平板氣膜減阻試驗(yàn)研究

伍 銳， 沈 浩， 季 盛， 劉 恒， 姚 炎

(1.上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200135；2.北京機(jī)電工程研究所，北京 100074)

平板氣膜減阻試驗(yàn)研究

伍 銳1， 沈 浩1， 季 盛1， 劉 恒1， 姚 炎2

(1.上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200135；2.北京機(jī)電工程研究所，北京 100074)

為驗(yàn)證氣膜的減阻效果，對(duì)平板氣膜減阻效果進(jìn)行試驗(yàn)研究。介紹平板氣膜減阻試驗(yàn)平臺(tái)和試驗(yàn)研究過(guò)程，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行無(wú)量綱化處理;同時(shí),定義表征流速和空氣流量特性的水氣流量系數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)：存在臨界水氣流量系數(shù)，當(dāng)水氣流量系數(shù)小于該臨界值時(shí),摩擦阻力系數(shù)可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式求??；當(dāng)水氣流量系數(shù)大于該臨界值時(shí),摩擦阻力系數(shù)趨近于非0常數(shù)，而氣膜覆蓋區(qū)摩擦阻力系數(shù)趨近于0。

減阻；氣膜；摩擦阻力；水氣流量系數(shù)

0 引 言

通過(guò)向船底表面充氣,使其形成氣膜，可改變船底表面的湍流邊界層，減小其摩擦阻力系數(shù)[1-4]。這里以平板為研究對(duì)象,對(duì)氣模減阻效果進(jìn)行定量研究。開(kāi)發(fā)一套半平板摩擦阻力氣膜減阻試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行平板摩擦阻力氣膜減阻測(cè)量試驗(yàn)。通過(guò)分析試驗(yàn)結(jié)果，得出平板摩擦阻力氣膜減阻的相關(guān)結(jié)論。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 氣膜減阻試驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路

平板所受的阻力包括摩擦阻力和壓差阻力，氣膜主要減小摩擦阻力，對(duì)壓差阻力的減小作用不大。當(dāng)平板表面完全被氣膜覆蓋時(shí)，平板所受的摩擦阻力相比壓差阻力較小，導(dǎo)致氣膜的減阻效果被壓差阻力掩蓋。為去除壓差阻力對(duì)氣膜減阻效果的影響，開(kāi)發(fā)一套平板摩擦阻力氣膜減阻試驗(yàn)平臺(tái)。

1.2 氣膜減阻試驗(yàn)平臺(tái)介紹

平板摩擦阻力氣膜減阻試驗(yàn)平臺(tái)由前后支段和平行中段組成(見(jiàn)圖1)。平臺(tái)為鋁合金材質(zhì)，表面作陽(yáng)極化處理，總長(zhǎng)為1 514 mm(包括前后支撐段，前后支撐段有導(dǎo)圓過(guò)渡)，寬為305 mm，厚為40 mm。平行中段長(zhǎng)為1 410 mm，寬為305 mm，厚為40 mm。前支撐段和后支撐段固定在空泡水洞壁上，平行中段通過(guò)4個(gè)單分量測(cè)力天平與前后支撐段連接。當(dāng)水流流經(jīng)該平臺(tái)時(shí),4個(gè)天平只測(cè)量平板的摩擦阻力。單分量測(cè)力天平的量程均為50 N，非線(xiàn)性誤差<0.5%。

為確保測(cè)力時(shí)平行中段與前支撐段、后支撐段和洞壁無(wú)接觸，平行中段與前支撐段、后支撐段及洞壁均有2 mm的間隔。

為使平板表面形成穩(wěn)定的氣膜層，上表面和下表面各9排充氣孔，每排25個(gè)直徑為1 mm的充氣孔，相鄰2排充氣孔的間距為150 mm，同排充氣孔的間距為10 mm，每排充氣孔總長(zhǎng)為240 mm，充氣孔的分布位置見(jiàn)圖2。每排充氣孔內(nèi)都布置有獨(dú)立的氣腔，氣腔與充氣氣源獨(dú)立連接(見(jiàn)圖3)。供氣系統(tǒng)見(jiàn)圖4。

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1 無(wú)氣膜平板摩擦阻力試驗(yàn)

為分析充氣時(shí)氣膜的減阻效果，首先進(jìn)行無(wú)氣膜平板摩擦阻力試驗(yàn)?；诳张菟葱阅埽囼?yàn)水速范圍取為4～10 m/s，水溫為8 °C,由天平測(cè)得不同水速下的平板總阻力。

