水下航行體減阻技術(shù)綜述

崔乃剛，陳 亮，曹伽牧，白瑜亮

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院，哈爾濱 150001)

0 引言

空/水跨介質(zhì)飛行器近期受到廣泛關(guān)注，飛行器經(jīng)空中飛抵目標(biāo)水域后高速入水，對(duì)目標(biāo)實(shí)施快速打擊，可大幅提高攻擊隱蔽性，提升突防能力。水下航行過(guò)程中，航行體固/液界面阻力不僅嚴(yán)重影響航行速度，還可引發(fā)航行體迎、背水面?zhèn)认蛄Σ黄胶?。兩?cè)受力不均會(huì)使航行體質(zhì)心之上產(chǎn)生側(cè)向合力并形成縱傾力矩，從而導(dǎo)致航行體失穩(wěn)[1-2]。此外，在復(fù)雜來(lái)流環(huán)境下的固/液界面繞流流場(chǎng)變化劇烈，導(dǎo)致流體動(dòng)力及載荷產(chǎn)生強(qiáng)烈變化，極易引起航行體結(jié)構(gòu)破壞或姿態(tài)失穩(wěn)。因此，減小航行體表面阻力干擾、繞流流場(chǎng)優(yōu)化是保障水下高速穩(wěn)定航行的關(guān)鍵[3-5]。研究表明一些減阻技術(shù)對(duì)于減小阻力及緩解航行體失穩(wěn)具有明顯作用。深入研究水下固/液界面減阻技術(shù)對(duì)于提高水下航行體航行速度和穩(wěn)定性具有重要意義。

為了探索可用于水下高速航行體的減阻方法，本文對(duì)微結(jié)構(gòu)減阻、超疏水表面減阻、超空泡減阻和微氣泡減阻4種最具代表性的減阻方法進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，分析了各減阻方法的機(jī)理和應(yīng)用可行性，探討了未來(lái)水下高速航行體減阻技術(shù)的發(fā)展方向。

1 微結(jié)構(gòu)減阻

1.1 微結(jié)構(gòu)減阻研究簡(jiǎn)述

表面微結(jié)構(gòu)減阻技術(shù)是一種憑借改變物體表面微結(jié)構(gòu)形狀實(shí)現(xiàn)減阻的技術(shù)。微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路起初大多來(lái)自海洋生物表皮結(jié)構(gòu)，人們通過(guò)觀察劍魚(yú)、鯊魚(yú)等能在水下快速移動(dòng)的生物，發(fā)現(xiàn)它們的表面具有粗糙的特殊微結(jié)構(gòu)。人們通過(guò)模擬這些生物皮膚表面的微結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)固/液界面的減阻效果，進(jìn)一步通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真對(duì)微結(jié)構(gòu)的形態(tài)、分布、幾何參數(shù)以及相應(yīng)減阻機(jī)理進(jìn)行了大量的研究。20世紀(jì)80年代起，NASA以航空器為研究對(duì)象，通過(guò)大量的試驗(yàn)研究解釋了突出高度理論等溝槽條紋減阻機(jī)理，并且得出了溝槽條紋最多可以產(chǎn)生約8%減阻效果[6]的結(jié)論。Bacher等先后在1985年和1997年提出了二次渦理論和肋條高度為相鄰肋條間距的1/2時(shí)有最佳減阻效果[7]的結(jié)論。隨著3D打印技術(shù)的興起，2014年，Lauder課題組利用3D打印技術(shù)復(fù)制了鯊魚(yú)皮結(jié)構(gòu)并制作了一個(gè)含有打印鯊魚(yú)皮的游動(dòng)裝置，并發(fā)現(xiàn)其游動(dòng)速度相對(duì)于平常的游動(dòng)裝置提升了6.6%[8]。

