弹性管湍流输水减阻的效果评价和应用前景分析

为开发弹性管减阻技术,通过双重管结构,在对弹性管外壁充入几乎与管内压力相平衡的压力空气的条件下,实验考察了弹性管湍流输水的减阻效果。研究结果表明:基于双重管的弹性管减阻特性的评价是可行的;弹性管的壁厚越小,减阻率越大,雷诺数越高,减阻效果越好。使用激光位移传感器对弹性管外壁的脉动振动特性测试表明,弹性管外壁的脉动振动幅度与弹性管减阻率之间存在正相关关系。认为弹性管湍流输水减阻在国内的应用潜力巨大。     

添加网格对增强表面活性剂减阻流体传热性能的试验研究

本文应用热电偶测温系统和PIV（Particle Image Velocimetry），激光测量系统对二维流道内添加网格后CTAC（Cetyltrimethyl Ammonium Chloride）表面活性剂减阻流体的传热性能和流动结构进行试验研究。研究表明：在完全减阻区内，减阻流体的传热性能大幅度降低；当雷诺数超过临界雷诺数后，传热性能呈指数级快速增长；网格的添加破坏了表面活性剂的胶束网状结构，在一定程度上恢复了流场的湍流强度，从而使传热效果显著增强。     

沟槽面管道湍流减阻的数值模拟研究

采用标准κ-ε模型，通过数值计算考察了两种沟槽面管道湍流减阻性能，包括不同的沟槽深度、沟槽间距以及零压梯度和逆压梯度的阻力性能，获得最大11％的减阻效果，并对其进行了实验验证；探讨了沟槽面的减阻机理，分析结果与沟槽面平板湍流减阻的结果较一致。     

高聚物在明渠水流中减阻的实验研究

本文探讨了高聚物用于明渠流减阻的基本规律.研究说明,国产高聚物聚丙烯酰胺(PAM)具有显著的减阻效果,减阻百分比E随溶液浓度、渠道底坡及水力半径的增大而增大. 明渠水流减阻,可以增大泄量,从而达到减小排水构筑物尺寸,削减工程投资的目的.应用减阻技术,除了可用于增大水库泄放,城市泄洪以及污水排放的作用外,还可作为超设计标准特殊防护的一种措施.因此,本研究对发展高聚物减阻理论和推动该技术在工程技术中的应用是有积极意义的.     

条纹薄膜减小湍流阻力的试验研究

本文从湍流边界层的相关结构出发，探讨了条纹薄膜减少湍流边界层阻力的机理，通过平板模型的水洞试验，研究了条纹薄膜的减阻作用。试验结果表明，条纹薄膜具有明显的减阻效果，最大降阻量大约为１０％。     

展向周期振动的平板近壁湍流结构研究

通过直接数值模拟(DNS)对壁面作展向周期运动的槽道湍流进行研究,建立了槽道湍流数据库.通过改变振幅大小和振动周期,可以使壁面阻力明显减少.根据计算结果分析了减阻率和振动参数的关系.利用减阻后近壁湍流拟序结构的变化,研究了壁面展向周期振动减阻的内在机理,揭示了三种减阻过程中涡结构对近壁流体的上抛、下扫运动以及条带结构的影响规律.     

表面活性剂减阻流体热边界层温度脉动及传热特性实验研究

该文针对在水中添加阳离子表面活性剂产生的减阻作用同时降低传热性能的现象,应用相位多普勒激光测量系统和热电偶温度测量系统对二维流道内表面活性剂减阻流体热边界层内的湍流温度脉动以及传热特性进行了实验研究.研究表明,表面活性剂减阻流体平均温度梯度在流动缓冲层很大,热扩散率较低,而水的热阻主要发生在近壁区域的高扩散层.表面活性剂减阻流体温度脉动强度与速度脉动强度有相似的分布趋势,其峰值都向外层移动.在近壁处的高扩散层温度脉动频率很小,而在平均温度梯度很大的低扩散层,减阻流体的温度脉动频率有所增强.而水的温度脉动频率比表面活性剂溶液高且在整个断面上几乎没有变化.对于表面活性剂热流体,湍流温度脉动对轴向热流量的贡献更大,使得轴向热流量的最大值出现在靠近温度脉动强度最大值所在的位置.表面活性剂减阻流体法向湍流热流量分布与雷诺应力分布有相似的趋势.     

