微孔陣列式繞回轉(zhuǎn)體氣泡減阻實(shí)驗(yàn)研究

黃磊， 彭雪明， 王生捷， 何春濤， 段磊

(北京機(jī)械設(shè)備研究所, 北京 100039)

微孔陣列式繞回轉(zhuǎn)體氣泡減阻實(shí)驗(yàn)研究

黃磊， 彭雪明， 王生捷， 何春濤， 段磊

(北京機(jī)械設(shè)備研究所, 北京 100039)

為了研究回轉(zhuǎn)體模型氣泡減阻變化規(guī)律，深入了解通氣兩相流場的流動(dòng)特性，采用高速攝像觀察系統(tǒng)及測力系統(tǒng)相結(jié)合，進(jìn)行了微孔陣列式繞回轉(zhuǎn)體氣泡減阻實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：根據(jù)氣泡沿下游發(fā)展過程中出現(xiàn)的不同流動(dòng)形態(tài)，可將通氣兩相流場劃分為3個(gè)區(qū)域：穩(wěn)定區(qū)、脈動(dòng)區(qū)、回流區(qū)；隨著通氣率的增加，穩(wěn)定區(qū)及脈動(dòng)區(qū)空泡份額增加，模型摩擦阻力持續(xù)減小，直至飽和通氣率；回流區(qū)分離點(diǎn)向下游移動(dòng)，尾部壓力增加，至突變臨界通氣率處，回流區(qū)流動(dòng)形態(tài)發(fā)生突變，流動(dòng)介質(zhì)由水氣混合轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w為主，致使尾部壓力出現(xiàn)突增，繼而導(dǎo)致氣泡減阻率出現(xiàn)突增。

兵器科學(xué)與技術(shù)； 回轉(zhuǎn)體； 氣泡減阻； 通氣率； 空泡份額

0 引言

摩擦阻力是制約水中航行器提升航速、增加航程的關(guān)鍵因素之一。所謂微氣泡減阻技術(shù)，就是在水中航行體表面注入氣體，在航行體固壁面及水之間形成均勻穩(wěn)定的氣體與液體兩相混合流薄層，通過改變流動(dòng)介質(zhì)的密度、黏度以及流動(dòng)形式，減小航行體的摩擦阻力?；谖馀轀p阻較好的減阻效果和較弱的環(huán)境響應(yīng)[1]，其被認(rèn)為是最有效的減阻方式之一。

1973年蘇聯(lián)學(xué)者M(jìn)cCormick等[2]利用電解產(chǎn)生氫氣泡的方法實(shí)現(xiàn)減阻，首次證實(shí)了微氣泡減阻的可行性。隨后國內(nèi)外學(xué)者針對微氣泡減阻展開了大量研究[3]，應(yīng)用對象主要集中在船舶減阻上，即利用平板模型展開研究。俄羅斯學(xué)者Evseev等[4]針對不同孔徑對減阻效果的影響進(jìn)行了研究，研究表明孔徑對減阻效果的影響很大；美國學(xué)者M(jìn)adavan等[5]對孔徑的研究得出了與俄羅斯學(xué)者相反的觀點(diǎn)；韓國學(xué)者Jinho等[6]采用通氣縫出流方式研究了流動(dòng)參數(shù)對減阻效果的影響；Sanders等[7]、Elbing等[8]研究了不同氣體出流方式下的阻力變化規(guī)律。國內(nèi)方面，傅慧萍等[9]研究了重力對平板氣泡減阻的影響特性，認(rèn)為重力對氣泡減阻效率影響較大；李杰等[10]探索了尺寸效應(yīng)及雷諾數(shù)對氣泡減阻的影響特性。而針對回轉(zhuǎn)體模型的研究，相對較少，主要有：美國學(xué)者Deutsch等[11]、Clark等[12]研究了軸向壓力梯度及氣體成分對回轉(zhuǎn)體摩擦阻力減阻效果的影響；董文才等[13]通過在回轉(zhuǎn)體模型首部及中部開孔的方式，研究了不同區(qū)域組合通氣對氣泡減阻效果的影響；陳顯文等[14]分析了噴氣速度、噴氣角度、孔隙率和重力對回轉(zhuǎn)體摩擦阻力的作用和影響。

