引言

湍流问题是当今世界公认的物理、数学和力学领域的难点问题，也是“经典物理领域的一个重大悬而未决的问题”。

随着人们对常规牛顿流体的理解，人们也在研究新的湍流现象，如弹性湍流、弹性惯性湍流和湍流减阻剂等。

对于湍流的认识与研究，对于阐明湍流的形成机制，构建相关的理论与方法，是深入理解并最终解决湍流问题的必要途径。

紊流是一种液体流态。在水流速度非常低的情况下，液体呈层状且彼此不相混，这种现象被称作“稳定流”或“片状流”。

当流速的逐步增大时，液体的流线会呈现出一种波动式的抖动，抖动的频率和幅度也会随之增大，这种流动被称为“过渡流态”。

随着流速的增大，流线变得模糊，流场中出现了很多细小的旋涡，层流被打破，相邻的流层之间不仅出现了打滑，而且还出现了混合，产生了紊流。

紊流，也叫乱流、扰流是一种在自然界中非常普遍的现象，比如河流急流，空气流动，车辆尾流等。

早在十九世纪，有些谨慎的科学家就曾发现，含微量沉积物的江河，其流速要比较清的江河更快。

当船只驶入水体中海藻含量较低时，则会显著降低其航行阻力；像鳗鱼，章鱼，企鹅这样的海洋动物会在它们的体表覆盖一层薄薄的胶质。

但在此之前，因为计算流体力学和流变学还不成熟，加上计算机技术的局限性，人们对此并没有太多的关注。

20世纪中期以来，随着一系列关于聚合物减阻剂的文章的出版，聚合物减阻剂开始被广泛应用。

在过去的数十年里，在全球范围内迅速发展的同时，人们正面对着一系列的问题，例如，如何减少能量消耗和减少碳排放。在石油和天然气输送中，降低能源消耗，提高石油和天然气的输送效率，一直是国内外学者关注的焦点。

而在石油工业中，向原油和天然气的输运中添加聚合物溶液，可以使原油和天然气在管道壁面处的紊流涡结构发生变化，从而减少原油和天然气与管道内壁的摩擦，达到减阻的效果，达到减少原油和天然气在输运过程中的能量损耗，达到节能减排的目的。

对于牛顿流体，当受到剪力作用时，液体将会突破粘滞状态，从而产生一种新的流态，即动态粘滞系数（动态粘滞系数），即由剪力和剪变形速率之比所决定。

当一个物体受到切应力的影响时，它会产生变形，当它被去除了所受到的切应力以后，它就会在弹性的影响下回复到最初的形状，它的切应力和变形的比率就是弹性模数。

将一种大分子添加到牛顿流体中，将它转化为一种柔软的聚合物，这种液体就是一种既有粘稠又有弹性的液体，这就是所谓的粘弹液体。

粘弹液体因其自身的弹性效应，呈现出与牛顿流体完全不同的特征，例如挤出膨胀、爬杆效应和紊流减阻等。

汤姆斯是世界上最早研究聚合物减阻问题的学者之一，他认为，在高雷诺数流场中，通过在原油输送时添加一定数量的聚合物，可以有效地减小原油输送的流体压力，进而减小原油输送的流体阻力。

自从汤姆斯首次提出聚合物减阻技术以来，近70年来，人们一直在探索聚合物减阻的机制。

在1975年， Virk提出了聚合物减阻有效滑移说，其理论的基本内容是：在向流体中添加聚合物以后，在高雷诺数的流动状态下，在近壁面处的粘性底层和紊流核心区域之间会形成一层新的弹性缓冲层，当紊流核心区域的速度逐渐变大，也就是流速增大时，流量相应的也就会变大。

然而，该理论无法对聚合物含量大于某一数值时，其流体阻力不减反增这一现象作出合理解释。

Kuiken在1994年首次提出了“压力各向异性”理论，指出聚合物在紊流作用下会被拉伸，从而产生各向异性的压力，从而导致紊流减阻效应。

随后， Tooder将两种不同的物理量分别与试验值进行对比，得到的试验值与试验值接近，但与粘弹性试验值相差很大，由此推断，试验值与试验值相比，试验值与试验值相差很大。

