沟槽面湍流减阻研究综述Word格式.docx

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V211.19

　　节约能源消耗是人类一直追求的目标,其主要途径之一就是在各种运输工具的设计中,尽量减少表面摩擦阻力.表面摩阻在运输工具的总阻力中占有很大的比例,例如:

常规的运输机和水上船只,其表面摩阻约占总阻力的50%;

对于水下运动的物体潜艇,这个比例可达到70%;

离的管道输送中,表面摩擦阻力.域,,阻意义重大,已广泛的重视,并已被

NASA列为21世纪的航空关键技术之一

.有关减阻的研究可追溯到本世纪30年代,但直到60年代中期,研究工作主要是减小表面粗糙度,隐含的假设是光滑表面的阻力最小.70年代阿拉伯石油禁运和由此引起的燃油价格上涨激起了持续至今的湍流减阻研究的高潮.NASA兰利研究中心的工作是这一时期的代表,他们发现顺流向的微小沟槽表面能有效地降低壁面摩阻,突破了表面越光滑阻力越小的传统思维方式.为了更有效地对物体表面进行湍流减阻设计,人们对沟槽面湍流边界层特性及其减阻机理进行着不懈的探索.

1　沟槽面阻力特性研究

1.1　沟槽平板

NASA兰利研究中心的Walsh及其合作者

最先开展了沟槽平板湍流减阻的研究[1~4],他们

研究了几种类型的沟槽表面,天平测力结果表明最佳的设计是一种对称的V型沟槽面,当其高度

h和间距s的无量纲尺寸h+

≤25和s+

≤30时具

有减阻特性,减阻效果最佳时沟槽的尺寸为h+=

=15,这时可减阻8%..

]

利

25%的净减阻.采用,Gallagher和Thomas[6]的研究结果表明只在沟槽板的后半部分阻力有所减小,但总的阻力几乎不变.Coustols[7]得到了10%~15%的减

阻,且当侧滑角Β≤20°

时仍有较好的减阻效果.

Park和Wallace[8]

用热线风速仪详细测量了沟槽内的流向速度场,通过对沟槽壁切应力的积分,得到了大约4%的减阻.Gaudet[9]在Ma=1.2的沟槽面湍流边界层的研究中得到了7%的减阻.Wang[10]

研究了沟槽面对边界层转捩的影响,LDV（激光测速仪测量结果表明,沟槽面不

仅使层流边界层区域增大,且使转捩为湍流的雷诺数约增大4倍,从而降低了平板边界层的阻力.1.2　旋成体

Neumann和Dinklacker[11]

对头部为椭圆旋成体的圆柱体的研究表明,可减阻9%,而在转捩区得到了13%的减阻.对于类似的模型,Cous2tols

[7]

在Ma=0.3~0.815的跨音速流动中得到了7%~8%的减阻.

1.3　翼型及压力梯度的影响Coustols[7]

对LC100D翼型在攻角Α=0°

~6°

的阻力特性进行了研究.实验中,仅上表面xc=0.2~0.95的区域为沟槽面,通过测量xc=1.

处的尾流得到Α≤3°

时可减阻2.7%.Sundaram等[12]对上下翼面xc=0.12~0.96区域为沟槽面的NACA0012翼型的研究表明,在攻角Α≤6°

的范围内有16%的减阻.

对于跨音速流动,McLean等[13]把3M公司的沟槽薄膜贴在T233机翼上表面的部分区域,实验马赫数为Ma=0.45~0.7,得到了6%的减阻.Coustols和Schmitt[14]对CAST7机翼在Ma=0.65~0.76的实验结果表明,摩擦阻力减小7%~8%.Viswanath和Mukund[15]将沟槽薄膜贴在ADA2S1超临界翼型上下翼面xc>

0.15的区域,实验攻角为Α=-0.5°

~1.0°

得到了6%~12%的减阻.

Debisschop和Nieuwstadt[16]研究了逆压梯度对沟槽平板的影响,结果表明逆压梯度增加了沟槽板的减阻效果,他们得到了13%的减阻,比相应的零压梯度情形多减阻7%.