針對回轉(zhuǎn)體模型，氣體的注入不僅會(huì)改變圓柱段表面區(qū)域的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，減小其摩擦阻力，同時(shí)也將改變模型尾部低壓區(qū)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，對模型的壓差阻力產(chǎn)生影響，從而改變總阻力的變化特性，而目前國內(nèi)外并未對該類現(xiàn)象展開研究。本文針對微孔陣列式繞回轉(zhuǎn)體模型，在封閉循環(huán)水洞中進(jìn)行氣泡減阻特性實(shí)驗(yàn)研究，并結(jié)合氣體與液體兩相流場及模型水動(dòng)力，分析了不同流場結(jié)構(gòu)下的阻力變化特性。

1 實(shí)驗(yàn)條件

本文涉及的實(shí)驗(yàn)在循環(huán)水洞[15]中完成，測試設(shè)備主要有六分力天平、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、高速攝像觀察系統(tǒng)及水下絕壓傳感器等。

本次實(shí)驗(yàn)采用流線型頭型和圓柱段組合模型，以降低流場擾流對氣泡減阻實(shí)驗(yàn)的影響。如圖1所示，模型長250 mm、直徑40 mm. 模型表面微孔孔徑為0.8 mm，沿軸向等距交錯(cuò)分布，共4排，排間距12 mm，首排孔距頭部40 mm；每排共8個(gè)，且沿圓周方向均勻布置。六分力天平安裝于模型尾部，并與水洞尾支撐段固定連接，天平測量誤差為±0.1 N. 模型尾部距軸線16 mm處安裝水下絕壓傳感器，壓力傳感器量程為0～100 kPa，線性精度0.2%FS.

圖1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.1 Experimental model

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了研究流動(dòng)參數(shù)對微孔陣列式繞回轉(zhuǎn)體通氣兩相流場及阻力變化特性的影響，本文采用雷諾數(shù)Re、當(dāng)?shù)乩字Z數(shù)Rex、通氣率Qv、減阻率DR(%)及壓力系數(shù)Cp作為無量綱參數(shù)。

雷諾數(shù)Re定義為

(1)

式中：v為水洞工作段流速；L為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ烷L度；υ為水的動(dòng)力黏度。

當(dāng)?shù)乩字Z數(shù)Rex定義為

(2)

式中：x為當(dāng)?shù)氐綄?shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ皖^部距離。

通氣量以無量綱通氣率系數(shù)Qv表示：

(3)

式中：Qin為通氣量；S為回轉(zhuǎn)體截面積。

減阻率[2]DR及壓力系數(shù)Cp定義為

(4)

(5)

式中：R為模型通氣情況下阻力；R0為模型不通氣情況下阻力；p為模型尾部壓力；ρ為液體密度。

2.1 微孔陣列式繞回轉(zhuǎn)體通氣兩相流形態(tài)結(jié)構(gòu)

經(jīng)微孔噴出的氣體在剪切流速的作用下向下游發(fā)展，根據(jù)發(fā)展過程中出現(xiàn)的不同流動(dòng)形態(tài)將流場劃分為穩(wěn)定區(qū)、脈動(dòng)區(qū)、回流區(qū)3個(gè)區(qū)域，如圖2所示。

圖2 通氣兩相流形態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Morphological structure of two-phase flows

1)穩(wěn)定區(qū)。該區(qū)位于噴氣孔的近后方，由于靠近頭部，當(dāng)?shù)乩字Z數(shù)較低，湍流切應(yīng)力可以忽略，黏性力起主導(dǎo)作用，流動(dòng)相對穩(wěn)定，因此氣泡緊貼壁面呈細(xì)長透明形態(tài)。

2)回流區(qū)。它位于模型尾部區(qū)域，不同流動(dòng)參數(shù)下呈現(xiàn)水氣混合形態(tài)及透明空泡形態(tài)。水氣混合形態(tài)如圖2(a)所示，氣泡在尾部低壓作用下形成回流，并與液相相互作用最終形成水氣劇烈摻混的云霧狀模糊形態(tài)，回流區(qū)流場較為紊亂，水氣混合邊界呈收縮橢圓形；透明空泡形態(tài)如圖2(b)所示，回流區(qū)水氣兩相流動(dòng)邊界無明顯收縮，流場內(nèi)部為透明空泡區(qū)，氣體為主導(dǎo)成分，空泡區(qū)外層仍為水氣兩相混合狀態(tài)，摻雜著大量細(xì)碎氣泡。

