Taylor-Couette流动特性与减阻实验研究进展

张文云, 胡海豹, 文 俊, 曹 刚, 任刘珍

西北工业大学 航海学院, 西安 710072

0 引 言

随着能源消耗的快速增加，能源问题已经成为全球性的问题。如何实现节能降耗是目前国内外关注的重要研究课题。研究表明，船舶航行时，其表面的摩擦力可占总阻力的70%～80%，即使在高速航行情况下，也可占到大约40%[1]。海洋运输成本低廉，一直是国际物流的主要运输方式，减少船舶航行阻力可节约能源，缓解由能源快速消耗造成的能源危机，对海洋开发向深海、远海发展有重要意义。

间隙中充满流体的同轴转子可类比为流体力学中的经典Taylor-Couette流动模型。该模型具有结构简单、便于开展高精度实验测试等特点[2]，常与Rayleigh-Bénard(RB)对流模型和管道流动模型[3-5]一起，用于研究不稳定性[6-7]、非线性动力学[8-9]和湍流[10-13]等经典流体力学机理问题。同时，涉及Taylor-

Couette流动的轴类零件在工程中普遍存在，相关减阻研究不仅可以应用于工程领域，也可以推广至其他流动。

研究Taylor-Couette流动的流动特性，对探索基于Taylor-Couette流动的减阻方法和减阻机理研究有重要的意义。本文系统介绍了Taylor-Couette流动的主要无量纲影响参数、流场结构与扭矩特性，总结了基于Taylor-Couette流动的减阻研究进展。

1 Taylor-Couette流动基本特征

1.1 Taylor-Couette流动的无量纲影响参数

Taylor-Couette流动模型由2个同轴旋转的圆柱组成，圆柱间充满流体，允许内、外圆柱以不同速度和旋向旋转。图1(a)为经典Taylor-Couette流动示意图，旋转圆柱间隙内一般存在成对、旋向相反的Taylor涡结构；图1(b)为Taylor-Couette流动间隙轴向速度分布示意；图1(c)为Taylor-Couette流动间隙方位角速度分布示意。……