减阻水溶液槽道湍流特性POD分析

为进一步分析减阻水溶液湍流减阻机理,对质量分数为30×10-6十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)水溶液槽道湍流减阻流动进行了实验研究,并基于本征正交分解方法研究减阻水溶液流动中减阻剂对流动结构的影响．结果表明:CTAC水溶液流动在不同雷诺数(15×10⁴、25×10⁴和35×10⁴)下分别具有651％、700％和330％减阻效果;基于本征正交分解方法分析湍流脉动速度场,发现CTAC添加剂能够抑制湍流猝发过程中的低速流体的上喷及高速流体的下扫,即在一定程度上抑制了相干结构的发生及其发展过程,最终导致湍流减阻．     

活性剂对水下航行体减阻特性的影响

为减小水下航行体的阻力,研究通活性剂溶液的水下航行体湍流减阻的流动特性.通过从航行体头部向航行体边界通活性剂溶液的方法,分别对不同质量浓度和不同速度情况进行减阻实验研究,并分析了不同攻角下活性剂溶液对阻力和升力的影响.实验中活性剂溶液质量浓度分别为200、400、600、800和1 000 mg/L,流速为4~10 m/s,对比分析了阻力系数.实验结果表明:在活性剂溶液质量浓度为200 mg/L时航行体减阻效果较弱,当活性剂溶液质量浓度增加到1 000 mg/L时,减阻百分比高达40.8%;在活性剂质量浓度为1 000 mg/L时,当水流速度从4 m/s逐渐增大到10 m/s,减阻百分比在12.5%和40.8%之间变化;活性剂对有攻角的航行体仍然有减阻效果并且对升力产生较小影响.     

圆管中聚合物减阻剂的减阻机理研究与评价

滑溜水减阻性能是影响压裂成功的关键因素之一,但其减阻机理尚未明确。通过数值模拟并结合实验研究圆管中聚合物减阻剂减阻机理,以Giesekus本构方程为基础,建立简化的计算流体模型计算湍流管道中聚丙烯酰胺四元共聚物添加剂（DR800）的减阻率。通过室内环路实验对此模型进行参数确认和验证。此模型可用来解释黏性剪切应力、雷诺剪切应力和黏弹性剪切应力等不同组分对摩阻的贡献。结果表明,随着雷诺数增加,黏弹性贡献和黏性贡献降低,而湍流贡献增加;低雷诺数下,黏性剪切应力和黏弹性剪切应力对摩阻贡献最大,而黏弹性贡献可以忽略;高雷诺数下,湍流贡献最大而黏性贡献最少。通过对比模型结果和室内实验结果以及应用现场情况可知,此模型在一定范围内可预测DR800的减阻率,并用于现场生产与指导。     

Agitator tank device and drag reduction agent evaluation

The device that consists of tank and disk agitator for evaluation drag reduction agents(DRA) was established.The effect of DRA was defined by testing the changes of agitator torque that drives the disk rotation.The HG-DRA for oil pipeline from Linyi to Puyang was studied by agitator tank device.The relationships between the drag reduction rate and Reynolds number,concentration,balance time were studied.The best concentration and the highest Renords number for the best drag reduction rate were confirmed.The results show that the drag reduction rate tested in agitator tank is close to that in pipeline.The maximum error of drag reduction rate between pipeline and agitator tank is 18.3%,which indicates that the agitator tank device is available to evaluate the effect of DRA for pipeline and it also has the advantages of simple,easy to be operated and using small volume of oil.Those are very helpful for operaters to know the properties of DRA and operate pipeline well.     

洞塞对表面活性剂减阻管流阻力特性的影响

为探究单洞塞对表面活性剂减阻水溶液管流阻力特性的影响,采用不同孔径比和长径比的洞塞 以及不同浓度减阻剂水溶液,实验测试了不同工况下的局部阻力损失和沿程阻力损失并与纯水的相应结果进 行比对。研究结果表明：随着减阻水溶液浓度的增大,洞塞的局部阻力系数的拐点向后平移,减阻雷诺数范 围越大,局部阻力减阻持续的雷诺数范围越宽。在洞塞直径对管直径比一定的条件下,洞塞长度对管直径比 较小时,局部阻力较大;而洞塞长度对管直径比较大时,局部阻力较小。在长径比一定的条件下,局部阻力 随洞塞孔径比的增大而减小,且在洞塞下游,减阻水溶液再次形成具有稳定减阻效果的流动所需要的再发展 距离随着洞塞孔径比而减小。     

