基于靶向聚合物添加的高效湍流减阻研究：通过精确注入涡结构实现性能优化

《Journal of Fluid Mechanics》：Efficient turbulent drag reduction using targeted polymer additives

本刊推荐一项关于靶向聚合物减阻的创新研究。为解决传统均匀添加法效率低、成本高及环境问题，研究人员通过直接数值模拟(DNS)比较了均匀分布与靶向注入聚合物对湍流通道减阻的效果。研究发现，将聚合物精确注入涡结构内部及周边高轴向应变区域可实现最高减阻效率(较均匀分布提升2.5%)，而近壁注入效果最差。该研究为海洋交通工具等外部流动的聚合物减阻应用提供了新思路。

　　

在流体力学工程领域，湍流导致的摩擦阻力一直是管道运输、军事舰艇和商业交通工具能耗居高不下的关键因素。自Toms于1948年发现稀释聚合物溶液可显著降低湍流阻力以来，聚合物减阻技术已发展数十年。然而在开放式流动系统（如船舶航行）中，聚合物无法循环使用，存在成本高昂和环境污染双重瓶颈。更棘手的是，传统均匀添加方式（称为"聚合物海洋"）效率有限，大量聚合物并未作用于关键湍流结构。如何用最少聚合物实现最大减阻效果，成为领域内亟待突破的难题。

近日发表于《Journal of Fluid Mechanics》的研究论文"Efficient turbulent drag reduction using targeted polymer additives"开创性地提出靶向添加策略。研究团队通过高精度数值模拟，首次系统比较了五种聚合物投放方式的有效性，发现将聚合物精准递送至湍流相干结构内部及其周边高应变区域，可实现较传统方法最高2.5%的减阻提升。这项研究为发展高效、环保的湍流控制技术提供了全新范式。

研究人员采用伪谱法直接数值模拟技术，求解粘弹性流体的耦合控制方程。核心模型采用有限扩展非线性弹性哑铃模型与Peterlin近似(FENE-P模型)，该模型将聚合物分子简化为由弹簧连接的质量点，通过构象张量描述分子取向和拉伸状态。模拟设置湍流通道雷诺数Re_τ=180，计算域尺寸为4πδ×2δ×2πδ，网格分辨率512×129×128。关键参数包括韦森伯格数Wi_τ=λu_τ²/ν_s=32.4，粘度比β=ν_s/ν₀=0.95（对应聚合物浓度21ppm）。靶向注入通过局部最大值识别算法实现，粒子运动采用包含Faxén修正的Maxey-Riley方程描述。

3.1 验证：聚合物海洋

通过均匀分布聚合物(β=0.9)验证模拟准确性。如图1所示，聚合物添加后涡结构数量锐减，仅存分散的弱涡结构。定量分析显示减阻率DR达35.4%±0.5%，与文献结果高度吻合。速度剖面（图3）显示缓冲层增厚和对数层抬升特征，但未达到Virk提出的最大减阻渐近线。

剪切应力剖面（图4）表明雷诺剪切应力在缓冲层显著降低，聚合物剪切应力在近壁区最大。脉动速度均方根剖面（图5）显示流向脉动增强而法向/展向脉动减弱，符合低减阻流态特征。

3.2 靶向聚合物

研究比较五种靶向方案：气泡/重质粒子携带释放、高Q值靶向注入、高应变靶向注入和近壁注入。图6-7可视化不同方法的初始分布，其中高应变靶向专注于轴向应变率平方和最大区域（公式(3.6)），高Q靶向针对涡核区域。

图8的聚合物分布显示，高Q/高应变注入的浓度分布与涡量分布高度吻合，而近壁注入在壁面浓度过高。质量通量变化（图9a）表明高Q/高应变靶向在t*≈1后增速最快，近壁注入表现最差。壁面剪切应力（图9b）同样显示靶向方法的优势。

瞬态统计结果（图10-12）揭示关键机制：近壁注入因过高聚合物应力导致减阻效果滞后，而靶向方法通过精准作用于涡结构实现快速响应。累积减阻曲线（图13）和表2数据显示，高应变靶向在t=8时减阻率较聚合物海洋提高2.5%，而近壁注入效果最低。涡量强度演化（图14）证实靶向注入在t=4-5内快速抑制湍流结构。

本研究通过系统数值实验证实，聚合物减阻效率强烈依赖于其空间分布。靶向注入涡结构相关区域（特别是高轴向应变区）可优化聚合物-湍流相互作用，最高实现2.5%的额外减阻。这一发现颠覆了"均匀分布即最优"的传统认知，揭示减阻机制本质在于聚合物与相干结构的精准互动。尽管当前靶向技术存在实施难度，但研究为开发新型减阻系统提供理论基石：通过智能材料投放策略，有望在船舶涂层、管道运输等领域实现聚合物用量的本质性降低。未来工作需结合高保真聚合物模型（如拉格朗日混合方法）探索高减阻工况下的靶向规律，并考虑质量/动量注入的真实物理效应，推动实验室发现向工程应用转化。