目前各国都在设法应对不同的能源与环境问题，我国由于人均资源少，环境容量有限，西部生态脆弱，问题尤为突出，解决这些问题首先要从节能开始。据称世界能源的1/3-1/2被用于克服运输中的摩擦，因此为了减小管道摩擦损失并提高运输频率，对减阻技术展开研究就显得十分必要。

目前对于管道减阻的研究主要针对于壁面初始摩擦度，通过涂层技术^[1]、提升焊接工艺等方法减小壁面粗糙度，从而达到减阻的目的。然而现有技术存在减小粗糙度的程度有限、施工复杂、随着时间变长出现涂层脱落的问题。另外一种就是在油品中添加高聚物^[2]，高聚合物减阻剂可以在小用量下达到较好的减阻效果，但在紊流流体的高剪切作用下，其分子量极易因分子链的断裂而降低甚至失效，即剪切降解，这是高聚合物减阻剂在应用上最大的不足。 而基于仿生学理论发展的非光滑管道壁面减阻技术正成为研究者们新的研究方向^[3]。肋条减阻技术作为其中的一种，由于减阻效果显著且易于推广使用，更是成为了研究热点^[4]。肋条减阻技术通过改变与流体相接触物体的壁面形状，以改变肋条进壁区的湍流结构，从而达到减阻效果。

肋条减阻技术可以追溯到1965年克拉默研究海豚运动。1967年乌克兰基辅水动力学研究所的摩科洛夫在研究涡屏蔽过程中，提出条纹沟槽表面降低水动力阻力的可能性,并正式提出了“riblets”这一科学词汇。20世纪80年代，NASA研究中心Walsh等人首先开展了对肋条减阻的研究^[5-6]，结果表明V型肋条具有最好的减阻效果当其高度h和间距S的无量纲尺寸hlt; 25和Stlt; 30时具有减阻特性，当沟槽的尺寸为h = S =15时，减阻效果最佳，可达8%。这一成果不仅突破了表面越光滑阻力越小的传统思维方式，而且为以后的研究工作指明了方向,此后的工作都是在沟槽无量纲尺寸为10~30间进行的。自此，肋条减阻技术逐渐成为减阻研究的焦点。Bechert和Brused对多种形状的肋条表面进行了测试^[7]，同样得出V型肋条减阻效果最好，可达10%,再次证明了Walsh肋条减阻最优几何形状的结论，此后的研究在几何形状上主要采用的都是V型肋条。Gallaghe和Thomas通过对流速分布的测量，利用边界层动量积分公式对肋条减阻进行研究^[8]，结果表明，只在沟槽板的后半部分阻力有所减小，但总的阻力几乎不变。但不久，Bacher和Smith采用同样的方法进行实验研究^[9]，却得到了25%的净减阻。从目前公认的肋条最大减阻幅度(约8%)看，他们的结果显然都存在较大的误差，可能与当时相对落后的实验条件有很大关系。Park和Wallace用热线风速仪详细测量了沟槽内的流向速度场^[10]，通过对沟槽壁切应力的积分，得到了大约4%的减阻，相对减阻幅度较小，但对测试方法的尝试是值得借鉴的。Debisschop和Nieuwstad通过直接测量压力和速度的方法发现，在逆压力梯度的湍流边界层中，肋条结构减阻效果高达13%^[11]。Viswanath的实验结果表明，通过优化肋条结构，机翼在低速入射风洞中可以实现减阻5%~8%^[12]。Lee和Jang将NACA0012翼型表面粘附一层肋条薄膜进行实验研究^[13],结果表明，在雷诺数Re=1.54*10⁴时减阻9.8%。

国内关于肋条减阻的研究始于上世纪末。王柯等人的实验表明，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%^[14]。王晋军等人对四种不同尺寸的沟槽平板进行水槽实验^[15]也表明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的条件下，测得沟槽壁面相对光滑壁面减阻分别为7.43%和6.20%^[16]。杨弘炜及其研究团队提出了一种菱形网状的坑点阵结构^[17]，水洞实验表明这种菱形网状的坑点阵结构应用于NACA-16012翼型表面的减阻效果最高可达22%。刘俊德、于洋等人采用CFD软件对V型肋条、间隔三角形肋条以及刀刃型肋条三种比较典型的肋条进行数值计算，选取h/s=0.5 及h/s=1两种肋条尺寸比值进行对比分析^[18]。分析数值计算结果，得出如下结论:（1)不同形状的肋条的底部存在大面积的低阻力区，这是肋条能够减阻的共同原因。低阻力区受壁面高度影响，当肋条高度增加，低阻力区摩擦阻力减小。（2)在肋条突出顶部存在高于平板切应力的高阻力区，肋条减阻效果主要决定于该区域的大小。并且，该高阻力区与湍动能密切相关，通过对湍流的分析即可判断不同肋条高阻力区的摩擦强度。（3)肋条的总摩擦面积也明显影响着肋条的减阻效果。因此，通过对高阻力区与低阻力区以及摩擦面积的综合分析，即可判断肋条的减阻效果。李恩田和李天洲等人利用自行设计的管道流动试验平台和PIV测试系统，通过对比平板表面，研究了3种尺寸的V型肋条结构表面对管道压降和流场流动特性的影响^[19]。试验结果表明: 肋条具有减阻效果，减阻率与归一化肋高h 及雷诺数Re有关; 当归一化肋高4lt;h lt;15，3种肋条都具有减阻效果; 高度为0.5mm的肋条减阻效果最好，其最大减阻值约为11.91%。利用PIV测试系统对肋条结构减阻原因进行的研究表明: 减阻工况下，肋条结构使得湍流边界层缓冲层的厚度增大; 湍流边界层流向与法向均方根速度分布及雷诺应力各分量都比光滑面湍流边界层相应要小; 肋条结构降低了湍流边界层内流体的速度脉动，使得边界层内流体的运动变得更加“平静”，涡流喷射现象减少，形成的“二次涡”结构稳定，从而使得肋条结构具有了减阻效果。彭倩、胡汉桥等人基于仿生学原理和平板边界层理论，设计凹坑型、凸起型和波浪型3种非光滑管道壁面造型；采用数值模拟方法揭示不同非光滑管道壁面形态对流体摩擦阻力的影响规律；针对减阻性能最佳的凹坑型非光滑管道壁面，探索不同排列方式与流体减阻性能的关系^[20],计算结果表明：（1)凹坑型壁面减阻性能最明显。与基准模型相比，凹坑型壁面的减阻率高达35.57%;波浪型壁面可小幅减阻，而凸起型增大沿程阻力。（2)均匀排列减阻性能最佳。均匀排列方式沿程阻力系数最小，菱形排列比均匀排列略小，等差排列的沿程阻力最大。(3)采用均匀排列的非光滑凹坑型壁面可有效降低流体摩擦阻力，为管道降阻设计提供新方向。

尽管对肋条减阻已经做了很多研究工作，但目前仍无法获得肋条结构表面边界层内准确的的微观流场特性及其减阻机理，因此使用Fluent软件对肋条结构表面流场进行数值仿真分析是很有必要的。

2. 研究的基本内容与方案

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；掌握肋条表面减阻的机理以及专业流体力学软件Fluent。针对输油管道的减阻问题，基于仿生学原理和平板边界层理论，将管道内表面设计为V型或梯形肋条结构，利用Fluent对肋条表面流场进行数值仿真，分析其流体阻力特性。

（1）确立几何形状，生成计算网格；

（2）输入并检查网格，选择求解器；

（3）建立求解模型；

（4）设置流体的物理属性；