辽河稠油减阻实验研究

通过对江河稠油减阻实验研究结果进行全面的分析，探讨了减阻技术应用于辽河稠油管道输送的可行性．实验结果表明，对江河稠油加入30～60μg／g的EP减阻剂，其减阻率其减阻率可达到7．5％左右，增输率在4.4％左右；减阻率随减阻剂添加量的增加而增加，但减阻剂浓度达到一定后，减阻率提高缓慢；在管径相同的条件下，减阻效果随着雷诺数的提高而增加；在相同的加药量和雷诺数的条件下，随着管径减小，减阻效果有所增加．     

壁面沟槽减阻数值模拟研究

针对壁面流动问题,在PHOENICS 3.6软件平台上,采用RNGk-ε湍流模型计算V型沟槽面的湍流边界层速度分布和粘性阻力,研究了不同雷诺数对V型沟槽减阻效果、湍流边界层内的速度分布以及沟槽壁面切应力的影响,结果表明,对于一种尺寸的V型沟槽,存在着一个具有较好减阻效果的来流速度范围,证明了沟槽具有削弱湍流湍动的功能。     

凹槽内剪切流动特性对滑动减阻的影响

为了揭示凹槽内部剪切流动特性对滑动减阻效果的影响,利用静、动滑动摩擦因数测试系统和计算流体力学方法,理论、实验和数值模拟研究了凹槽高宽比(e=0.5、1.0、2.0、3.0)、凹槽几何尺寸、壁面运动速度等因素,对凹槽内的剪切流动特性及壁面滑动减阻效果的影响.研究发现,凹槽结构增加了润滑油滑动减阻效果,凹槽几何结构对减阻效果有明显影响,当凹槽宽度L、深度H均为2 mm时,凹槽的减阻效果相对较好,且壁面运动速度对其剪切力减小率fτ的影响较小.此外,凹槽尺寸、壁面滑动速度对凹槽内流场特性有重要影响,不同工况下凹槽内部存在上下2个涡或者1个大涡和2个边角涡.结果表明:凹槽内的剪切流动特性对滑动减阻效果有重要影响,并可为滑块表面凹槽结构设计提供重要的指导.     

提输卤管道用减阻剂的合成、表征及其性能

为了降低深层卤水提输过程的能耗,开展耐温耐盐的提输卤管道用减阻剂研究具有重要的现实意义。以丙烯酰胺(AM),2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)和丙烯酸(AA)为单体, 采用氧化还原引发剂体系水溶液聚合法合成耐温耐盐的提输卤管道用减阻聚合物P(AM/AMPS/AA)。以聚合物在常温卤水管道中的减阻率为考核指标,设计四因素三水平正交试验,确定最佳合成条件为:反应系统pH为1,反应温度为30 ℃,单体质量配比为m(AM)∶m(AMPS)∶m(AA)=15∶3∶2,引发剂加入质量为单体总质量的0.04%。根据在线红外分析结果确定最佳反应时间为3 h。利用FTIR和¹H NMR等手段对P(AM/AMPS/AA)的结构进行表征并用多角激光光散射仪测定其分子量。在自制的减阻率测试环道上对合成聚合物的减阻性能进行测试,合成聚合物表现出较好的耐温耐盐性能,减阻效果明显。如在模拟卤水质量浓度150 g/L、水温15 ℃、流量950 L/h、减阻剂用量为20 mg时,合成减阻聚合物的减阻率可以达到41.2%。与现有减阻剂相比,合成的P(AM/AMPS/AA)减阻聚合物减阻性能大幅度提高,具有较好的开发应用前景。     

