减阻用表面活性剂溶液分子动力学模拟研究进展

减阻用表面活性剂在能源动力及化工领域有着广泛应用,在管道流体中加入少量表面活性剂可以使流动阻力大大降低从而节约能源,对于表面活性剂减阻机理的讨论也是近些年学者关注的热点之一.本文不仅对课题组前些年在表面活性剂溶液流变性、湍流减阻、减阻与传热的相关性、布朗动力学模拟方面的工作进行了概述,而且详细介绍了近三年来在表面活性剂粗粒化分子动力学模拟方面的研究成果.粗粒化模拟是近年来发展起来的方法,目前已广泛应用于化学、生物等诸多领域.在粗粒化分子动力学模拟方面的工作包括:表面活性剂溶液的流变性能与微观结构、表面活性剂溶液湍流减阻机理研究、湍流减阻失效分析三个部分.通过对表面活性剂溶液分子动力学模拟研究进展的回顾,作者认为,利用粗粒化分子动力学模拟方法可以合理揭示表面活性剂胶束的结构与流变性的对应关系,对胶束的断裂与再连接能力进行多维度的评价,如胶束的拉伸能、断裂能、最大拉伸长度、结合能、$\zeta$电势、疏水基驱动作用等方面.并对"黏弹说"减阻机理进行分子模拟层面的验证,对实际应用中的湍流减阻失效原理进行初步分析.最后,根据对近几年分子动力学模拟工作的总结,展望了未来粗粒化分子动力学模拟在表面活性剂方面的研究方向.      

湍流流动中鲨鱼皮表面流体减阻研究进展

快速游动的鲨鱼, 其皮肤表面沿流动方向有序地排列着沟槽状结构, 人们认为这种结构能在湍流流动 中减小表面摩擦阻力. 人们仿真这种生物结构来进行实验研究和应用, 通过复制和改善鲨鱼皮肤表面沟槽状 结构, 使得摩擦阻力最大减小了近10%. 在实验和模拟仿真中, 人们不断讨论和研究湍流流动阻力的形成机制 和沟槽减阻的理论特性. 本文综述了沟槽减阻理论特性的一些研究方法, 并且归纳定义了沟槽减阻最优几何 形状及其尺寸; 详细考虑流体流动的特点, 给出了一种用来选择最优沟槽形状及其尺寸的方法; 综述了目前的 沟槽加工制造技术. 由于鲨鱼皮肤表面存在少量黏液, 从仿生学的角度, 文章最后综述并展望了通过局部应用 疏水性材料来改变沟槽附近流场属性, 从而达到更大程度上减小阻力的目标.      

添加剂湍流减阻流动与换热研究综述

添加剂湍流减阻是指在液体的管道湍流中添加少量的高分子聚合物或某种表面活性剂从而使湍流阻力大大降低的现象.从其被发现至今,经过近半个世纪的研究(实验研究、理论分析、数值模拟和实际系统的应用研究),尽管对这一现象及其实际应用价值已有了较为深入的认识,但仍有许多方面尚有欠缺,例如对湍流减阻的机理仍然在探索中.本文归纳评述了高分子聚合物或表面活性剂添加剂湍流减阻流动与换热现象的研究现状,从湍流减阻剂的特性、减阻剂的湍流减阻机理、湍流减阻发生时的换热机理、减阻流动速度场分布和换热控制等几个方面综述了添加剂湍流减阻流动与换热特性,并综述了湍流减阻剂在实际工业系统中的应用情况,在对添加剂湍流减阻机理、有湍流减阻发生时的对流换热机理等的理解方面进行了新的总结.      

矩形槽道内表面活性剂减阻流体流场特性

采用粒子图像测速仪对矩形槽道内表面活性减阻流体在流动方向(x方向)与壁面垂直方向(y方向)所在平面的流场进行了测量,分析了速度、涡量、速度脉动相关量在流场内的瞬态分布,以及对500幅相同工况的流场进行了统计平均. 结果显示: 与牛顿流体相比, 表面活性剂减阻流体接近于层流流动,横向速度脉动被大幅减弱,导致湍流输运减弱,雷诺应力远远小于水. 减阻流体流向速度脉动呈条带特征,沿流动方向发展,反映了减阻流体不同于水的湍流输运特征.      