3)脈動(dòng)區(qū)。該區(qū)位于穩(wěn)定區(qū)與回流區(qū)之間。氣泡沿下游發(fā)展過程中當(dāng)?shù)乩字Z數(shù)逐漸增大，湍流切應(yīng)力作用隨之增強(qiáng)，導(dǎo)致細(xì)長透明氣泡分裂成大量細(xì)碎氣泡。細(xì)碎氣泡繼續(xù)向下游發(fā)展形成流動(dòng)帶，流動(dòng)帶內(nèi)氣泡與液相相互摻混，最終呈現(xiàn)均勻分布的水氣兩相混合狀態(tài)。流動(dòng)帶內(nèi)的氣泡存在劇烈的脈動(dòng)，向下游運(yùn)動(dòng)過程中流動(dòng)帶寬度緩慢增大。

2.2 流動(dòng)形態(tài)變化規(guī)律研究

本節(jié)通過研究不同雷諾數(shù)、通氣率下呈現(xiàn)的不同兩相流動(dòng)形態(tài)，分析微孔陣列式繞回轉(zhuǎn)體通氣流動(dòng)形態(tài)的變化規(guī)律。

圖3給出了雷諾數(shù)Re=1.49×106時(shí)，在不同通氣率下微孔陣列式繞回轉(zhuǎn)體通氣兩相流動(dòng)形態(tài)圖。從圖3可以看出：雷諾數(shù)一定時(shí)，隨著通氣率的不斷增大，通入流場中的氣體逐漸增加，圓柱段近壁區(qū)的空泡份額增加，穩(wěn)定區(qū)氣泡長度和直徑不斷增大，逐漸形成首尾相連的柳條狀氣泡；脈動(dòng)區(qū)氣泡體積增大，流動(dòng)帶的寬度和厚度增加，且始終為水氣兩相均勻分布的混合狀態(tài)。回流區(qū)存在突變臨界通氣率，當(dāng)通氣率Qv<0.025 6時(shí)，如圖3(a)、圖3(b)所示，尾部為水氣兩相劇烈摻混的云霧狀模糊形態(tài)，隨著通氣率的增大，尾部水氣交換加劇，透明性下降，水氣混合邊界有所鼓起，兩相混合流動(dòng)區(qū)域有所增大；當(dāng)通氣率Qv=0.025 6時(shí)，如圖3(c)所示，尾部流動(dòng)形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)部為水氣界面清晰的透明空泡，與此同時(shí)透明空泡外表層附有大量細(xì)碎氣泡，附著氣泡仍存在劇烈的脈動(dòng)，與液相摻混降低了空泡的透明性；當(dāng)通氣率Qv>0.025 6時(shí)，繼續(xù)增加通氣率，附著在透明空泡外表層的脈動(dòng)氣泡體積增大。

圖3 通氣率對流動(dòng)形態(tài)影響對比圖(雷諾數(shù) Re=1.49×106)Fig.3 Morphological structure of two-phase flows at different air entrainment rates(Re=1.49×106)

圖4給出了雷諾數(shù)Re=2.48×106時(shí)，在不同通氣率下微孔陣列式繞回轉(zhuǎn)體通氣兩相流動(dòng)形態(tài)圖。由圖4可見，隨著通氣率的不斷增大，圓柱段近壁區(qū)的空泡份額逐漸增加，回流區(qū)同樣存在突變臨界通氣率，雷諾數(shù)Re=2.48×106狀態(tài)下流動(dòng)形態(tài)隨通氣率的變化過程與雷諾數(shù)Re=1.49×106狀態(tài)下相似。當(dāng)雷諾數(shù)Re=1.49×106、通氣率為0.025 6時(shí)，回流區(qū)為透明空泡形態(tài)；當(dāng)雷諾數(shù)Re=2.48×106、通氣率為0.027時(shí)，回流區(qū)為透明空泡形態(tài)；這表明雷諾數(shù)Re=1.49×106時(shí)，回流區(qū)流動(dòng)更容易從云霧狀模糊形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥该骺张菪螒B(tài)。

圖4 通氣率對流動(dòng)形態(tài)影響對比圖(雷諾數(shù) Re=2.48×106)Fig.4 The morphological structure of two-phase flows at different air entrainment rates(Re=2.48×106)