仿生非光滑用于旋成体减阻的试验研究

基于仿生非光滑表面具有减粘降阻特性的基本思想,通过仿生非光滑表面控制旋成体附壁区的边界层结构来减小旋成体的阻力。利用6因素3水平的正交试验,考察了对旋成体阻力影响较大的6个因素。对具有不同尺寸的凸包、凹坑以及棱纹等形态的非光滑旋成体及光滑旋成体进行了低、亚、超音速风洞试验,并将减阻率作为试验指标。对减阻率的分析表明,三种非光滑表面均能起到减小旋成体阻力的作用,总阻力最大减阻效果为5%左右。用极差法进行正交试验设计分析,得到了影响旋成体阻力因素的主次顺序及最优水平,并探讨了不同仿生表面对旋成体粘性前部阻力(包括表面摩擦阻力及激波阻力等)及底部阻力的不同影响。     

层流附面层粘性减阻作用分析

以层流附面层的概念，讨论了以聚丙烯酰胺和聚乙二醇为减阻剂的水相管流减阻实验结果，进行了粘性减阻作用分析的初探，给出了描述减阻作用时阻力系数和雷诺数之间关系的数学模型．     

A prediction of drag reduction by entrapped gases in hydrophobic transverse grooves

The drag reduction effect of super-hydrophobic surface induced by the entrapped gas is unstable due to the gradual disappearance of the trapped gas. In this paper, a hydrophobic transverse grooved surface was designed to sustain gas in valleys. A detail numerical simulation was presented to investigate the flow field near the proposed surface. When water flowed over this surface, the entrapped gas was blocked by the ridges and the solid-liquid interface was replaced by the liquid-gas interface due to the entrapped gas, furthermore the micro-vortex formed in the groove. Because there was an effective slippage between water and solid induced by the entrapped gas, the velocity gradient of boundary layer decreased, which contributed to a remarkable drag reduction effect. Additionally, considering the extra undesired pressure drag reduction which negatively impacted the drag reduction effect of this method, the total drag coefficient including the viscous drag coefficient and the pressure coefficient was analyzed. An effective drag reduction rate of about 15% was achieved and the effect of this method was confirmed by experiments conducted in a high-speed water tunnel when grooves were optimized.     

矩形管道内高分子减阻液的减阻特性

在设计较高稳定度矩形管道流动系统和可控人工扰动设备基础上,通过有效地率定管道断面尺寸,对高聚物(PAM)减阻液的减阻特性,特别是反应点和极限减阻线进行实验研究,为以“聚合物层流”存在为基础的减阻机理假说,提供矩形管道内的实验证据及实验基础.     

Aerodynamic drag reduction of heavy vehicles using append devices by CFD analysis

Improving vehicle fuel consumption,performance and aerodynamic efficiency by drag reduction especially in heavy vehicles is one of the indispensable issues of automotive industry.In this work,the effects of adding append devices like deflector and cab vane corner on heavy commercial vehicle drag reduction were investigated.For this purpose,the vehicle body structure was modeled with various supplementary parts at the first stage.Then,computational fluid dynamic(CFD) analysis was utilized for each case to enhance the optimal aerodynamic structure at different longitudinal speeds for heavy commercial vehicles.The results show that the most effective supplementary part is deflector,and by adding this part,the drag coefficient is decreased considerably at an optimum angle.By adding two cab vane corners at both frontal edges of cab,a significant drag reduction is noticed.Back vanes and base flaps are simple plates which can be added at the top and side end of container and at the bottom with specific angle respectively to direct the flow and prevent the turbulence.Through the analysis of airflow and pressure distribution,the results reveal that the cab vane reduces fuel consumption and drag coefficient by up to 20 % receptively using proper deflector angle.Finally,by adding all supplementary parts at their optimized positions,41% drag reduction is obtained compared to the simple model.     

回转体喷气减阻实验研究

采用避面喷气法在一回转体模型上进行了减阻实验，结果表明，使用喷气法降低水下物体阻力是可行的，并在一定条件下得到了8%的总阻力降，在对影响减阻的因素进行分析后，指出获得更大减阻效果是可能的。     

