基于涡识别技术的微结构壁面湍流减阻机理研究

摘要

为探究微结构壁面湍流减阻机理，采用粒子图像测速技术（PIV）观测微结构壁面的水流特性，分别对超疏水壁面和微沟槽壁面的流速发展、雷诺切应力变化及涡的分布规律进行分析。引入流速的概念，对Omega（Ω）涡识别方法进行改进，建立新的Ω_M涡识别方法，并采用该方法对近壁面涡结构进行识别，提出液流涡密度定义，定量分析近壁处不同强度涡的分布，为研究微结构壁面减阻机理奠定基础。研究结果表明：在相同雷诺数下，边界层内流速由大到小分别为超疏水壁面、微沟槽壁面和光滑壁面，两种微结构壁面对数律层流速分布与光滑壁面相比明显外移，说明微结构壁面具有减阻效果；雷诺切应力随法向无量纲距离y⁺的增大而先增大后减小，其中，超疏水壁面雷诺切应力的最大值与其他壁面相比最小；采用Ω_M方法对近壁处涡进行识别，发现近壁0.1倍水深内，两种微结构壁面上水流中涡结构以弱涡为主，在0.2倍水深内开始出现强涡；与光滑壁面相比，微结构壁面近壁处水流弱涡的涡密度增加，强涡的涡密度减小，说明微结构壁面抑制了水流中强涡的发展；在3种壁面中，微沟槽壁面的减阻率大于7.60%；超疏水壁面的弱涡涡密度大，强涡涡密度小，减阻效果最好，减阻率大于9.48%。微结构壁面可有效降低水流输运能耗、提高其输运效率。

关键词

超疏水壁面 / 沟槽壁面 / Ω_M方法 / 涡密度 / 减阻