微纳结构超疏水表面的湍流减阻机理研究

超疏水表面的优异性质使其在现代生活和工业生产中具有十分广泛的潜在应用价值. 本文采用了碳纳米管缠绕技术和聚氟硅氧烷疏水化处理方法制备了具有二级微纳米结构的超疏水表面. 测量了由该超疏水表面构建的槽道中的流动压降,将其与普通表面构建的槽道内的流动压降进行比较,发现在层流情况下,流动阻力减小最多达到了22.8%. 在湍流的情况下,超疏水表面的减阻比例约为53.3%,减阻效果比层流更加明显.利用PIV (particle image velocimetry) 技术测量了具有超疏水表面的槽道内的速度场,通过超疏水表面速度滑移和湍动脉动场信息,分析了湍流减阻效果比层流更加明显的物理机制.     

矩形槽道内表面活性剂减阻流体场特性

采用粒子图像测速仪对矩形槽道内表面活性减阻流体在流动方向(x方向)与壁 面垂直方向(y方向)所在平面的流场进行了测量,分析了速度、涡量、速度脉 动相关量在流场内的瞬态分布,以及对500幅相同工况的流场进行了统计平均. 结 果显示: 与牛顿流体相比, 表面活性剂减阻流体接近于层流流动,横向速度脉动被大幅 减弱,导致湍流输运减弱,雷诺应力远远小于水. 减阻流体流向速度脉动呈条带 特征,沿流动方向发展,反映了减阻流体不同于水的湍流输运特征.     

壁湍流相干结构和减阻控制机理

剪切湍流中相干结构的发现是上世纪湍流研究的重大进展之一,这些大尺度的相干运动在湍流的动力学过程中起重要作用,也为湍流的控制指出了新的方向.壁湍流高摩擦阻力的产生与近壁区流动结构密切相关,基于近壁区湍流动力学过程的减阻控制方案可以有效降低湍流的摩擦阻力,但是随着雷诺数的升高, 这些控制方案的有效性逐渐降低.近年来研究发现, 在高雷诺数情况下外区存在大尺度的相干运动,这种大尺度运动对近壁区湍流和壁面摩擦阻力的产生有重要影响,为高雷诺数湍流减阻控制策略的设计提出了新的挑战.该文将对壁湍流相干结构的研究历史加以简单的回顾,重点介绍近壁区相干结构及其控制机理、近年来高雷诺数外区大尺度运动的研究进展,在此基础上提出高雷诺数减阻控制研究的关键科学问题.      

水下湍流减阻途径分析

综述了壁湍流边界层分层结构及近壁区湍流猝发过程,对现有典型水下湍流减阻技术进行了较深入地总结.根据各类减阻方法的特点对水下湍流减阻方法进行了分类,并分析了各类减阻方法对壁湍流流场的影响特征,总结了维持或延长层流、干扰湍流"猝发"、壁面隔离、增大湍流阻尼和改变壁面物性等5种水下湍流减阻可行途径,为开展水下湍流减阻研究及发现新的减阻方法提供参考.     

边界层对壁面湍流流动高分子减阻的影响

以“粘性”机制为理论基础,近年来在壁面湍流高分子减阻研究中提出了一种拉伸的高分子会产生自洽的等效粘度模型,这种等效粘度随离开壁面的距离而改变.通过等效粘度模型与Navier-Stokes方程的结合,运用雷诺应力模型计算壁面湍流减阻,并与基于高分子有限拉伸的非线性弹性哑铃模型的直接数值模拟结果进行比较,进一步校验了此等效粘度理论.通过肋条破坏槽道流中的边界层,显示了边界层对高分子减阻的影响,结果表明只有形成稳定的边界层,高分子才能有减阻作用.边界层是高分子减阻的首要条件,边界层中的粘性底层和对数率分布区之间的缓冲层可能是减阻的主要影响区域.     