在2002年， Kawaguch提出了紊流强度压制理论，它认为在溶液中添加聚合物可以压制紊流中某些小涡的产生，进而减少紊流的绝对强度，特别是减少了紊流的径向的脉动强度，最终减少紊流中的阻力因子，达到紊流减阻这一目的。

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然而，这个理论只能说明紊流的运动规律，并不能说明紊流的运动规律会发生什么变化。

目前，对其减阻机制还不清楚，但已有一些研究结果。研究表明，粘弹性材料能够有效地影响壁面的紊流自我保持过程，并可有效地抑制近壁涡系的产生与发展，进而降低壁面的流阻。

Virk等人已做了一系列关于紊流减阻的试验，并得出了若干主要的紊流减阻规则。结果表明，聚合物在管内的流场大致可划分为层流区、聚合物反应区以及最大减阻渐近区三个区。层流区没有紊流的减阻作用。

在聚合物相互作用区域，流体呈湍流状态，存在湍流减阻，但在最大减阻渐近区，由于聚合物物理性质的不同，其减阻量基本不受聚合物物理性质影响。

到现在为止，是否能够找到并合理地解释上述现象，已成为判断湍流减阻机制是否成立的一个关键指标。

降阻初始阶段取决于聚合物的特性（比如聚合物的浓度），粘滞理论认为聚合物的降阻初始阶段是在聚合物粘弹性充分激发的时候，也有人提出聚合物的降阻初始阶段是在聚合物缠绕达到湍流漩涡的时候。

Hershey和 Zakin基于粘滞力学，给出了初始减阻的判据，即：在近壁区，高分子材料的弛豫与流动特性之比接近1，即为初始减阻阶段，已被 Berman, Min等人所验证。

Joseph等人在试验中证实了高分子材料会在较低的尺寸下减弱湍流，并根据粘度原理建立了初始减阻的速率判据，结果表明：在较低的尺寸下，流体中的阻力会逐渐降低。

另外， Kohn还给出了一个能量判据，即高剪切度近壁面区的粘弹微结构对其进行吸能，并将其传递到低剪切度的核心区进行释能，最终起到减阻的效果。在试验中，我们提出了在能量传递比能量传递更大的情况下进行减阻的理论。

减小最大阻力的方法。初始降阻后，在一定的减阻液含量下，当雷诺数继续增大时，它的摩擦力会逐渐减小，而当雷诺数继续增大时，它的摩擦力将趋于稳定。这就是我们所说的“最大阻力减小”或者“Virk渐进曲线”。

沃霍利克等人在最大减阻的渐近线上用聚合物做了试验。结果表明，当聚合物质量分数变化时，其数值分布呈现出明显的变化规律。

在最大减阻渐近线时，由于剪切力接近于0，而紊动并不会完全消失，所以他相信聚合物的移动对于紊动的保持有很大的帮助。

Meneveau等人将湍流的耗散谱与弹性能进行比较，结果显示，在最大减阻的渐进线上，聚合物的弹性能可与湍流动能相媲美。

上个世纪九十年代，伴随着计算机技术的飞速发展， Genees等人利用数值方法对单一各向异性紊流进行了深入的分析，并在一定条件下，高分子的含量很少，但却可以改变紊流的能量串级，进而改变紊流内部的漩涡结构，进而改变紊流各个层次上的能量输运。

该模型的提出，引起了关于高分子与湍流场相互作用的重大争议。在此基础上提出了一种新的降阻剂设计方法。

然而，目前关于其最大减阻机制的理论认识还不够深入，且大都停留在现象层面。

但是，由于在最大减阻的渐进面上，仍未得到充分的分层，使得该问题难以深入研究。这说明它具有一种有别于牛顿流体的独特的流动形态，且该形态下的湍流自我保持机制与牛顿流体的自我保持机制并不完全一致。

《Toms B A. On the early experiments on drag reduction by polymers[J]. The Physics of Fluids, 1977, 20(10): S3-S5. 》《Virk P S. Drag reduction fundamentals[J]. AIChE Journal, 1975, 21(4): 625-656.》《Joseph B. Psychic equilibrium and psychic change: Selected papers of Betty Joseph[M]. Psychology Press, 1989. 》