通过侧缝减少完全发展的圆形管道流动中的阻力

《ARABIAN JOURNAL FOR SCIENCE AND ENGINEERING》：Reducing Drag in a Fully Developed Circular Pipe Flow with a Side Slit

内流减阻技术对管道系统能效提升至关重要，本研究通过数值模拟（k-ε模型）探究微米级切口在层流（Re=2099.9，减阻3.9%）和湍流（Re=24880，减阻10.26%）中的减阻机理。

　　

摘要

内部流动中的阻力减小是流动控制研究中的一个关键领域，对于水、石油和天然气管道系统具有重要的实际应用价值。在这些系统中，粘性力会显著加剧湍流，从而增加能源消耗，这在全球能源危机和气温升高的背景下是一个主要问题。本研究对一种新型的被动阻力减小技术进行了数值分析，该技术应用于已经充分发展的圆形管道流动中，具体方法是在管道的侧面开一条微米级的缝隙。采用\(k-\varepsilon\)湍流模型（适用于无分离现象的流动）进行了计算流体动力学模拟，以评估这条缝隙在层流和湍流状态下对流动特性的影响。数值结果表明，当缝隙的宽度与管道直径之比为\(4\times {10}^{-4}\)时，在层流（雷诺数为\(2099.9\)）中的阻力减小了约3.9%，在湍流（雷诺数为\(24880\)）中的阻力减小了约10.26%。这些发现证明了所提出的被动方法在减轻管道运输系统内部阻力以及降低能源消耗方面的有效性。