shí)間長度均小于光滑平板上的時(shí)間長度,說明溝槽面上相干結(jié)構(gòu)噴射和掃掠過程能量降低的同時(shí),其時(shí)間發(fā)展歷程也變短,溝槽壁面減阻效果明顯.隨著法向位置y+的增加至y+=30.00時(shí),溝槽壁面與光滑壁面上相干結(jié)構(gòu)猝發(fā)的實(shí)際物理時(shí)間尺度基本相等,溝槽壁面抑制相干結(jié)構(gòu)噴射和掃掠的效果逐漸消失.3溝槽壁面減阻機(jī)理本文對風(fēng)洞中V型溝槽壁面平板湍流邊界層抑制湍流多尺度相干結(jié)構(gòu)及壁面減阻的機(jī)理進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.用IFA300熱線風(fēng)速儀和X形二分量邊界層熱線探針精細(xì)測量了溝槽壁面及光滑壁面湍流平板邊界層不同法向位置的瞬時(shí)流向、法向速度分量的時(shí)間序列信號.將湍流多尺度相干結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)引入溝槽面湍流邊界層減阻機(jī)理的研究.以流向速度子波系數(shù)作為特征量檢測湍流邊界層多尺度相干結(jié)構(gòu),提取了溝槽壁面平板及光滑壁面平板湍流邊界層中的多尺度相干結(jié)構(gòu)流向速度分量、法向速度分量和瞬時(shí)雷諾應(yīng)力分量的條件相位平均波形,研究了多尺度相干結(jié)構(gòu)猝發(fā)時(shí)流向速度分量、法向速度分量和瞬時(shí)雷諾應(yīng)力分量的動(dòng)力學(xué)發(fā)展、演化過程.通過比較溝槽壁面平板及光滑壁面平板湍流邊界層中平均速度剖面、多尺度相干結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間和條件相位平均波形等統(tǒng)計(jì)特征,研究溝槽壁面的減阻機(jī)理,主要結(jié)論如下:1)通過測量平板湍流邊界層平均速度剖面,對溝槽壁面峰上、谷上及光滑壁面不同雷諾數(shù)的平均速度剖面進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)相對于光滑壁面,溝槽壁面峰上、谷上壁面摩擦速度、壁面摩擦切應(yīng)力、壁面摩擦系數(shù)均有不同程度減小,說明溝槽壁面在一