最典型的減阻結(jié)構(gòu)是復(fù)制鯊魚(yú)表皮的齒結(jié)構(gòu)，鯊魚(yú)體表的齒結(jié)構(gòu)稱(chēng)為盾鱗(placoid scales)。盾鱗的長(zhǎng)度通常為100～200 μm，肋條間的寬度為50～100 μm。盾鱗上的這種肋條結(jié)構(gòu)能夠優(yōu)化鯊魚(yú)體表流體邊界層的流體結(jié)構(gòu)，抑制和延遲紊流的發(fā)生，有效減小水體阻力[9]。這種齒結(jié)構(gòu)由外層和內(nèi)層組成：外層由琺瑯質(zhì)構(gòu)成，內(nèi)層為堅(jiān)硬的骨骼結(jié)構(gòu)，共同構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的脊?fàn)?D系統(tǒng)[10]，不同身體位置的帽頭鯊皮膚表面的環(huán)境掃描電子顯微鏡圖像如圖1(a)所示。通過(guò)改變齒的角度、形狀及尺寸，可獲得不同的減阻效果，依此即可對(duì)表面齒結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化以達(dá)到更優(yōu)的減阻效果。目前，通過(guò)制造鯊魚(yú)皮表面齒結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)減阻已取得了較為可觀的成果。如Qin等[11]的研究得出：這種優(yōu)化的鯊魚(yú)皮齒表面結(jié)構(gòu)相對(duì)平盤(pán)結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)36.7%的減阻效果。然而鯊魚(yú)表皮的齒結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以大規(guī)模生產(chǎn)，因此采用簡(jiǎn)化齒結(jié)構(gòu)是一個(gè)可行的方案。這種簡(jiǎn)化的齒結(jié)構(gòu)截面形狀包括三角形、梯形、圓形、矩形、波浪形、V形等[12-14]，如圖1(b)所示。這些微結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸等特征參數(shù)同樣會(huì)影響其在一定的條件下(如流體介質(zhì)和流體速度)的減阻能力[15]。目前設(shè)計(jì)比較成功的簡(jiǎn)化齒結(jié)構(gòu)有V形[16]、波浪形[17]、球形[18]等，均取得了與鯊魚(yú)皮齒結(jié)構(gòu)類(lèi)似的減阻效果。

除了鯊魚(yú)之外，其他海洋生物的表皮結(jié)構(gòu)也具有很大的參考價(jià)值。如歐洲黑鱸，其鱗片結(jié)構(gòu)(如圖1(c ))可以保持魚(yú)體表面的層流效果以減小體表摩擦阻力[19]。Rong等的研究即參考該結(jié)構(gòu)，取得了可觀的減阻效果[20]。另外，河豚體表的刺狀結(jié)構(gòu)也被用來(lái)作為減阻結(jié)構(gòu)的參考，該結(jié)構(gòu)(圖1(d))具有可通過(guò)產(chǎn)生回流渦減小黏滯阻力的特點(diǎn)[21-22]。在此基礎(chǔ)上，Zhou等[23]的研究發(fā)現(xiàn)錯(cuò)開(kāi)排列、高度為0.2 mm的刺狀結(jié)構(gòu)減阻效果最好，其表面阻力比平面結(jié)構(gòu)的小5.9%。為進(jìn)一步提高傳統(tǒng)簡(jiǎn)化仿生表面結(jié)構(gòu)的減阻率，Wang等[24]提出了一種在傳統(tǒng)矩形槽微結(jié)構(gòu)之間嵌套小槽結(jié)構(gòu)，旨在改善傳統(tǒng)周期性單層槽表面結(jié)構(gòu)的性能，如圖1(e)所示。最終發(fā)現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的溝槽表面結(jié)構(gòu)相比，表面積進(jìn)一步減小，最大減阻率達(dá)到18.76%。Lin等[25]參考海豚紋設(shè)計(jì)出了另一種層次式褶皺結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)上的大小褶皺相互垂直，如圖1(f)所示。由于平行于水流流動(dòng)方向的大褶皺可以減小黏性阻力，垂直于流動(dòng)方向的小褶皺可以顯著減小大褶皺引導(dǎo)的壓力阻力，兩者的協(xié)同作用可使減阻率達(dá)到8.6%。

(a) 鯊魚(yú)皮仿生表面齒結(jié)構(gòu)[8]

(b) 簡(jiǎn)化鯊魚(yú)皮齒結(jié)構(gòu)[14]

(c) 歐洲鱸魚(yú)鱗片結(jié)構(gòu)[19]

(d) 河豚體表刺結(jié)構(gòu)[21]

(e) 單層槽表面結(jié)構(gòu)[24]

(f) 層次式褶皺結(jié)構(gòu)[25]

1.2 表面微結(jié)構(gòu)減阻機(jī)理

為設(shè)計(jì)更有效的減阻結(jié)構(gòu)，關(guān)于微結(jié)構(gòu)減阻的理論支持是必要的，各種微結(jié)構(gòu)減阻機(jī)理也被提出。在湍流中，當(dāng)動(dòng)物或物體在流體中快速移動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生渦流，從而導(dǎo)致阻力增大。但溝紋表面剪切應(yīng)力小于光滑表面的現(xiàn)象引起了學(xué)者們的關(guān)注。Bechert等[26]提出的突出高度理論強(qiáng)調(diào)在縱向流源和橫向流源之間存在突出高度差，從而增加溝槽對(duì)橫向流的束縛和對(duì)動(dòng)量傳遞程度的限制，減小壁面剪切應(yīng)力。另一方面，Bixler等[2]認(rèn)為溝槽促成的各向異性流動(dòng)和渦流在近壁面邊界層的抬升是摩擦阻力減小的原因之一。Choi等[27]的數(shù)值模擬結(jié)果表明，微結(jié)構(gòu)減阻機(jī)理是溝槽的微間距限制了那些接觸高速流體的區(qū)域，如圖2(a)所示。此外，F(xiàn)u等[28]認(rèn)為邊坡表面的黏滯阻力減小是由于回流現(xiàn)象的存在，如圖2(b)所示，這一觀點(diǎn)也得到了相關(guān)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。但到目前為止，還沒(méi)有完整的理論和實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛉娼沂疚⒔Y(jié)構(gòu)減阻機(jī)理，微結(jié)構(gòu)減阻機(jī)理的研究仍有待深入。