在無(wú)氣膜工況下，平板摩擦阻力系數(shù)可由普朗德-許立汀半經(jīng)驗(yàn)公式求取。

(1)

(2)

圖5 無(wú)氣膜平板摩擦阻力系數(shù)半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較

式(1)和式(2)中：L為平行中段長(zhǎng),1 410 mm；S為平行中段有效濕表面積,上下表面積1 410×305×2+外側(cè)面積1 410×40，總面積91 650 mm2；Re為雷諾數(shù)；Cf為摩擦阻力系數(shù)；Rf為摩擦阻力；ρ為水的密度,998 kg/m3；ν為水的運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù),1.384 710×10-6m2/s；V為水速。由圖5可知，無(wú)量綱化后平板阻力系數(shù)與半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果非常接近，相對(duì)偏小。這是由于平板一側(cè)緊貼空泡水洞洞壁(相對(duì)距離僅2 mm)，洞壁一側(cè)水速偏低，造成試驗(yàn)結(jié)果偏小。

當(dāng)充氣時(shí)，上表面和下表面的最理想氣膜覆蓋區(qū)域?yàn)? 336.5 mm×240 mm的矩形。該區(qū)域未充氣時(shí)的摩擦阻力與總摩擦阻力的比值等于該區(qū)域面積與平行中段濕表面積的比值。為分析氣膜減阻的真實(shí)效果，列出該區(qū)域未充氣工況下平板的摩擦阻力(見(jiàn)表1)。充氣后平板摩擦阻力的降低值可視為該區(qū)域的氣膜減阻效果，而氣膜區(qū)域以外平板的摩擦阻力基本不變。

表1 無(wú)氣膜平板摩擦阻力

2.2 平板上表面、下表面氣膜減阻比較試驗(yàn)

為探究平板上表面、下表面氣膜減阻效果的差異，設(shè)定總充氣流量為847.8 L/min(單管94.2 L/min)，先進(jìn)行上表面全充氣的氣膜減阻試驗(yàn)，再進(jìn)行下表面全充氣的氣膜減阻試驗(yàn),摩擦阻力測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2?？諝饬髁肯禂?shù)CQ和氣膜減阻效果CE定義為

(3)

(4)

式(3)和式(4)中：d為通氣圓孔直徑，0.001 m；SG為通氣圓孔面積；Q為通氣流量；νa為空氣運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)，1.48×10-5；CNG為無(wú)充氣的氣膜覆蓋區(qū)阻力系數(shù)；CG為充氣的氣膜覆蓋區(qū)摩擦阻力系數(shù)。該工況下CQ=5.405×106，分析試驗(yàn)結(jié)果得到以下結(jié)論:

1) 低雷諾數(shù)較低時(shí),上表面氣膜減阻效果≈0，這是因?yàn)樯媳砻鏆饽ど细∶撾x平板表面，不能形成穩(wěn)定的氣膜層;

2) 雷諾數(shù)較高時(shí)，相同空氣流量系數(shù)下平板上表面氣膜上浮效應(yīng)降低，可形成較穩(wěn)定的氣膜層，氣膜減阻效果可達(dá)到60.587%；

3) 試驗(yàn)選擇下表面為研究對(duì)象，可避免氣膜上浮造成的影響，同時(shí)能模擬船底表面充氣。

表2 上表面、下表面全充氣氣膜減阻效果

2.3 雷諾數(shù)不同和空氣流量系數(shù)不同時(shí)下表面氣膜減阻試驗(yàn)

選取4個(gè)不同的來(lái)流水速和8個(gè)不同的空氣流量(含無(wú)充氣工況)，分別對(duì)平板下表面的平板摩擦阻力進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同工況下表面全充氣的氣膜減阻試驗(yàn)結(jié)果

不同空氣流量系數(shù)下平板總摩擦阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖6。在相同的空氣流量系數(shù)下，當(dāng)CQ<2.027×106時(shí)Cf受雷諾數(shù)的影響較小，總摩擦阻力系數(shù)基本保持不變；當(dāng)CQ≥2.027×106時(shí)，雷諾數(shù)越高,總摩擦阻力系數(shù)越大。

不同雷諾數(shù)下平板總摩擦阻力系數(shù)隨空氣流量系數(shù)的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖7。在相同雷諾數(shù)下,平板總摩擦阻力系數(shù)均隨空氣流量系數(shù)的增大而減小。