重力场下平板边界层内气液两相流动数值分析

通气减阻技术因具有降低能耗和环境污染小等效果,在工程领域内得到广泛关注。为研究重力场中气相在平板湍流边界层内流动演化过程及由此产生的减阻效应,该文耦合连续表面张力(CSF)的VOF多相流模型和标准k-?湍流模型,求解非定常RANS方程,对边界层内气液两相流动进行数值模拟。通过计算结果与实验结果的对比,验证了数值方法的有效性;进而对不同通气流量和来流雷诺数下,气泡当量直径、近壁区空隙率及流动减阻率进行定量分析。结果表明:减阻效应与近壁区空隙率密切相关;来流雷诺数和通气量的提高,均能增强减阻效应。     

基于平板的气体润滑减阻数值计算研究

船舶行业的节能技术研究,是当今的一个热点,气体润滑减阻技术就是其中的一个分支。该文以平板模型为研究对象,以在空泡水筒完成的气体润滑减阻原理性验证试验为基础,展开数值计算中VOF模型和Mixture模型在此类问题中的适用性研究,分析喷气量对减阻率和气穴内空隙率分布的影响,建立了一种适用于气体润滑减阻问题的数值计算方法。     

V型沟槽尖峰形状对减阻效果及流场特性影响的数值分析

采用雷诺平均N-S方程和RNG k-ε湍流模型计算V型沟槽面的湍流边界层流动和黏性阻力,研究了V型沟槽尖峰形状对减阻效果、湍流边界层内的速度分布以及沟槽壁面切应力的影响.计算结果表明,沟槽尖峰处的圆角半径越小其减阻效果越好,最大减阻率可达6.6%;沟槽斜面中下部的壁面应力随着圆角半径的减小而降低,但尖峰处的局部壁面应力会随之而增大.沟槽尖峰处生成的二次涡是产生并影响减阻效果的根本原因.     

仿生非光滑沟槽形状对减阻效果的影响

利用有限体积法对三角形、扇贝形和刀刃形三种仿生非光滑沟槽表面流场进行了数值计算.近壁面区采用B-L两层模型,远离壁面区采用雷诺应力模型.分析了三种沟槽非光滑表面的流场特性,对计算域中心 Z＝3mm平面的速度场和湍流统计量进行了研究,分析了不同沟槽形状对减阻效果的影响,为最佳减阻沟槽设计提供了理论依据.三种沟槽具有相同的特征尺寸,顶点间距 s＝0.1mm,沟槽尖顶到谷底高度 h=0.05mm,与光滑表面相比减阻效果分别为 3.2%、9.1%、9.7%,数值计算结果和风洞与油槽实验结果有较好的吻合.     

AN INVESTIGATION OF FLOW CHARACTERISTIC OF AERATED DRAG REDUCTION IN TUBE

Under the aerated conditions of wall and top intube, the turbulent flow in the tube was measured by usingLDA. The turbulent structure of the flow field and the mech-anism of aerating drag reduction in the tube were discussed. It is shown that the energy dissipations of turbulence flow andmean flow will reduce and the flow velocity (or flow rate) willincrease by injecting mini-bubbles to the wall or top of tube,namely the effect of aerating drag reduction is attained.     