(a)溝紋增阻與減阻機(jī)理[27]

(b)展開(kāi)向溝槽減阻機(jī)理[28]圖2 表面結(jié)構(gòu)減阻機(jī)理示意圖Fig.2 Schematic diagram of the surface structure drag reduction

1.3 表面微結(jié)構(gòu)減阻的應(yīng)用展望

表面微結(jié)構(gòu)減阻法受到了各國(guó)科研工作者和工業(yè)界人士的關(guān)注。目前，基于鯊魚(yú)、海豚等生物的表面微結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)者采用了多種制造技術(shù)，已制備多種不同的減阻微結(jié)構(gòu)，并獲得良好的減阻效果。Oeffner等[29]使用了一種撲翼箔設(shè)備來(lái)精確測(cè)定由鯊魚(yú)皮表面微結(jié)構(gòu)制成的剛性和柔性膜狀箔片的自推進(jìn)游泳速度及其運(yùn)動(dòng)性能。結(jié)果表明鯊魚(yú)皮表面微結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了前緣吸力，能夠有效增強(qiáng)推力，并減小阻力。目前，鯊魚(yú)皮表面微結(jié)構(gòu)已實(shí)際應(yīng)用于泳衣中。然而，表面微結(jié)構(gòu)減阻法在剛性表面的應(yīng)用仍面臨挑戰(zhàn)，對(duì)于一些復(fù)雜的應(yīng)用情況，尤其是水下高速航行減阻應(yīng)用方面仍然存在許多問(wèn)題[30-31]，微結(jié)構(gòu)的壽命及穩(wěn)定性尚不足以支持該類(lèi)應(yīng)用需求，還需要開(kāi)展更廣泛、更深入的研究，短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)在水下高速航行體上的應(yīng)用。

2 超疏水表面減阻

2.1 超疏水表面減阻研究簡(jiǎn)述

一般以表面與水滴的接觸角大于150°作為評(píng)判超疏水表面的依據(jù)[32]。超疏水表面在20世紀(jì)初被發(fā)現(xiàn)，直到1997年，Neinhuis等[33]、Barthlott等[34]才對(duì)“荷葉效應(yīng)”進(jìn)行了深入解釋。自此，對(duì)自然界中超疏水現(xiàn)象的觀察引起了人們的興趣與關(guān)注，如圖3(a)所示[35]。隨著超疏水表面技術(shù)的不斷發(fā)展，在流體減阻方面的應(yīng)用引起了研究者的極大興趣。

研究者對(duì)形貌有規(guī)律的超疏水表面進(jìn)行了大量的研究，制備和測(cè)試如圖3(b)和(c)所示的微槽和微柱[36]，這有助于從物理角度理解表面形貌與流體流動(dòng)行為之間的關(guān)系。當(dāng)水在微/納米結(jié)構(gòu)的超疏水表面流動(dòng)時(shí)，超疏水表面上的水滴無(wú)法填滿(mǎn)粗糙表面上的凹槽結(jié)構(gòu)，在流動(dòng)的水下方仍有空氣存在，水滴和超疏水表面的接觸面實(shí)際上是固液氣三相接觸面，如圖3(d)所示。超疏水表面氣膜的存在是減阻技術(shù)生效的必要前提，在此條件下超疏水表面和液體之間可產(chǎn)生一定的滑移速度，即滑移現(xiàn)象(如圖3(e))，最終導(dǎo)致減阻效果的實(shí)現(xiàn)(如圖3(f))。但實(shí)際情況下氣膜會(huì)受到多種環(huán)境變量影響而消失，因此大多數(shù)超疏水減阻技術(shù)的研究成果僅僅在實(shí)驗(yàn)室條件下有效[37]。

(a) 荷葉的超疏水現(xiàn)象[35]

(b) 形貌有規(guī)律超疏水表面示意圖[36]

(c) 形狀和粗糙度隨機(jī)分布的超疏水表面示意圖[36]

(d) 超疏水表面液滴潤(rùn)濕狀態(tài)

(e) 滑移表面與傳統(tǒng)無(wú)滑移邊界對(duì)比

(f) 超疏水表面滑移流動(dòng)示意圖3 超疏水表面形貌及滑移流動(dòng)示意圖Fig.3 Superhydrophobic surface morphology and slip flow diagram

