节能减排的研究一直是世界近几十年来的研究课题，随着中国经济的迅速发展，我国对能源的需求与日俱增，这背后隐藏着的是巨大的能源危机，我国长期的人均资源不足就足以体现这一点。何况目前能源危机遍及全球，节约能源迫在眉睫。

日常生活中，管道的减阻是节约能源的一个重要途径。管道大量运用于各行各业如油气输运、航海、航空航天、流体机械等领域中。其中摩擦阻力的存在，极大的降低了能源的利用效率——流体的摩擦阻力限制了流体在管道中的流动，造成管道输量降低和能量消耗增加。表面摩擦阻力在运输工具的总阻力中占有很大比例，而在长距离的管道运输中，泵站的动力几乎全部用于克服表面摩擦阻力^[1]。面对这随处可见的阻力损失，有效地减少管道阻力，提高能源的利用效率就具有重要的现实意义。

人们对于管道减阻的研究，从20世纪30年代就开始了^[2]。初期从宏观感性的角度人们认为表面越光滑阻力越小，但至60年代，仿生学研究的发展表明许多生物的表面并未进化成光滑皮肤，而是各种非光滑体表。借助仿生学的成果，通过在研究对象表面按一定规律布置如三角形、梯形、肋片形等形状的微型脊状结构可实现减阻效果，这种表面称为脊状表面。自此，人们对脊状结构表面减阻这种突破常规思维的减阻手段的机理进行了深入的研究，并以此发散，研究各种微观表面减阻效果。目前随着新型材料的发展在人们多个领域如脊状表面减阻，仿生学减阻，减阻剂减阻等均取得了丰富的研究成果。

对于脊状结构减阻机理，从布置方式来分主要分为纵向布置和横向布置两种。纵向布置的有两种理论——“第二涡群论”和“突出高度论”。第二涡群论由Bachert等提出，他认为沟槽两侧反向旋转的流向涡与尖顶形成的二次涡相互作用，二次涡削弱了与低速条带相联系的流向涡对的强度，抑制了流向涡对在展向聚集低速流体的能力，使得低速条带保留在沟槽内并减少了低速条带的不稳定性从而减小了阻力；至于“突出高度论”，Bechert等采用黏性流动理论对沟槽的减阻机理进行了分析，阐述了表观起点和突出高度的概念，Walsh等、Gallagher等与Bechert等的观点相似^[3]。对于横向布置的研究现状，目前关于它的减阻机理的研究比较少，潘家正将流体流经横向布置的脊状结构后产生的漩涡，理解为“微空气轴承”。这种涡结构将流体和壁面之间的摩擦接触由“滑动摩擦”变为了“滚动摩擦”。此外，肖如亭等所做低粘附功管道的内流减阻研究表明液体与光滑管道内壁间的粘附功大小对内流阻力有影响。在液体与管壁间的粘附功小于液体内聚功的条件下,内流阻力存在减阻区和非减阻区^[4]。20世纪80年代初，Walsh等定义了脊状结构的高度无量纲尺寸h 和间距无量纲尺寸s ，并以此确立可以有效减阻的结构尺寸范围，且发现Ｖ型脊状表面的减阻效果最好，减阻率可达８％。王召峰等认为非光滑表面在一定程度上使流动附面层的能量脉动减少，从而起到了减阻的效果^[5]。2009年，刘占一等对横向布置的脊状表面进行了数值模拟，研究了沟槽间隔的存在对阻力的影响，结果表明，随着间隔的增大，减阻效果呈现出先增大后减小的趋势。胡海豹等认为脊状表面增大了黏性底层厚度，近壁区的低速条带使得外部高速流体从低速条带上流动，避免了与固体壁面直接接触^[6]。王晋军等也认为粘性底层厚度的增加使同一位置流速比未增加的大，即阻力减小的结果^[7]。2017年，彭倩等的仿真实验表明凹坑型非光滑管道壁面沿程阻力较小，该研究可对管道内壁基于纹理减阻提供一定参考依据^[8]。

