微氣泡減阻機理及其應(yīng)用的基礎(chǔ)研究

1、天津大學(xué) 碩士學(xué)位論文 微氣泡減阻機理及其應(yīng)用的基礎(chǔ)研究 姓名：王震 申請學(xué)位級別：碩士 專業(yè)：船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計制造 指導(dǎo)教師：黃衍順 20021201 中文摘要 船舶阻力的主要部分是摩擦阻力。因此，減小摩擦阻力對于船舶流體動力學(xué) 研究者是一個巨大的挑戰(zhàn)。微氣泡注入法是減小摩擦阻力的一種可行方法。 本文介紹了微氣泡減阻的研究現(xiàn)狀，詳細闡述了平板、軸對稱體以及長尺度 船模的微氣泡減小摩擦阻力試驗，并分析了影響微氣泡減阻效果的兩個主要因 素：氣泡尺寸和空隙率。 其次，本文詳細總結(jié)了微氣泡減阻機理的理論研究成果及相關(guān)的數(shù)學(xué)模型， 提出了今后微氣泡控制湍流邊界層減小摩擦阻力的理論研究方向和建立全面

2、的 湍流模型的必要性。并采用氣液兩相流動簡單模型進行微氣泡降低平板阻力的計 算，計算結(jié)果得出較大的減阻。 最后討論了微氣泡減阻在實船上應(yīng)用的可行性、現(xiàn)狀和前景，對微氣泡減阻 的凈減小量進行估算并介紹了微氣泡在江河駁船和雙體高速艇上的具體應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：微氣泡摩擦阻力湍流兩相流邊界層減阻 a b s t r a c t 1 1 1 e m a j o rp a r t o fs h i pr e s i s t a n c ei ss k i nf r i c t i o nr e s i s t a n c e t h e r e f o r e i t s r e d u c t i o n

3、i sab i gc h a l l e n g et os h i ph y d r o d y n a m i cr e s e a r c h e r s m i c r o b u b b l e sa r eo n e o f p r o m i s i n g m e t h o di nr e d u c i n gt h es k i nf r i c t i o nr e s i s t a n c e f i r s t l yt h i sp a p e rp r e s e n t sa l li n t r o d u c t i o no f t h ec u r

4、r e n tr e s e a r c hs i t u a t i o no n t h e d r a g r e d u c t i o nb ym i c r o b u b b l e s as e r i e so fe x p e r i m e n t so fd r a gr e d u c t i o nb y m i c r o b u b b l e sf o rf i a t p l a t e ，a x i s y m m e t r i c m o d e la n dl o n g s h i p m o d e la r es t a t e d b r i

5、 e f l ya n dt w oi m p o r t a n tf a c t o r s ，b u b b l es i z ea n dv o i df r a c t i o nt h a ti n f l u e n c et h e e f f e c to f d r a gr e d u c t i o na r ea n a l y z e d t h e na c h i e v e m e n t so ft h e o r e t i c a lr e s e a r c ho nd r a gr e d u c t i o nm e c h a n i s m s

6、a n d r e l e v a n tm a t h e m a t i c a lm o d e l sa r es u m m a r i z e d f u t u r et h e o r e t i c a ls t u d i e so ft u r b u l e n t d r a gc o n t r o lb ym i c r o b u b b l ea n dn e c e s s i t yf o rt h ed e v e l o p m e n to f ac o m p r e h e n s i v e t u r b u l e n c em o d e

7、 la r ep r o p o s e d t h es k i nf r i c t i o nr e d u c t i o nb ym i c r o b u b b l e so ft h e p l a t ee m p l o y i n g a s i m p l e m o d e lo f t w o p h a s e f l o wi sc a l c u l a t e da n dt h e c o m p u t a t i o n a l r e s u l t ss h o wt h ep r o m i n e n te f f e c to f d r a

8、 gr e d u c t i o n f i n a l l yt h ef e a s i b i l i t y , c u r r e n ts i t u a t i o na n df o r e g r o u n do ff u r t h e re n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n so nf u l l s c a l es h i pa r ed i s c u s s e d t h en e td r a gr e d u c t i o no fm i c r o b u b b l e s i se s t i m