Henoch等[38]在2006年測(cè)量了一組由納米級(jí)微柱組成的超疏水表面阻力變化，結(jié)果顯示層流減阻率可達(dá)50%，湍流減阻率僅為10%。Woolford等[39]在2009年通過(guò)粒子圖像測(cè)速儀(PIV)研究發(fā)現(xiàn)具有縱向溝槽的超疏水表面產(chǎn)生的湍流比光滑表面少約11%，而具有橫向溝槽的超疏水表面產(chǎn)生的湍流比光滑表面增加了6.5%。同年，Daniello等[40]發(fā)現(xiàn)改變超疏水表面的槽隙寬度w，雖然在層流區(qū)沒(méi)有明顯的減阻效果，但在湍流區(qū)有明顯的減阻效果。隨后，Park等[41]在2014年采用硅微光刻工藝，在浮動(dòng)元件和彎曲梁上整體制作了具有縱向溝槽的超疏水表面，減阻率得到了顯著提高。另一方面，Van Buren等[42]在2017年測(cè)試了一個(gè)帶有縱向凹槽的超疏水表面對(duì)應(yīng)的摩擦扭矩的變化，研究發(fā)現(xiàn)在雷諾數(shù)范圍內(nèi)，減阻率一般隨雷諾數(shù)的增加而增大，然而這一趨勢(shì)隨著槽寬w的變化而變化。最近，Xu等[43]在2021年使用具有相似縱向凹槽的超疏水表面，在高速拖曳水池實(shí)驗(yàn)中減阻率可達(dá)30%。

雖然有序的形貌可以更清晰地顯示形貌與流體流動(dòng)行為之間的關(guān)系，但目前在實(shí)際工程中還無(wú)法在相對(duì)大的體表面積上制備這樣有序的超疏水表面。因此，許多研究人員制備了形狀和粗糙度隨機(jī)分布的超疏水表面，并在各種流動(dòng)條件下進(jìn)行了測(cè)試，如圖3(c)所示[36]。Zhao等[44]在2007年采用陽(yáng)極氧化法制作了一個(gè)大型的鋁制超疏水板，然而沒(méi)有在湍流中觀察到任何明顯的減阻效果。2013年，Aljallis等[45]在大型鋁板上應(yīng)用了一種可噴涂的疏水二氧化硅納米顆粒涂層，在高速拖曳槽中減阻率約為30%。Zhang等[46]在2015年測(cè)量同一類(lèi)型超疏水表面減阻率為10%～24%。Ling等[47]在2016年使用數(shù)字全息顯微鏡測(cè)量了幾個(gè)具有不同隨機(jī)紋理特征的超疏水表面在湍流中的阻力，在有明顯滑移速度的情況下，減阻率約為35%。

2.離子交換膜對(duì)離子遷移的限制作用。如,電解池中有陽(yáng)離子交換膜時(shí),陰離子的移動(dòng)就受到了限制,有質(zhì)子交換膜時(shí)其他離子的移動(dòng)就受到了限制。離子交換膜的這種特征在工業(yè)上有廣泛應(yīng)用。

到目前為止，超疏水減阻在層流和湍流流動(dòng)中都被證明是有效的，而且通過(guò)恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)可以獲得顯著的減阻率。因此，各種關(guān)于超疏水表面減阻的機(jī)理也受到學(xué)者們的極大關(guān)注。

2.2 超疏水表面減阻機(jī)理

從超疏水表面減阻的應(yīng)用研究可以看出，超疏水表面減阻的實(shí)現(xiàn)在很大程度上取決于表面微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，微觀結(jié)構(gòu)中的斥水和滯留空氣是實(shí)現(xiàn)超疏水表面減阻的主要原因[48-51]。為了進(jìn)一步明確機(jī)理，在分析中常常采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬兩種方法。但由于在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中難以測(cè)量或控制氣液界面，因此對(duì)超疏水表面湍流減阻機(jī)理的研究主要采用數(shù)值模擬的方法。典型的方法是將超疏水表面模擬為固液界面和氣液界面組成的具有定向或非定向滑移的水平壁面。結(jié)果表明層流中剪切阻力的減小是界面處的速度滑移引起的[52-53],見(jiàn)圖4(a)[54]。另外，Park等[55]、Min等[56]、Busse等[57]、Jelly等[58]的數(shù)值研究也揭示了近壁湍流會(huì)在超疏水表面被顯著抑制，見(jiàn)圖4(b)，所以在湍流中也展現(xiàn)出良好的減阻效果。

(a) 超疏水表面上層流示意圖[54]

(b) 超疏水表面湍流抑制[55]圖4 超疏水減阻機(jī)制Fig.4 Superhydrophobic drag reduction mechanism

根據(jù)上述理論，模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式和機(jī)理解釋也被提出。典型的例子是Choi等[50,59]用bslip和h計(jì)算Couette流和Poiseuille流的減阻(DR)的表達(dá)式，分別為此外，Dong等[60]利用牛頓黏性定律中的假設(shè)對(duì)滑移邊界理論進(jìn)行了解釋。