对于仿生减阻的研究，是以鲨鱼为突破口。水中游动的鲨鱼虽然体型庞大，但是游动非常快速，因此，鲨鱼一直是仿生学研究的热点之一。对鲨鱼皮形貌的研究表明，鲨鱼皮表面呈鳞片和类似圆谷状的非光滑盾鳞结构，盾鳞沟槽方向与游动方向平行^[9]。Bixler等发现鲨鱼能够迅速在水中移动，且微结构化的肋条覆盖在皮肤上能保持皮肤清洁，这样的肋条有效地减少了皮肤摩擦阻力，还能固定自然发生的湍流旋涡^[14]。目前，许多学者从流体力学的角度对鲨鱼皮盾鳞结构的减阻机理进行了解释。Choi等在沟槽结构减阻试验中发现，由于沟槽的间距很小，流体延沟槽方向流动时，径向涡旋宽度大于沟槽间距，径向涡旋只能与沟槽尖顶发生小面积接触，因此沟槽结构的存在显著减小了对沟槽内壁的剪切压力，盾鳞结构的存在也能够阻滞横向涡旋，降低表面摩擦阻力^[10]。Chernyshev与Zayets研究发现，盾鳞结构的存在能够防止流体分离，由于以上几方面的原因鲨鱼皮盾鳞结构能够实现航行体减阻。韩鑫等人用热压印法对鲨鱼皮进行仿生复制，拼接制备出了仿鲨鱼减阻蒙皮，仿鲨鱼减阻蒙皮的最大减阻率可以达到8.25％，平均减阻率为6.91％。仿鲨鱼皮的沟槽结构在航空、泳衣、管道输运等方面都获得了广泛的应用：具有条纹沟槽表面的鱼雷模型相对于光滑表面的鱼雷模型具有明显的减阻效果，最大降阻量约为8％，同时阻力的减小伴随着流噪声的降低^[11]；在北京奥运会上，当美国选手菲尔普斯打破奥运会奖牌记录时Speedo公司生产的具有沟槽结构的泳衣引起了人们极大的关注，目前这种泳衣能够获得３％～５％的减阻效果^[10]。2015年YanYao等对高雷诺数下的表面涂层结构进行了实验研究，证明了减阻和延缓附聚效应^[15]。此外，西北工业大学胡海豹等人提出了采用准LIGA成形技术制备沟槽表面的方法，用此法在铝合金平板上制备出了沟槽结构平面。

减阻剂的作用机理和上面几种有所不同。减阻剂加入到管道以后，靠本身的粘弹性，分子长链顺流向自然拉伸，其微元直接影响流体微元的运动。来自流体微元的径向作用力作用在减阻剂微元上，使其发生扭曲，旋转变形。减阻剂分子间引力抵抗上述作用力反作用于流体微元，改变了流体微元作用力的大小和方向，使一部分径向力转变为顺流向的轴向力，从而减少无用功的消耗，宏观上起到减少摩阻损失的作用^[12]。上世纪60年代末，美国Conoco公司研制成功CDR-101型减阻剂，1972 年取得专利，1977-1979年间首次商业化应用于阿拉斯加原油管道。1981年研制成功CDR-102型减阻剂，性能大幅提高。1984年开始应用于成品油管道。减阻聚合物的生产条件难以控制，世界上只有少数公司垄断了这项技术，突出代表是美国的Conoco公司和Baker Hughes公司，他们的产品代表了减阻剂生产工艺的最高水平和发展方向^[13]。此外，对减阻剂的研究方向还有添加聚合物以增强减阻效果：DongjieLiu等对阳离子表面活性剂和非离子分子聚合物混合水溶液进行了测试，发现混合溶液的曲线可分为增强减阻区，稳定减阻区和破坏减阻区^[16]。1982年，浙江大学开始国产减阻剂的开发和试验工作，1985年进行了EDR型减阻剂的试生产，并在国内原油管道上进行了中型试验，产品性能已达到国外70年代初期水平。1984年，成都科技大学发表了PDR型减阻剂的研制成果。近年来，中国石油管道公司管道科技研究中心开展了减阻剂的研究工作，并取得了成功，其EP系列减阻剂产品的性能已经达到国际同类产品的水平，荣获国家技术发明二等奖。

2. 研究的基本内容与方案

本研究设计内容：

节约能耗是人类一直追求的目标，其中一个主要途径就是在各种运输工具中尽量减少表面摩擦阻力。因此，研究发展并改进非光滑表面减阻意义重大。

针对输油管道的减阻问题，基于非光滑表面减阻机理和平板边界层理论，将输油管道内表面设计成凹坑型或凸起型非光滑管道壁面，利用FLUENT对输油管道内非光滑表面流场进行模拟仿真，分析其流体阻力特性，探究不同非光滑管道壁面对流体摩擦阻力的影响

本次毕设拟采用技术方案以及目标