湍流边界层沟槽壁面减阻机理的实验研究.docx

湍流边界层沟槽壁面减阻机理的实验研究
摘要：湍流边界层在工程应用中具有重要的作用，但是其对壁面的摩擦阻力也会造成能量损失。因此，减小湍流边界层与壁面的摩擦阻力具有重要的意义。本文通过实验研究发现，在边界层沟槽壁面设置微观凹凸表面结构可以明显降低湍流边界层与壁面的摩擦阻力，具有减阻效果，并探讨了这种减阻机理。
关键词：边界层，摩擦阻力，微观凹凸表面结构，减阻机理
引言
湍流边界层在工程应用中具有重要的作用，如增加气体和液体的传热传质和附壁气膜的产生。但是，边界层与壁面的摩擦阻力也会造成能量损失，降低流体的运动效率。因此，减小湍流边界层与壁面的摩擦阻力具有重要的意义。
近年来，研究者通过改变边界层与壁面的接触方式和表面形貌，实现了减小摩擦阻力的目的。其中，基于微观凹凸表面结构的减阻技术是最为广泛的应用之一，因为它可以通过改变表面形貌来影响性能，同时与摩擦阻力的大小没有直接关系。
本文通过实验研究探讨了在边界层沟槽壁面设置微观凹凸表面结构的减阻机理和减阻效果，并对其进行了分析和探讨。
实验方法
实验设备和测量数据的采集与分析
本实验采用边界层沟槽作为研究对象，使用风洞为实验装置，其主要参数如表1所示。在风洞内设置边界层沟槽模型，其横截面如图1所示。试件长度为800mm，高度为120mm，沟槽深度井宽比为1:5。
图1：边界层沟槽模型横截面示意图
实验中使用了一台4电极热膜测量仪，可直接测量壁面表面温度，其中，热膜应用程序可以选用不同的电压和频率来模拟其他温度。以此可以计算壁面热流，结合气流速度测量仪和压力传感器测量气流速度和压力分布，使用试验室开发的自动数据采集系统进行数据的采集和分析。
实验设计
在边界层沟槽壁面上制备了两种表面形貌：一是微观凹凸表面结构，二是普通光滑对照表面。其中，微观凹凸表面结构采用数控加工工艺刻画多级突起，其突起高度为38μm，间距为170μm，如图2所示。
图2：微观凹凸表面结构示意图
实验中分别采用这两种表面形貌进行测试，通过实验数据对比分析，得出了在边界层沟槽壁面设置微观凹凸表面结构的减阻机理和减阻效果。
实验结果
在微观凹凸表面结构壁面上，热流强度和摩擦阻力的变化曲线如图3所示。其中热流强度曲线表征了壁面受热转化为流动能量的大小，而摩擦阻力曲线则表征了湍流边界层与壁面的摩擦阻力大小。
图3：热流和摩擦阻力的变化曲线图
在微观凹凸表面结构壁面上，摩擦阻力和热流强度均有降低的趋势。在平均风速为6.0m/s时，微观凹凸表面结构壁面上的摩擦阻力较普通光滑表面壁面下降了约16.7%。
同时，在微观凹凸表面结构壁面上，边界层沟槽的湍流强度也降低了近30%，可见微观凹凸表面结构确实可以有效地降低摩擦阻力和热流强度，从而提高边界层沟槽的性能和效率。
讨论和结论
本实验中，我们针对边界层沟槽壁面采用微观凹凸表面结构进行了试验研究，结果表明可以降低摩擦阻力和热流强度，在平均风速为6m/s时，减阻效果可达约16.7%。
减小摩擦阻力与提高流体运动效率对于工程应用具有重要的意义。本文探讨了微观凹凸表面结构的减阻机理，认为其主要原因是通过表面形貌改变流体的运动状态和流线分布，从而减小湍流边界层与壁面的接触面积，降低摩擦阻力和热流强度。
在实验中，我们还发现微观凹凸表面结构可以降低边界层沟槽的湍流强度，从而进一步证实了其减阻效果。这项研究为工程应用提供了新的思路和方向，也为微观凹凸表面结构的研究提供了实验基础和理论支持。
参考文献：
[1]P.J.Schmid，D.S.Henningson.Instabilitymechanismsoftheself-sustainingprocessinnear-wallturbulence.JournalofFluidMechanics,2001,421:115-145.
[2]S.B.Pope.TurbulentFlows,CambridgeUniversityPress,2000.
[3]J.Kim，P.Moin，R.Moser.TurbulencestatisticsinfullydevelopedchannelflowatlowReynoldsnumber.JournalofFluidMechanics,1987,177:133-166.