(1)

(2)

(3)

到目前為止，大部分理論仍無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證，也無(wú)法證明其準(zhǔn)確性。因此，超疏水表面的減阻機(jī)理仍有待完善。

2.3 超疏水表面減阻的應(yīng)用展望

超疏水表面減阻法是一種在液固界面相互接觸時(shí)捕獲氣膜的減阻方法。目前，研究人員對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了大量研究，制備了不同超疏水表面微結(jié)構(gòu)，取得了一定進(jìn)展。Zhang等[61]通過(guò)對(duì)超疏水表面摩擦阻力的直接測(cè)量，在實(shí)驗(yàn)標(biāo)定的范圍下，表面阻力減小了75%，證明超疏水結(jié)構(gòu)能夠減小湍流中的摩擦阻力。此外，眾多科研工作者制備了各種具有特殊微/納米結(jié)構(gòu)的超疏水表面，并且自清潔[62]、抗生物污染[63]、抗結(jié)冰[64-65]、油水分離[61]等不同功能被不斷發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用在超疏水表面。將超疏水減阻技術(shù)與表面微結(jié)構(gòu)減阻技術(shù)相結(jié)合也是將來(lái)超疏水技術(shù)的重要應(yīng)用。2022年，Zhang等[66]制作出具有超疏水表面的植絨樣品,其減阻率達(dá)到28%，同時(shí)樣品在約1.6 kPa的表觀壓力下經(jīng)受了超過(guò)500次的砂紙磨損循環(huán)，且無(wú)顯著的超疏水性能衰減。然而，由于實(shí)際條件中許多環(huán)境變量會(huì)對(duì)超疏水表面氣膜產(chǎn)生很大影響，大多數(shù)超疏水表面減阻成果僅僅在實(shí)驗(yàn)室條件下有效，無(wú)法進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用[45]。此外，對(duì)于水下航行器、跨介質(zhì)武器等復(fù)雜應(yīng)用情況，在水流剪切的作用下超疏水表面捕獲氣膜將快速流失，導(dǎo)致減阻性能喪失，甚至?xí)?lái)增阻效果[67]。因此，超疏水表面減阻技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用上還需進(jìn)一步的深入研究。

3 超空泡減阻

3.1 超空泡減阻研究簡(jiǎn)述

超空泡減阻是指水下航行體表面形成空氣包覆層，將固/液界面轉(zhuǎn)化為固/氣界面，使表面張力大幅度減小，達(dá)到超高速航行的目的。為保證低表面摩擦阻力和低壓力阻力，須同時(shí)考慮殼體形狀和空化器的形狀，超空泡的主要流型如圖5(a)所示[68]。

超空化一般可分為自然超空化和通氣超空化兩大方向。自然超空化是指自然汽化形成的超空化現(xiàn)象，一般需要物體具有足夠大的運(yùn)動(dòng)速度(>50 ms-1)或來(lái)流具有足夠小的靜水壓力，從而使得物體的空化數(shù)σ小于航行體物面(除駐點(diǎn)及駐點(diǎn)附近外)最大壓力系數(shù)的絕對(duì)值|Cpmax|，便會(huì)發(fā)生自然超空化現(xiàn)象。自然超空泡物理實(shí)驗(yàn)多以小型子彈為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，雖然小型子彈實(shí)驗(yàn)的設(shè)備要求相對(duì)較低，但在全尺寸水下潛射航行體上實(shí)現(xiàn)超空化和維護(hù)是相當(dāng)困難的。因此這種方法在實(shí)際中很少使用。

通氣超空化指通過(guò)通氣注入形成超空化，由于實(shí)現(xiàn)超空泡所需的速度要小得多，因此研究范圍很廣[69]。通氣超空化的發(fā)展過(guò)程如圖5(b)所示，從在空化器處形成的氣泡到橢球形的部分空化，最后過(guò)渡到超空化[70]。通氣超空化的制備方法可分為3種，如圖5(c)所示。第一種方法是利用空氣噴射裝置將氣體從物體頭部向液體流動(dòng)方向噴射。在這種情況下，氣體壓力必須大于物體頭部靜止點(diǎn)處的液體壓力，氣體速度必須大于液體流速的28倍。第二種方法是利用液體噴射裝置將液體從物體頭部向流動(dòng)方向噴射，同時(shí)向滯止區(qū)注入氣體。該方法是基于尾壓完全恢復(fù)產(chǎn)生推力的理想條件，將物體頭部的靜力點(diǎn)轉(zhuǎn)移到流體中。第三種方法是在物體高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)空化發(fā)生在空化發(fā)生器的鋒利邊緣時(shí)，向被分離部分注入空氣，產(chǎn)生穩(wěn)定、平滑的空化現(xiàn)象。當(dāng)超空泡完全形成時(shí)，可以在物體的任何部位補(bǔ)充空氣，這是目前實(shí)現(xiàn)超空泡最常見(jiàn)的方式。