2.3 水動(dòng)力變化規(guī)律研究

為探究微孔陣列式繞回轉(zhuǎn)體通氣兩相流水動(dòng)力的變化規(guī)律，研究中采用減阻率及模型尾部壓力系數(shù)，分析雷諾數(shù)Re及通氣率Qv對水動(dòng)力的影響特性。

圖5(a)給出了雷諾數(shù)Re=1.49×106情況下氣泡減阻率隨通氣率的變化曲線。由圖5(a)分析可知，在雷諾數(shù)Re=1.49×106下，采用微孔陣列出流方式可有效降低實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ退枇Γ罡邷p阻率達(dá)到40%. 通氣率Qv是氣泡減阻主要影響因素之一，減阻率隨通氣率的增加而增大，且存在突變臨界通氣率及飽和通氣率。當(dāng)通氣率小于突變臨界通氣率時(shí)，隨通氣率的增加，減阻率曲線變化較為平緩；當(dāng)通氣率達(dá)到突變臨界通氣率時(shí)，尾部流動(dòng)突變?yōu)橥该骺张菪螒B(tài)，減阻率的增長幅度發(fā)生突增；當(dāng)通氣率大于突變臨界通氣率時(shí)，隨著通氣率的增加，氣泡減阻率仍有增加，增幅明顯放緩；直至飽和通氣率，減阻率達(dá)到最大值，繼續(xù)增加通氣率，減阻率變化不明顯，甚至有所下降。

圖5(b)、圖5(c)分別給出了雷諾數(shù)Re=2.03×106、2.48×106情況下氣泡減阻率隨通氣率的變化曲線。對比圖5(a)發(fā)現(xiàn)，雷諾數(shù)Re=2.03×106、2.48×106下減阻率曲線變化趨勢與雷諾數(shù)Re=1.49×106下相似，同樣存在突變臨界通氣率及飽和通氣率，最高減阻率均達(dá)到40%. 研究認(rèn)為，在現(xiàn)有雷諾數(shù)范圍內(nèi)，雷諾數(shù)對氣泡減阻效果影響不明顯。

為了進(jìn)一步研究水動(dòng)力變化規(guī)律，分析在突變臨界通氣率處減阻率出現(xiàn)明顯增長的原因，圖6分別給出了雷諾數(shù)Re=1.49×106、2.03×106、2.48×106下，尾部壓力系數(shù)隨通氣率的變化曲線。由圖6分析可知，3種雷諾數(shù)下尾部壓力系數(shù)隨通氣率的變化規(guī)律相似，說明雷諾數(shù)對尾部壓力系數(shù)變化趨勢的影響不明顯。當(dāng)通氣率小于突變臨界通氣率時(shí)，隨著通氣率的增加，尾部壓力系數(shù)總體呈上升趨勢，變化幅度較小；在突變臨界通氣率處，尾部壓力系數(shù)出現(xiàn)突增；隨后繼續(xù)增加通氣率，尾部壓力系數(shù)無明顯變化。

圖5 通氣率對減阻率的影響Fig.5 Drag rate versus air entrainment coefficient for Re=1.49×106，2.03×106 and 2.48×106

圖6 通氣率對尾部壓力系數(shù)的影響Fig.6 Tail pressure coefficient versus air entrainment coefficient for Re=1.49×106，2.03×106 and 2.48×106

