【研究综述】西安交通大学董光能教授团队：水下湍流减阻技术研究进展
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2024-10-08 18:37
重庆
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水下湍流减阻技术作为提升航行器航速、实现节能减排的有效手段，受到了学者的广泛关注。迄今，根据减阻机理的不同形成了多样化的减阻技术，依据能否对减阻行为进行调控可分为主动和被动减阻技术。从概述水下湍流减阻技术的研究现状出发，梳理了各项减阻技术从兴起到当前研究热点的发展脉络。系统阐述了各减阻技术对壁面湍流流场的影响机制，并分类别深入分析了其内在减阻机理，如结构减阻的涡干扰、超疏水减阻的滑移，聚合物高分子链的黏弹性、超空泡的界面转换、柔顺壁面的缓冲吸振、微气泡改变流场理化特性和壁面振动破坏拟序结构等减阻机制。论述了各项减阻技术的研究进展，比较了各项技术的发展趋势和不足，如仿生减阻结构无需提供额外的能量就能维持长久的减阻效果，但对复杂多变的流场环境难以维持较高的减阻率；微气泡减阻能大幅降低表面阻力，但存在能耗较高等问题。在此基础上，总结概括了各项减阻技术的应用场景，并从技术集成的角度，展望了水下湍流减阻技术的发展之路。
减阻技术起源于20世纪30年代，快速发展于1980年至今。针对已有的研究文献，本文依据是否需要额外的能量输入和是否能人为控制，将目前的减阻技术分为被动减阻和主动减阻，如图1所示。被动减阻虽然无需额外的能量输入，但无法根据流场的变化进行人为控制和调节，某些情况下甚至可能出现增阻。被动减阻主要涵盖3种方式：一是结构减阻，例如仿鲨鱼皮的盾鳞结构；二是材料减阻，如荷叶的超疏水表面；三是特殊减阻，比如高速运动产生形成的超空泡。主动减阻则需要额外的能量输入，依据流场变化进行调整，使其处于最佳减阻状态，大致分为微气泡减阻、壁面振动减阻、大涡破碎减阻、壁面吹吸减阻和主动表面控制减阻等。本文将对各项减阻技术的发展进行回顾，分析总结其减阻机理，最后对减阻技术的发展方向进行展望。![]()
自然是人类最好的老师，人们根据仿生原理来设计仿生结构，不仅能减少设计工作量还能产生显著的效益。仿生减阻结构除了直接干预湍流边界层之外，还可以在固体表面和流体介质之间形成气膜促使滑移，从而实现减阻。自然界仿生减阻结构见图2。![]()
当航行器在水中高速移动时，由伯努利原理可知靠近物体表面的液压会降低，当速度达到一定阈值后，液体的压力将等于其饱和蒸汽压力，液体变为气体，即发生空化现象。如果继续增加航行器速度，空化现象将越发明显，最终在物体表面形成一层稳定的气膜，即超空泡现象。超空泡的介入将固液界面的受力转换成了液气之间的受力，因此能大幅降低航行器的阻力，即超空泡减阻。超空泡减阻原理、状态及表面涂层影响见图3。![]()
关于微气泡减阻的设想早在19世纪末就已经被傅汝德提出，在液体和航行器表面注入定量微小体积的气泡，形成的气液混合流通过改变周围流体的密度和黏度，影响近壁面流场结构使摩擦阻力降低。Mccormick等首先进行了气泡减阻实验，通过在船模表面布置铜线的方法电解水产生氢气泡，获得了30%的减阻率，认为减阻的原因是气泡通过弹性吸收湍流边界层内动量，改变流场结构来降低湍流应力。随后有学者采用多孔不锈钢喷气的方式生产微气泡，摩擦阻力可减小80%以上。美国也开展了相关工作，得到了类似的结果。虽然这些试验探索了气流量、喷气孔直径等因素对减阻率的影响，但是并未深入研究微气泡的减阻机理。微气泡的减阻机理较为复杂，目前还没有完备的机理解释，但是人们从混合流的性质和流动结构的改变等方面进行了许多探索。微气泡减阻见图4。![]()
本文对被动减阻和主动减阻等技术进行了详细的论述，重点考察了各项技术的减阻机理和研究进展。由于各项技术的减阻机理不同以及实现方式不同，故适用范围和应用场景也有所差异。在某些稳定流场中，结构减阻能发挥持续稳定的减阻效果，但在变流场条件下，减阻效果则会呈现出波动。如通过主动变构实现结构形貌调节，有望实现大规模工程应用。超疏水减阻在层流和湍流条件下都能发挥减阻效应，但如何减少船舶表面的疏水涂层和微结构的破坏则面临着严峻的挑战。聚合物减阻在船舶航行中需要释放大量的减阻剂，所需材料成本较高，同时对自然环境的影响较大，其应用场景可能会局限于管道流。超空泡减阻所需的速度较高，因此主要用于鱼雷等弹体，结合人工通气，也可应用于潜艇表面。柔顺壁面减阻也需要在较大的流速下才能充分发挥其弹性吸振的作用，同时表层的柔性壁面能对基体起到保护作用，因此较为适合水下探测领域。微气泡减阻目前是较为成熟的方案，在各种流场条件下均能保持良好的减阻性能，已在许多船舶上进行了商业化应用。大涡破碎、壁面振动和吹吸等技术目前还停留在实验阶段，距离实际应用还有很长的距离。湍流减阻技术发展至今已经有了长足的进步，然而对于单一的减阻方式，其减阻效果依然存在一定的缺陷。因此若能将多种减阻技术进行耦合，实现复合减阻或是放大减阻效应，将是未来工程应用的趋势。例如将沟槽结构和超疏水表面相结合，将更有效地抑制涡结构运动，并且还可以使用微气泡进一步冲散和弱化沟槽的应力集中区域等。此类联合方式能表现出耦合增强效应，具有极大的减阻潜能。随着微纳制造的快速发展，流场的精细化控制将成为可能，在不考虑能耗的前提下，主动控制表面将显著提升海洋航行器的行进速度，未来可能会将防污、疏水、微结构、形变和气泡等减阻技术集成于主动控制表面，由此可望诞生出“多功能智能减阻蒙皮”，这对实现我国海洋强国的目标具有重要意义。该文章发表在《表面技术》第53卷第16期。
引文格式：秦立果, 刘建波, 李航, 等. 水下湍流减阻技术研究进展[J]. 表面技术, 2024, 53(16): 1-18.
QIN Liguo, LIU
Jianbo, LI Hang, et al. Research Advances in Drag Reduction Technologies for
Submarine Turbulence[J]. Surface Technology, 2024, 53(16): 1-18.
DOI：10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.16.001