(a) 超空泡的主要流型[68]

(b) 通氣超空化的發(fā)展過(guò)程[70]

3.2 超空泡減阻機(jī)理

超空泡減阻的主要機(jī)理是將固/液界面轉(zhuǎn)變?yōu)楣?氣界面，從而使黏度降低，摩擦阻力也隨之大幅減小。并且，氣相速度梯度越小，切應(yīng)力也越小。與此同時(shí)，隨著空化數(shù)σ值的降低，空腔內(nèi)分散液滴體積比逐漸變小，空泡厚度變薄，導(dǎo)致切向動(dòng)量進(jìn)一步減小。超空泡具有優(yōu)異的減阻性能，減阻率為90%以上。對(duì)于圓錐體空泡發(fā)生器，當(dāng)空化數(shù)σ=0.01時(shí)，減阻率可達(dá)95%；當(dāng)σ=0.000 1 時(shí)，減阻率可達(dá)99.9%[71]。

3.3 超空泡減阻的應(yīng)用展望

超空泡減阻通過(guò)轉(zhuǎn)換界面狀態(tài)的機(jī)理來(lái)有效減小表面阻力，為驗(yàn)證這一結(jié)論，Zhang等[70]通過(guò)一系列彈丸和水隧道進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)以研究超空泡形狀特征并描述了自然超空化和通氣超空化的演化規(guī)律，得到了自然空化的渦旋頻率。周景軍[72]通過(guò)建立均質(zhì)平衡流動(dòng)框架，二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言CEL嵌入了4種經(jīng)典的空化模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)空化模型進(jìn)行了選擇，實(shí)現(xiàn)了對(duì)超高速及超聲速自然超空泡流動(dòng)的數(shù)值模擬，對(duì)通氣超空泡的一系列基本問(wèn)題進(jìn)行了研究，將實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真技術(shù)相結(jié)合，可以大大加快超空泡流動(dòng)的研究步伐。

超空泡技術(shù)主要是應(yīng)用在水下航行體減阻提速上，利用超空泡技術(shù)研制的水下武器，突破了傳統(tǒng)水下兵器的運(yùn)動(dòng)極限，從根本上改變了原有的武器格局[72]。但是自然超空泡生成前提是要有足夠大的速度，對(duì)于較大型的水下航行體，如魚(yú)雷、潛艇，由于目前推進(jìn)技術(shù)的限制，很難達(dá)到需要的高速，因此目前自然超空泡減阻技術(shù)主要用于體積較小且長(zhǎng)細(xì)比很大的水下航行體，如高速射彈[72]。超空泡射彈水下運(yùn)動(dòng)過(guò)程涉及復(fù)雜的超空泡流動(dòng)問(wèn)題，如射彈的彈丸與超空泡空腔之間的強(qiáng)相互作用導(dǎo)致了非線(xiàn)性力和記憶效應(yīng)，因此射彈具體運(yùn)動(dòng)較難控制，其穩(wěn)定性機(jī)理也十分復(fù)雜[73]。與超空泡彈丸穩(wěn)定性相關(guān)的主要問(wèn)題可以概括為：1)超空泡空腔的產(chǎn)生和維持；2)射彈彈丸質(zhì)量的平衡[74]。目前研究人員多考慮尾拍力和空泡形態(tài)的變化，建立超空泡射彈的尾拍運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，從而解釋其具體的運(yùn)動(dòng)機(jī)理[75]。對(duì)于通氣超空泡，一般是在水洞中進(jìn)行研究，在低速的情況下對(duì)模型利用外接氣源通入氣體的辦法獲得超空泡，水洞中通氣超空泡的研究一般在20 m/s以下的速度進(jìn)行[76]。通氣超空泡的形成及潰滅機(jī)理較復(fù)雜，且航行體受到外界干擾姿態(tài)發(fā)生變化時(shí)，航行體部分沾濕會(huì)受到很大的尾拍力矩影響，其長(zhǎng)航時(shí)姿態(tài)穩(wěn)定控制存在很大難度。另外，2022年，Jia等[77]將超空泡減阻技術(shù)與超疏水減阻技術(shù)相結(jié)合，研究了疏水和親水涂層彈丸的超空泡特性：在相同水深和空化數(shù)下，疏水彈丸的阻力系數(shù)較親水彈丸可減小20%～40%，此外，觀察到不同水深下，疏水涂層彈丸的彈道穩(wěn)定性?xún)?yōu)于親水涂層彈丸。因此，超空泡減阻技術(shù)與其他減阻技術(shù)結(jié)合運(yùn)用也是重要的發(fā)展方向之一。