1.4　应用研究

大量的研究工作表明了沟槽面减阻的可靠性和可应用性,国外的研究已进入工程实用阶段,空中客车公司将A320试验机表面积的70%

槽薄膜,达到了节油1%~2%

利中心对Learjet6%的量级.在国内,[17]112的运七模型,实验表明可减少飞机阻力5%~8%.

2　沟槽面湍流边界特性研究

2.1　猝发特性

已有研究成果表明,沟槽面湍流猝发强度低,但对沟槽面湍流猝发频率的影响如何,仍有不同的看法,详见表1.

表1　猝发频率检测结果

研　究　者检测方法与光滑面结果的比较

Gallagher和Thomas[6]VITA法-30%Walsh[2]VITA法基本不变Bacher和Smith[5]流动显示不变Choi[18]条件采样增加Schwarz2vanManen等[19]象限法-30%Savill[20]流动显示-30%

Pulles等[21]VITA法（u+20%（v-20%

Tang和Clark[22]条件采样+10%Tardu等[23]VITA法-10%~-20%Hefner等[1]不变　　注:

（u、（v表示根据u、v向脉动速度计算得到的结果.2.2　紊动特性

Schwarz2vanManen等[19]、Hooshmand等[24]、Pulles等[21]、Choi[25]和Hefner等[1]的研究表明,在近壁区（u′U0的减少与减阻表面联系在一起.Tang和Clark[22]、Tardu[23]等的研究表明,（u′U3max分别降低7%和5%~8%.Choi[25]指出,在y+<

70内,3个方向的湍流强度均减小10%,而雷诺应力减小20%.Tardu等[23]还得到在y+<

15内平坦系数和偏斜系数增大,Taylor和Liepman尺度不受沟槽的影响,但在粘性底层内沟槽使大尺度涡旋的能量减弱.

为了深入了解沟槽内的流动特性,Vukoslavcevic等[26]、Park和Wallace（8]、Suzuki和Kasagi[27]等在实验中选用了较大尺度沟槽和较低来流速度进行研究,以满足表面减阻设计要求.Vukoslavcevic等[26]得到,在沟谷（u′U3max减少约17%,而在沟槽尖顶处,（u′U3max约减少5%,y∆=6.5%和2%,,但在y∆.Park和Wallace[8]

而在沟谷垂线上则减小,但这些影响只限于y+<

40的区域.Suzuki和Kasagi[27]采用三维粒子示踪测速技术对沟槽面湍流的研究表明,3个方向的湍流强度和雷诺应力都减小,沟槽的影响限于yh<

2内.

Choi[28]、Debisschop和Nieuwstadt[16]等研究了压力梯度的影响.Choi[28]得到（u′U0max最大降低5%~13%,且顺压梯度比逆压梯度的作用要明显;

对于零压梯度,（u′U0max减少8%.平坦系数和偏斜系数在逆压梯度时的数值比零压和顺压梯度时的值要大,但沟槽仅影响y+<

16的区域.Debisschop和Nieuwstadt[16]在逆压梯度情形下得到近壁区u′的减小和摩阻速度U3的减小为同一量级.对于NACA0012翼型,实验攻角为Α=0°

Sundaram等[12]得到y+<

40内,u′U3比光滑面降低10%~15%.

由此可见,沟槽面仅影响近壁区的流动.对于减阻表面,在近壁区流向湍流强度总是降低的,而偏斜系数和平坦系数则总是增加的.

2.3　带条结构

对于光滑壁面,在近壁区存在低速带条结构,其无量纲间距遵循对数正态分布,在粘性底层内,其平均值约为100.而对于沟槽面,不同学者得到的结果如表2.

23北京航空航天大学学报1998

年　

表2　带条结构观测结果

研　究　者

观测方法与光滑面结果的比较Gallagher和Thomas[6]

展向相关分析+15%~+30%

Hooshmand等[24]流动显示不变

Bacher和Smith[5]流动显示

+40%

Tang和Clark[22]

增加

Pulles等

[21]

减少[27]