不同雷諾數(shù)下減阻效果CE隨空氣流量系數(shù)CQ的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖8。在相同雷諾數(shù)下,氣膜減阻效果均隨CQ的增大而增大。當(dāng)Re=4.073×106，CQ≥4.730×106時(shí)，減阻效果達(dá)到100%。

綜合上述分析,摩擦阻力系數(shù)為雷諾數(shù)和空氣流量系數(shù)的函數(shù)。定義水氣流量系數(shù)Cm=CQ/Re。當(dāng)Cm=0時(shí)，CQ=0，摩擦阻力系數(shù)可用普朗德-許立汀的摩擦阻力系數(shù)半經(jīng)驗(yàn)公式求得。當(dāng)雷諾數(shù)一定時(shí)，摩擦阻力系數(shù)隨著Cm的增大而減小，且存在臨界值Cmcr，當(dāng)Cm≥Cmcr時(shí)Cf趨近于常數(shù)，CG則趨近于0(見(jiàn)圖9和圖10)。用摩擦阻力系數(shù)概率密度函數(shù)對(duì)該規(guī)律進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，引入經(jīng)驗(yàn)系數(shù)a,b和c，阻力系數(shù)Cf與Cm間的關(guān)系為

(5)

(6)

式(5)和式(6)中：當(dāng)a=1.094，b=-2.760，c=1.872時(shí)，確定系數(shù)為0.903 8，擬合效果較好。由試驗(yàn)結(jié)果可知Cmcr=1.161。Cm≥Cmcr時(shí)，Cf≈(1.872±0.01)×10-3。

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行無(wú)量綱分析，得到以下結(jié)論。

1) 雷諾數(shù)相同時(shí)，平板下表面總摩擦阻力系數(shù)隨空氣流量系數(shù)的增加而減小；空氣流量系數(shù)相同時(shí)，下表面總摩擦阻力系數(shù)Cf在CQ<2.027×106時(shí)受雷諾數(shù)的影響較小，在CQ≥2.027×106時(shí)隨雷諾數(shù)的增大而增大。

2) 當(dāng)Cm=0時(shí)，摩擦阻力系數(shù)可根據(jù)普朗德-許立汀的摩擦阻力系數(shù)半經(jīng)驗(yàn)公式求取；同時(shí),存在臨界水氣流量系數(shù)Cmcr=1.161，當(dāng)Cm

[1] 伍銳,沈浩,季盛,等.平板摩擦阻力氣膜減阻試驗(yàn)研究[C]//中國(guó)造船工程學(xué)會(huì).船舶力學(xué)學(xué)術(shù)委員會(huì)測(cè)試技術(shù)學(xué)組2016年學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.北京:中國(guó)造船工程學(xué)會(huì),2016:325-332.

[2] 陳洋.氣膜減阻試驗(yàn)研究[J].上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所學(xué)報(bào),2006,29(1):1-5.

[3] 蔡金琦. 船舶薄層氣膜減阻技術(shù)的試驗(yàn)和應(yīng)用[J].中國(guó)造船,2000,41(3):9-13.

[4] 遲衛(wèi),姚熊亮,石侃,等.船舶氣幕減阻技術(shù)現(xiàn)狀研究展望[J].中國(guó)航海,2006,28(1):1-4.

Experimental Study of Flat-Plate Drag Reduction by Gas Layer

WURui1,SHENHao1,JISheng1,LIUHeng1,YAOYan2

(1. State Key Laboratory of Navigation and Safety Technology, Shanghai Ship & Shipping Research Institute, Shanghai 200135, China;2. Beijing Electromechanic Engineering Institute, Beijing 100074, China)

In order to explore the effect of the gas layer on reducing resistance, experimental study of flat-plate drag reduction by gas layer has been carried out in SSSRI cavitation tunnel. The testing platform and process are described in details and the experimental data has been processed by means of non-dimension anslysis method. A comprehensive non-dimension Liquid-Gas flow cofficientCmhas been defined to express the effect of the flow velocity and air mass flow. It is found that under conditionCm

drag redction; gas layer; frecition resisitance; liquid-gas flow coefficient

2016-08-22

伍 銳(1983—)，男,四川內(nèi)江人,助理研究員,碩士,主要從事空泡水動(dòng)力試驗(yàn)研究。

1674-5949(2017)01-0001-05

U661.1

A