暖季强降雨对多年冻土南界斜坡路基稳定性影响分析

为阐明表面活性剂水溶液的减阻作用,使用LDV对零压梯度的二维湍流平板边界层中的CTAB 表面活性剂水溶液的湍流特性进行了实验研究. 结果表明：与牛顿流体相比,CTAB水溶液边 界层的粘性底层增厚;主流时均速度分布有被层流化的趋势,对数分布域上移;主流方向速 度湍动强度峰值减小,且远离壁面,在靠近边界层中部,出现第2峰值;垂直于主流方向的 速度湍动强度受到了大幅度抑制,雷诺应力沿着边界层厚度方向几乎为零. 结果说明CTAB 水溶液具有减弱湍流湍动各个成分相关度的作用,从而能够使雷诺应力降低、湍流能量生成 项减小最终降低流体的输送动力.     

湍流池湍流特征研究

在用于激光束传输和控制模拟实验的湍流池中温度脉动测量结果表明,原始温度变化曲线上有明显的斜坡（ｒａｍｐ）结构,温度三阶及五阶结构函数和理论预计一致和大气对流边界层的测量相似,斜坡结构的出现对二阶结构函数的影响较小,加热面和冷却附近有明显的猝发现象出现,温度脉动的峰度系数大于３,表现了较大的间歇性。     

纵向涡对近壁湍流结构的影响

在封闭水槽中用氢气泡方法观察了纵向涡对近壁湍流结构的影响，涡的下洗侧出现了展向距离较宽、流动较稳定的快斑区，流向速度快；涡的上洗侧出现了含有慢斑的区域，流动结构复杂，流向速度慢，纵向涡使下洗侧速度较快的流体流向壁面，使上洗侧速度较慢的流体远离壁面。     

柔管自激振动特性与减阻效果的实验研究

为弄清柔管自激振动的湍流减阻效果的初步机理,在通过实验确认柔管确有湍流减阻效果的基础上,采用双重管结构和激光测位仪,对柔管的自激振动特性及湍流减阻效果及其两者的关系进行了实验研究．结果表明:管的壁厚越小,管外壁的自激振动的脉动位移有效值越大,湍流减阻效果越好;管壁外为压力平衡空气且雷诺数约为17500时,壁厚为2mm,3mm及4mm柔管的自激振动减阻率依次约为12％,10％,9％．这将为开发有效的管道流体输送技术提供参考．     

内燃机气缸内湍流流动的数值模拟

本文基于快速压缩假设,对不可压流的标准κ-ε的双方程湍流模型进行了压缩性修正。8方程增添了两项,其系数C_3,C_4的取值根据压缩方式的空间维数确定。同时引入Richardcon来修正系数C_2,以考虑旋流影响。将此模型应用于内燃机气缸内压缩过程。计算结果表明,本模型能预测湍流参数,特别是湍流尺度的变化规律并与实验基本吻合。     

参考焓值法在高速槽道湍流中的修正

利用高来流马赫数为3, 5, 6, 7, 10的槽道湍流直接数值模拟(direct numerical simulations, DNS)数据, 评估和修正经典的参考焓值法. 研究表明在高来流马赫数槽道湍流中, 经典参考焓值法预测的壁面热流与DNS结果相差很大, 需要作适当的修正.修正参考焓值法Ⅰ和Ⅱ的预测结果明显优于经典参考焓值法;并且修正参考焓值法Ⅱ更加适用于高马赫数流动, 其壁面热流与DNS结果的相对误差在10%以内. 同时, 修正参考焓值法Ⅱ的普适性在超声速燃烧室隔离段热环境试验中得到了验证.     

层结流体中湍流锋面特征的实验研究

在线性分层的水体中；由拖动坚条形栅格产生湍流锋面，通过阴影可视化技术考察了锋面的流态和运动行为，将锋面迹线经过图像处理，获得了锋面运动特征的有关信息：运动速度随时间的增长关系；锋面坍塌的平均无因次特征时间为NTC＝2．9；它随湍流Froude数Fri的增大而减小；锋面的特征尺度Hf与栅格运动的参数有关；当湍流演化成内波时，对锋面与内波运动间的关系进行了初步探讨和分析．