有限长波浪形圆柱绕流数值模拟

为研究一端固定在壁面上,另一端为自由端的有限长波浪形圆柱的减阻抑振效果,对有限长波浪形圆柱进行了计算.首先,采用大涡模拟数值模型的方法,对雷诺数为3 900时的有限长直圆柱和不同波长、波幅组合后的12种有限长波浪形圆柱进行了计算;其次,针对计算结果进行后处理,得到并比较了不同组合形式下的有限长波浪形圆柱的升、阻力系数大小,结合升、阻力大小分析其减阻抑振效果;最后,对减阻抑振效果较好的组合形式进行流场分析并研究了有限长波浪形圆柱的减阻抑振机理.研究表明:在12种波浪形圆柱组合形式中,大多数组合形式都能减小圆柱受到的升力系数均方根值,起到抑振作用,减阻效果最好的组合形式阻力系数均值减小可达5.36%;有限长直圆柱与有限长波浪形圆柱周围有相似的流动特征,但波浪形圆柱由于马鞍面和节点面的存在,使流体在圆柱展向产生交互,削弱了圆柱后方尾涡的发展,从而起到减阻抑振的作用.所得结果可对有限长波浪形圆柱的减阻抑振效果进行比较全面的总结,对研究有限长波浪形圆柱的减阻抑振机理有一定的帮助.     

基于面积律概念的超音速减阻设计方法

在分析基于线性理论的跨、超音速面积律设计方法的优点与不足的基础上,依据CFD方法在流场分析和气动力计算方面的优势,提出了面积律概念指导下的CFD技术减阻设计方法。与传统的超音速面积律方法比较,该方法给出了面积律作用的物理原因,直接建立了横截面积分布与流场品质之间联系,修形设计目标直观明确、减阻效果明显,且设计工作量小,具有进行复杂外形超音速减阻设计的能力。算例表明,该方法对复杂外形的强约束减阻设计具有很好的适应性,对现役飞机改型是一种工程上简单、易行、外形改动小、结果可靠的修形设计方法;对新型飞机设计具有方案颠覆性小、周期短的优点。具有良好的工程实用性和可操作性。     

Drag reduction via turbulent boundary layer flow control

Turbulent boundary layer control(TBLC) for skin-friction drag reduction is a relatively new technology made possible through the advances in computational-simulation capabilities,which have improved the understanding of the flow structures of turbulence.Advances in micro-electronic technology have enabled the fabrication of active device systems able to manipulating these structures.The combination of simulation,understanding and micro-actuation technologies offers new opportunities to significantly decrease drag,and by doing so,to increase fuel efficiency of future aircraft.The literature review that follows shows that the application of active control turbulent skin-friction drag reduction is considered of prime importance by industry,even though it is still at a low technology readiness level(TRL).This review presents the state of the art of different technologies oriented to the active and passive control for turbulent skin-friction drag reduction and contributes to the improvement of these technologies.     

仿生射流表面孔径与射流速度耦合减阻特性数值模拟

针对仿生射流表面流场问题,基于非光滑表面减阻的仿生学理论,对鲨鱼鳃裂部位射流特征进行分析研究,建立具有类似于鲨鱼腮裂部位射流特征的仿生射流表面模型及可拓模型.利用SST k-ω湍流模型对仿生射流表面模型进行数值模拟,在主流场速度为20 m/s时,分析了不同射流孔径与不同射流速度耦合情况对壁面摩擦阻力、压差阻力及减阻率的影响,并对仿生射流表面减阻机理进行分析.研究表明在射流孔为5 mm时与射流速度耦合情况下的平均减阻率最大,为11.566%,同时为仿生射流表面多因素耦合情况下的减阻特性研究奠定基础.     

气动灭火炮弹体橡胶圈仿生凹坑表面减阻特性

针对气动灭火炮炮弹发射过程中弹体橡胶密封圈与炮管之间摩擦阻力大的问题,将仿生凹坑表面减阻技术应用于弹体橡胶密封圈上。建立气动灭火炮橡胶密封圈仿生凹坑减阻运动模型,采用数值模拟方法,研究弹体橡胶密封圈仿生凹坑特征直径及弹体速度对橡胶密封圈与炮管之间摩擦阻力的影响。结果表明:在相同的弹体速度下,当灭火炮弹体橡胶密封圈仿生凹坑特征直径为2mm时,减阻效果最佳,凹坑特征直径为4mm时,减阻效果最差;最大减阻率为17.191%,最小减阻率为3.158%。仿生凹坑中存储的润滑油在弹体运动时,润滑油产生拖拽泼洒而溢流到炮管内壁,对炮管内壁和橡胶密封圈起到润滑作用,达到减小摩擦阻力以及提高炮弹发射速度的目的。