4 微氣泡減阻

4.1 微氣泡減阻研究簡(jiǎn)述

關(guān)于微氣泡減阻的研究始于空氣潤(rùn)滑理論，即通過(guò)人為的方式在壁面形成一層氣泡與流體的混合層，通過(guò)改變近壁面流體的流動(dòng)特性，減小黏性阻力，最終達(dá)到減小摩擦阻力的目的。國(guó)內(nèi)外對(duì)于微氣泡減阻的研究重點(diǎn)采用先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)(如激光測(cè)速、總阻力測(cè)量、表面熱模探頭等壁面應(yīng)力測(cè)量技術(shù))，研究微氣泡對(duì)湍流邊界層特性的影響、微氣泡減阻的效果及影響因素、產(chǎn)生微氣泡的方式等內(nèi)容。

早在18世紀(jì)，國(guó)外學(xué)者就已開(kāi)始進(jìn)行類(lèi)似微氣泡減阻的實(shí)驗(yàn)。但由于氣膜在航行體表面厚度的不可控性，氣液交界面不穩(wěn)定，研究的重點(diǎn)逐漸從這種氣膜減阻轉(zhuǎn)移到微氣泡減阻。McCormick等[78]的實(shí)驗(yàn)開(kāi)啟了有關(guān)微氣泡應(yīng)用于水下減阻的研究，其利用回轉(zhuǎn)體表面電解產(chǎn)生的氫氣氣泡進(jìn)行微氣泡減阻實(shí)驗(yàn)，在低速時(shí)氫氣微氣泡減阻可高達(dá)50%。1984年，Madavan等[79]通過(guò)在多孔壁中注入微氣泡實(shí)現(xiàn)了局部摩擦阻力的大幅減小，約為80%。2011年，Vakarelski等[80]利用萊頓弗羅斯特效應(yīng)的熱方法在球體表面產(chǎn)生連續(xù)而堅(jiān)固的潤(rùn)滑蒸汽層，如圖6(a)所示；隨后產(chǎn)生劇烈的氣泡，如圖6(b)所示，該種方法減阻率超過(guò)85%。Jamaluddin[81]在微氣泡對(duì)高速航行體的減阻特性方面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)電機(jī)牽航行體模型的方法模擬微氣泡在航行中達(dá)到的減阻效果，可實(shí)現(xiàn)相對(duì)傳統(tǒng)微氣泡方法進(jìn)一步減阻9%的效果。

(a) 在球體周?chē)鲃?dòng)的薄蒸汽層

(b) 球體表面產(chǎn)生劇烈的氣泡[80]

2014年，Jagdish等[82]對(duì)微氣泡在平板表面的駐留現(xiàn)象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在層流條件下使用激光加工出微小表面結(jié)構(gòu)的疏水表面可使微氣泡穩(wěn)定駐留在平板表面，如圖7所示。研究得出，微氣泡減阻并不需要持續(xù)注入微氣泡，這有助于進(jìn)一步降低能量消耗。2017年，Du等[83]進(jìn)行了疏水表面的微氣泡停駐實(shí)驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)通入微氣泡后，微氣泡會(huì)覆蓋表面，即在表面形成一層薄的駐留氣膜。在具有氣膜的邊界層內(nèi)，渦強(qiáng)度、剪切應(yīng)力均明顯下降，并取得了可觀的減阻效果。

(a) 低速狀態(tài)

(b) 中速狀態(tài)

(c) 高速狀態(tài)圖7 微氣泡在平板表面不同速度時(shí)的駐留現(xiàn)象[82]Fig.7 Adhesion state of air layer in different velocity[82]

為進(jìn)一步優(yōu)化微氣泡減阻效果，各種關(guān)于微氣泡減阻的機(jī)理也被提出。通過(guò)減小摩擦系數(shù)、減小周?chē)后w的密度或減小固體與周?chē)后w接觸的表面積可以實(shí)現(xiàn)減阻，并且流體密度的減小、氣泡懸浮黏度的增加、湍流結(jié)構(gòu)的改變會(huì)影響微氣泡減阻的效果，在此基礎(chǔ)上眾多研究人員提出了微氣泡存在下的黏性系數(shù)計(jì)算模型與邊界層模型。

4.2 微氣泡減阻機(jī)理

目前對(duì)微氣泡減阻的理論研究同樣存在實(shí)驗(yàn)先行、理論滯后的特點(diǎn)。多數(shù)理論分析還僅限于平板和管道流。主流的方法還是通過(guò)減小摩擦系數(shù)、減小周?chē)后w的密度或者減小固體與周?chē)后w接觸的表面積實(shí)現(xiàn)減阻。在邊界層內(nèi)注入空氣會(huì)形成含有氣泡和水的流動(dòng)，這會(huì)降低液體的密度和黏度并改變流體在壁面邊界層流動(dòng)結(jié)構(gòu)形成氣液兩相流，從而減小黏性阻力[84]，即實(shí)現(xiàn)微氣泡減阻，如圖8所示。還有理論研究表示，由于氣泡的揮發(fā)性，在流體中施加剪切力產(chǎn)生的功一部分會(huì)轉(zhuǎn)化為變形能，從而減少了減阻過(guò)程的能量損失。