結(jié)合兩相流動(dòng)形態(tài)、阻力系數(shù)及尾部壓力系數(shù)變化特性，進(jìn)一步研究認(rèn)為，當(dāng)通氣率小于突變臨界通氣率時(shí)，氣體的通入一方面增加了穩(wěn)定區(qū)及脈動(dòng)區(qū)的空泡份額，有效降低模型表面摩擦阻力；另一方面由于模型尾部存在間斷面，導(dǎo)致繞流在尾部出現(xiàn)流動(dòng)分離，繼而產(chǎn)生回流區(qū)，而氣體的通入增加了回流區(qū)流體的動(dòng)能，從而引起尾部繞流分離點(diǎn)向下游移動(dòng)，氣體與液體兩相混合流動(dòng)區(qū)域增大，尾部回流區(qū)泡內(nèi)壓力增加，繼而降低了模型壓差阻力，這與經(jīng)典的流動(dòng)分離理論相似。因此認(rèn)為，當(dāng)通氣率小于突變臨界通氣率時(shí)，隨著通氣率的增加，模型摩擦阻力及壓差阻力均有所降低，繼而引起減阻率平緩上升。隨著通入流場氣體流量的增加，尾部回流區(qū)泡內(nèi)壓力增大，空化數(shù)減小，當(dāng)通氣量達(dá)到通氣超空泡臨界通氣率即突變臨界通氣率時(shí)，回流區(qū)流場特性由水氣混合形態(tài)突變?yōu)橥该骺张菪螒B(tài)，流動(dòng)介質(zhì)由水氣混合轉(zhuǎn)化為氣體主導(dǎo)，從而引起尾部泡內(nèi)壓力出現(xiàn)突增，模型壓差阻力明顯降低，繼而引起減阻率出現(xiàn)突增現(xiàn)象。繼續(xù)增加通氣率，回流區(qū)流場形態(tài)變化不明顯，尾部壓力亦無明顯變化，而穩(wěn)定區(qū)與脈動(dòng)區(qū)空泡份額仍繼續(xù)增加，引起摩擦阻力進(jìn)一步減小，直至飽和通氣率，空泡份額的增加不再對摩擦阻力有明顯影響，減阻率達(dá)到最大值。

3 結(jié)論

本文針對微孔陣列式繞回轉(zhuǎn)體模型，在封閉循環(huán)水洞中進(jìn)行了氣泡減阻特性實(shí)驗(yàn)研究，分析了不同雷諾數(shù)Re、通氣率Qv對通氣流動(dòng)形態(tài)及水動(dòng)力的影響。研究結(jié)論如下：

1) 根據(jù)氣泡沿下游發(fā)展過程中出現(xiàn)的不同流動(dòng)形態(tài)，可將流場劃分為3個(gè)區(qū)域：穩(wěn)定區(qū)、脈動(dòng)區(qū)、回流區(qū)。

2) 隨著通氣率的增加穩(wěn)定區(qū)及脈動(dòng)區(qū)空泡份額增加，回流區(qū)分離點(diǎn)向下游移動(dòng)，模型摩擦阻力及壓差阻力持續(xù)減??；至突變臨界通氣率處，回流區(qū)流動(dòng)形態(tài)發(fā)生突變，流動(dòng)介質(zhì)由水氣混合轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w為主，致使尾部壓力出現(xiàn)突增，繼而引起氣泡減阻率出現(xiàn)突增；繼續(xù)增加通氣率，尾部壓力無明顯變化，穩(wěn)定區(qū)及脈動(dòng)區(qū)空泡份額繼續(xù)增加，引起模型摩擦阻力進(jìn)一步減小，直至飽和通氣率，空泡份額的增加不再對摩擦阻力有明顯影響，減阻率達(dá)到最大值。

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Experimental Study of Bubble Drag Reduction with Micro-hole Array on an Axisymmetric Model

HUANG Lei, PENG Xue-ming, WANG Sheng-jie, HE Chun-tao, DUAN Lei

(Beijing Mechanical Equipment Institute, Beijing 100039， China)

To explore the bubble drag reduction of axisymmetric model and understand the characteristics of two-phase flows, the bubble drag reduction with micro-hole array on an axisymmetric model is experimented by using a high speed camera system and a force-measuring system. The experimental results show that the two-phase flow field can be divided into three regions, i.e., stable region, pulsating region and recirculation region, according to the different flow patterns of bubbles in the process of their development. With the increase in ventilation rate, the void fractions in the stable region and the pulsating region increase, and the friction resistance of the model decreases continuously until a saturated ventilation rate is achieved. The flow separation point of recirculation region moves downstream and the tail pressure increases as air entrainment coefficient increases. The flow pattern of the recirculation zone changes at the critical ventilation rate, and the flowing medium is changed from water- gas mixture into gas, which results in a sudden increase in the tail pressure, thereby leading to the sudden increase in the bubble drag reduction.

ordnance science and technology; axisymmetric model; ventilation rate; bubble drag reduction; void fraction

2016-06-16

黃磊(1989—)，男，博士研究生。 E-mail: 411576734@qq.com

彭雪明(1963—)，男，研究員。 E-mail: pxm298@163.com

TJ630.1

A

1000-1093(2017)02-0313-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.02.015