摩擦不仅是造成固体相对运动能量损失的主要原因，也是导致固液界面之间相对运动能量损失的主要因素，全世界约有 1 /2 ～ 1 /3 的能源是用于克服摩擦的影响。管道运输中一部分能量用于克服地形高差所需的位能，另一部分就是克服油品沿管路流动过程中摩擦造成的能量损失^[1]。因此，对输油管道减阻的研究就能减少管道摩擦损失并提高管道运输效率，有效的节约大量的能源。

近些年来的沟槽面湍流减阻技术的工业应用方向，沟槽的几何形状和尺度、流场压力梯度、沟槽面放置方式对于沟槽减阻效能的影响，沟槽面对于湍流边界层流动特性的影响，沟槽面的湍流减阻机理几方面研究进展进行了研究^[2]。从湍流拟序结构理论出发提出:具有减阻效应的沟槽面不但能通过控制低速制条带间距来降低湍流“猝发”频率，而且在“猝发”后的高速“下扫”过程中因其几何结构使藏在槽内的安静流体避免或部分避免因高速“下扫”而“诱导”出较大速度剪切层，从而实现减阻。同时指出需要利用先进的实验技术如PIV等图像处理手段并结合直接数值模拟对湍流边界层的瞬时流场进行研究,以其找出湍流边界层的流动结构及其运动规律^[3]。

柔顺壁面减阻的实验研究最初是在 1957年由 Kramer完成的，他利用人造海豚皮进行柔顺壁湍流减阻实验，结果得到了 50%的减阻效果^[4]。遗憾的是，后来许多学者企图证实这一结论都以失败告终，人们对此实验结果遂表怀疑,但也有学者认为，由于柔顺壁的运动特性对其材料的机械特性十分敏感，因而造成许多研究者不能重 复 Kramer的减阻效果^[5]。直到 1992 年， Lucey 等人通过研究柔顺壁的转捩延迟作用，从理论上证明了 Kramer柔顺壁具有充分的转捩延迟作用，从此 Kramer的研究成果才为人们所接受，同时柔顺壁的转捩延迟作用也成为人们研究的焦点。 Cooper和 Carpanter研究了柔顺性转盘对边界层转捩的影响， 结果表明，柔顺壁能减弱第1类无粘性不稳定性，而对第 2 类粘性不稳定性则只有当壁的柔顺性增加到一定程度，才能起到减弱的作用。俄罗斯学者 Kulick和 Semonov研究证明^[6]，柔顺壁能有效的降低表面摩阻和流动噪声，降幅可达到 17%，这一成果刚刚发表不久，诺丁汉姆大学的 Choi就对其结果进行了一系列的验证实验，结果表明，其中一种柔顺壁在整个测试流速范围内，湍流减阻可达 7%，相应的柔顺壁下游的表面摩擦力下降 7%，壁压波动强度减弱 19%，从而证明了 Cooper推测的合理性^[3]。20世纪 60年代 NASA兰利研究中心的 Walsh等，通过试验发现顺流向的 V形沟槽面能够有效降低表面摩阻， 沟槽减阻的效能研究引起了极大的关注^[7]。国外的Choi、Jimenez、Bacher、Lazos、宫武旗等相继开展了这方面的试验研究^[8]，他们借助热线风速仪(HWA)和激光多普勒 (LDV)分别对V形沟槽面的形状参数 (高度、 间距、 夹角 )以及沟槽湍流边界层的湍动特性、 猝发特性、 频率以及条带结构进行了有价值的研究^[9]。

国内关于条纹沟槽表面减阻的研究始于上个世纪末。王柯等人的实验结果表明，在回转体外表面加工符合一定条件的条纹沟槽具有明显的减阻效果, 在零攻角下减阻量约 8.3%。王晋军等人对 4 种不同尺寸的沟槽平板进行水槽实验，也说明了沟槽平板具有减阻特性 , 局部阻力减少高达 13% ～ 26%。宫武旗等人在雷诺数分别为 1.18 ×105 和 2.63 ×105 的情况下，测得沟槽壁面相对于光滑壁面减阻分别为 7.43%和 6.20%^[10]。杨弘炜等人提出了一种菱形网状的小圆坑点阵结构 , 水洞实验表明，这种结构应用于 NACA-16012翼型表面的减阻效果最高可达22%。从这些成果看, 虽然国内的研究受到起步晚、研究人员少、基础薄弱等因素的制约，但通过科学工作者的努力，还是在肋条减阻研究上取得了很大的进步，有些成果甚至与国际水平持平^[11]。随着计算机技术的发展，已有学者采用数值模拟方法开展沟槽减阻特性研究。国内的黄德斌等用数值模拟了2种沟槽面管道---V型沟槽和T型沟槽的湍流减阻性能，并与光滑管做对比，发现两者都具有减阻效果，其中 V形沟槽的减阻效果好于 T形沟槽^[12]；海军工程大学的刘志华等利用计算流体力学软件研究了V形沟槽尖峰形状对减阻效果、湍流边界层内的速度分布以及沟槽壁面切应力的影响^[13]，结果显示，沟槽尖峰处的圆角半径越小其减阻效果越好，最大减阻率可达 6.6%。有效的研究了长输管道中V形沟槽的减阻效果^[14]。

流动摩擦阻力存在于各种流动现象中,摩擦阻力在运输工具的总阻力中占有很大比例, 例如:常规的运输机和水上船只，其摩擦阻力约占总阻力的50%。对于水下运动的物体, 这个比例可达到 70%。而在长距离的管道输送中, 泵站的动力几乎全部用于克服表面摩擦阻力^[15]。摩擦阻力的增加使管道运输的能耗加剧、效率下降,管道壁面磨损严重, 缩短管道使用寿命;还会使管道压力波动加剧, 幅值提高, 随机性增加,管线振颤加剧,降低管道流动稳定性 , 从而对管道运输系统的安全构成严重威胁。因此 , 研究壁面减阻降耗具有重要意义^[16]。

2. 研究的基本内容与方案

基本内容：基于非光滑表面减阻机理，针对输油管道的减阻问题，将管道内表面简化为易于加工的V形或U形微沟槽，利用FLUENT对沟槽表面流场进行数值仿真，分析其流体阻力特性。

研究目标：掌握输油管道减阻的重要性，比较现有的各种减阻方法的优缺点；掌握沟槽表面减阻机理以及专业流体力学软件FLUENT；采用FLUENT对输油管道V形或U形沟槽内表面流场进行模拟仿真，分析其流体阻力特性；