圖8 用于減小摩擦阻力的不同氣泡減阻技術(shù)[84]Fig.8 Different bubble drag reduction techniques for reducing frictional resistance[84]

微氣泡減阻機(jī)理的分析主要在于邊界層結(jié)構(gòu)的變化，微氣泡對(duì)邊界層結(jié)構(gòu)至少有兩個(gè)方面的影響：第一，微氣泡可改變流體局部有效的黏度和密度，從而改變局部湍流的雷諾數(shù)；第二，微氣泡可直接影響湍流邊界層結(jié)構(gòu)，使附壁區(qū)的流動(dòng)發(fā)生變化。Legner[85]提出了一個(gè)簡(jiǎn)單的剪切應(yīng)力模型來(lái)解釋湍流邊界層注入微氣泡后的減阻作用，將微氣泡減阻歸為3個(gè)因素的結(jié)果：流體密度的減小、氣泡懸浮黏度的增加、湍流結(jié)構(gòu)的改變。Madavan等[86]采用了混合長(zhǎng)度理論的湍流單方程模型，通過(guò)用氣泡濃度表達(dá)黏度和密度的局部變化來(lái)模擬氣泡運(yùn)動(dòng)，得出了微氣泡存在下的黏性系數(shù)計(jì)算模型與邊界層模型。

目前，微氣泡減阻研究還存在著明顯的缺陷。首先，覆蓋在航行體表面的氣泡不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生裂紋從而擴(kuò)大阻力和噪聲，而如果氣泡太小，所需的減阻效果就無(wú)法實(shí)現(xiàn)。此外，航行體表面覆蓋的微氣泡主要是電解水產(chǎn)生的氫氣和氧氣泡，對(duì)電能的需求和依賴(lài)程度很高。在實(shí)際中多用于船舶減阻[79]，在水下航行體中的應(yīng)用仍較少，特別是隨著航行深度的增加，靜壓不斷增大，對(duì)氣泡的形成帶來(lái)極大挑戰(zhàn)，亟待深入研究。

4.3 微氣泡減阻的應(yīng)用展望

經(jīng)過(guò)多年的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，微氣泡減阻已被證實(shí)了有效性和可行性，理論上可將水阻力減小約85%。Song等[87]通過(guò)進(jìn)行微氣泡減阻實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，分析了微氣泡流動(dòng)的形貌和微氣泡減阻特性。結(jié)果表明注入邊界層的微氣泡可以降低流場(chǎng)中湍流強(qiáng)度從而減小阻力，基于該特性，此技術(shù)可用于船舶或水下航行體的減阻研究。微氣泡減阻具有污染小、綜合設(shè)施成本相對(duì)較低、適用范圍廣等特點(diǎn)，是目前革命性的有效和環(huán)保的減阻方式，應(yīng)用前景廣泛。微氣泡的研究除了集中在船舶減阻之外，還可應(yīng)用于水下高速航行器和水下射彈等。

5 結(jié)語(yǔ)

水下航行體表面繞流流場(chǎng)變化復(fù)雜，減小固/液界面阻力是提升水下航行體航速及航行穩(wěn)定性的關(guān)鍵。本文針對(duì)4種最具代表性的減阻方法的研究進(jìn)展、減阻機(jī)理及應(yīng)用前景進(jìn)行了詳細(xì)分析，其中表面微結(jié)構(gòu)及超疏水表面法目前多處于實(shí)驗(yàn)階段，微結(jié)構(gòu)的可靠性目前尚不足以支持航行體水下減阻應(yīng)用的需求；超空泡減阻法對(duì)航行體速度要求極高，適用于高速魚(yú)雷等航行體，但存在姿態(tài)控制難等問(wèn)題；微氣泡減阻方法理論減阻率可達(dá)85%以上，能確保航行體的高初速與穩(wěn)定性，在水下發(fā)射技術(shù)領(lǐng)域有更大的應(yīng)用潛力，但仍存在水下減阻效果時(shí)間跨度小、大水深航行難以實(shí)現(xiàn)等問(wèn)題。目前，提高各種減阻方法的工程實(shí)際應(yīng)用能力仍然是一個(gè)有待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。為了給工程設(shè)計(jì)提供更充分的理論指導(dǎo)，不同減阻技術(shù)的作用機(jī)理仍需要進(jìn)一步探索。未來(lái)水下航行體減阻技術(shù)可通過(guò)多學(xué)科融合的方法進(jìn)行研究，其中數(shù)值模擬也將發(fā)揮重要作用。在實(shí)際應(yīng)用中可嘗試采用兩種或兩種以上減阻方法結(jié)合的方式達(dá)成水下航行體對(duì)減阻率、穩(wěn)定性、抗高壓流場(chǎng)等特定技術(shù)指標(biāo)的需求。