弹性管的紊流减阻效果与流激振动特性的实验研究

在实验确认弹性管确有紊流减阻效果的基础上,对其流激振动特性及紊流减阻效果进行了实验研究。结果表明:管的壁厚越小,管外壁的流激振动的脉动位移有效值越大,紊流减阻效果越好;在雷诺数Re约为2×104时,壁厚为2mm、3mm及4mm弹性管的流激振动减阻率依次约为12%、10%、8%。     

INFLUENCE OF YOUNG'S MODULUS ON DRAG-REDUCTION IN TURBULENT FLOW USING FLEXIBLE TUBES

In order to develop technologies of friction drag reduction with a flexible tube to be used for water transport, experimental studies were carried out on the influence of Young's modulus on the turbulent drag reduction. The friction coefficients of flexible tubes with different Young's modulus were examined by using a sleeve-tube structure. The fluctuating vibration of the outer wall and the fluctuating pressure on the inner wall of the tubes were measured with a laser displacement sensor and a pressure sensor. The results are as follows. The smaller the Young's modulus of a flexible tube and the larger the Reynolds number, the larger the turbulent drag reduction rates become. The transition from laminar flow to turbulent flow can be delayed with an appropriate Young's modulus. Non-dimensional amplitude of fluctuating vibration on the outer wall is smaller than that of a viscous sub-layer thickness, and is positively correlated with the friction drag reduction.     

DRAG REDUCTION EFFECT OF COUPLING FLEXIBLE TUBES WITH TURBULENT FLOW

To analyze the mechanism of drag reducing effect by coupling flexible tubes with turbulent flow, based on experimental examination of more obvious turbulent drag reduction effect in flexible tubes than in rigid tubes, experimental investigation was performed on the effect of turbulent drag reduction, fluctuating vibration characteristics of flexible tube and the correlations by using a double-tube system and laser displacement sensor. The results are as follows： with the decrease of the thickness of the flexible tubes, the root mean square of fluctuating amplitude of the outer wall of the tubes increases, and the non-dimensional burst period increases, resulting in the increase of the reduction rate of drag coefficient by coupling flexible tubes with turbulent flow. At applied pressure-balanced air on the outer wall and the Reynolds number of about 1.75×10^4, the non-dimensional burst periods of the flexible tubes with the thickness of 2 mm, 3 mm, 4 mm are 141, 126, 105, respectively.     

柔管与紊流耦合减阻效果的初步研究

为探讨柔管与紊流耦合减阻的初步机理,采用双重管结构及激光传感测位仪,在通过实验确认柔性管与刚体管相比确有紊流减阻效果的基础上,对柔管的紊动振动特性及相应的紊流减阻效果以及二者的相关性进行了实验研究。结果表明：柔管的壁厚越小,管外壁振动的脉动位移越大,无量纲的猝发周期也越大,紊流减阻效果越好;柔管壁外为压力平衡空气且雷诺数约为17 500时,壁厚分别为2,3,4 mm柔管的无量纲猝发周期依次为141,126,105,这将为设计高效的流体输送技术提供了一种实验技术上的选择。     

淤泥质床面上减阻流动的紊动特征

本文对不同密度的淤泥质床面上水流运动的流速分布、减阻特征、紊流度、紊动猝发周期和能谱结构进行了系统的实验研究，并与刚性床面的结果进行了比较分析，结果表明：淤泥质床面具有减阻、增速、抑制紊流猝发产生和减小紊动耗散率的作用。     

明渠流掺气增流减阻规律的理论研究

本文研究了明渠中气液分层层流、分层紊流情况下的水流量增加或阻力减小规律。研究表明,明渠中的气液分层层流、分层紊流,即在近壁层内充以空气,可以在相同条件下明显地增大明渠的水流量,实现有效的减阻。     

DRAG REDUCTION OF A CATIONIC SURFACTANT SOLUTION AND ITS SHEAR STRESS RELAXATION

In order to study the mechanisms of the turbulent frictional drag reduction by surfactant additives,the drag reduction,the shear viscosity and the shear stress relaxation were measured for solutions of a cationic surfactant cetyltrimethyl ammonium bromide (CTAB) with the same molar sodium salicylate as a counter-ion.It is found that the first step relaxation time decreases with increasing concentration and,thus,with the maximum drag-reducing rates,which indicates that the stiffness of the micellar structures with the first relaxation time,increases with the increase of the concentration of CTAB.Furthermore,for this surfactant,a viscoelastic property is necessary for reducing drag,while a stronger viscoelasticity characterized by a tail relaxation time does not necessarily mean a higher drag-reducing rate.