柔性管的紊流区域减阻效果的实验确认研究

　　随着世界人口的增加及其工业的高速发展，能源供需间的矛盾日显突出，尤其是国内的电力供应呈现出了前所未有的紧张态势。节能减阻技术的开发是摆在工科研究领域的重大研究课题之一。流动减阻中具有代表性的方法有：基于 Toms 效应的流体中添加高分子材料的减阻法;模仿 Riblet 结构的壁面加工减阻法;采用柔性波动壁面的减阻法;以及其他以降低表面形状阻力为目的壁面流线型加工的传统减阻法。尤其是流动壁面的 Riblet结构的减阻法更是向传统的流动壁面光滑加工减阻法提出了挑战，自从 Wash 在文献 [1] 中对其减阻效果发表以来，引起了众多的研究人员从 Riblet壁面所带来的紊流结构研究入手，对其紊流减阻机理进行探寻的兴趣。对柔性管流动的边界层结构的研究自从文献[2]有减阻效果报告以来，以降低流体运输阻力为目的的柔性管技术的开发出现了积极的热潮，由于柔性管壁减阻效果量级的局限性，对实验装置的设计制作及测试均有较高的精度要求，如何取得具有可评价价值的实验数据是关键，这一研究领域的研究资料报告没有统一的研究结论。

　　在影响柔性管流动的几何、力学、物理等诸因素中，本文选择了同一种材料的三种不同壁厚作为柔性管紊流减阻效果的影响因素进行了研究。

　　1 实验装置及实验方法

　　1.1 实验材料

　　所使用的实验材料为壁厚分别为 2、3、4 mm，公称内径同为 12 mm，弹性模量 E = 37 MPa 及泊松比 v 分别为 0.45 的 3 种柔性半透明硅胶圆管。

　　1.2 实验装置

　　实验所设计的实验装置如图 1。流路全线采用等距离散柔性支撑，为确保能在很大雷诺数范围内取得实验数据同时应保证最容易发生变形的 2 mm 实验管不致引起塑性变形，最大限度地选择了水流进口及出口间的高差;为实现定常紊流，进水口的压头应该保持恒定，为此在上游水箱里设置了溢流装置。测试部分上下游静压孔的加工毛边应严格去除，采用三点平均测压。此外还应保证测试部上游有足够的管长，以确保紊流的发展有足够的距离。测试部分上游安有温度感应装置，以监测实验时的温度变化，同时为控制实验期间的温度变化，储水池 1 在实验前应有足够的水储存而且实验期间应补充相 应 的 水量，尽可能使实验期间温度变化最小。

　　1.3 实验方法

　　为确保实验装置的可信赖性，在正式实验前，使用透明的玻璃纤维刚性管作测试管，对实验装置的信赖性，进行了预备实验。实验结果表明：在层流阶段，实验点与层流的 Hagen - poiseuille 理论公式符合很好;在紊流阶段与Blasius的经验公式文献[3] 符合良好，以此说明实验装置具有足够的可信赖性。