9、 a t e da n d i m p l e m e n t a t i o n o f m i c r o b u b b l e sd r a gr e d u c t i o ns y s t e mf o rb a r g ea n d h i g h s p e e dc a t a m a r a n i si n t r o d u c e d k e y w o r d s ：m i c r o b u b b l e ss k i nf r i c t i o n t u r b u l e n c e t w o - p h a s e f l o w b o u n d

10、 a r yl a y e r d r a g r e d u c t i o n 第章緒論 1 1 前言 第一章緒論 所有的運輸工具中船舶是最節(jié)約能源的。例如：一艘載重噸為2 8 0 0 0 0 噸， 自重為4 0 0 0 0 噸的超大型油輪在3 0 0 0 0 k w 的柴油機驅(qū)動下能以1 5 節(jié)的速度航行。 為了便于理解，我們將所有的數(shù)據(jù)除以1 0 0 0 0 0 。一艘自重0 4 噸的油輪在載油 2 8 噸時能以1 5 節(jié)的速度航行，換句話說，能用0 3 k w 的動力以2 7 公里d , 時 的速度航行。與汽車等其它運輸工具相比較，船舶消耗的能源要小的多。但由于 水上運輸在世界貿(mào)易中

11、占有相當(dāng)大的比重，減小船舶的能源消耗也是非常重要 的。減小船舶阻力，提高航行速度已勢在必行。 裝載原油、礦石和谷物的船舶，弗汝德數(shù) 較小，船舶的主要阻力成分中粘性阻力占很大 的比例。圖1 一l 給出了一艘v l e c 在不同航速 下的阻力成分( l a r s s o na n db a b a ，1 9 9 6 ) “j ，滿 載時，船舶的興波阻力接近于0 。另外，船舶 的粘性阻力的主要成分是表面摩擦阻力。因 此，對于船舶流體力學(xué)的研究者們減小表面摩 擦阻力是一項具有挑戰(zhàn)的新課題。 流體中運動物體受到的基本阻力由摩擦 阻力、粘壓阻力和興波阻力組成，不同類型的 阻力有不同的減阻方法。按減阻的

12、機理，可將 減少摩擦阻力的方法分為二大類：第一類是通 過選擇優(yōu)良型線推遲層流邊界層向湍流邊界 層的過渡：或通過吸氣、增壓等邊界層控制方 1 蠡廣百r 飛古ru , 磊 圖1 1 法避免邊界層分離，以達到減阻的目的：第二類是通過改變邊界層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)， 亦即改變附壁區(qū)流動的運動學(xué)和動力學(xué)特性，達到減阻的目的。該類方法有高分 子溶液注入法、微氣泡注入法、微氣泡和高分子溶液混合注入法、柔性邊壁法、 肋條減阻法等，其中微氣泡注入法最為引人注目。 利用微氣泡注入法減少潛體摩擦阻力是一項國防建設(shè)和科技發(fā)展的重要課 題，其研究成果對于潛艇等水下航行體的減阻、增速、節(jié)能、機動、提高戰(zhàn)斗力 等軍事技術(shù)的發(fā)展具有相

13、當(dāng)?shù)膶嶋H意義。 第一章緒論 1 2 微氣泡減阻研究的歷史 國外學(xué)者旱在1 8 世紀就開始研究在船體和水之間注入一層空氣，減少表面阻 力。但由于氣液交界面的不穩(wěn)定性，這種設(shè)想在實際中難以應(yīng)用。微氣泡減阻就 是基于這種設(shè)想產(chǎn)生出來的。m c c o r m i c k 和b h a t t a c h a r y y a l 2 1 在1 9 7 3 年用電解方法 在潛體上產(chǎn)生氫氣泡，發(fā)現(xiàn)氫氣泡在低雷諾數(shù)下減阻非常有效。在這個先驅(qū)試驗 之后，b o g d e v i c h e t a l 1 9 7 7 1 3 ，m a d a v a n e t a l 1 9 8 4 4 ，1 9 8 5

14、 1 孔，m e r k e le t a l 1 9 8 6 【6 1 ， t o k u n a g a l 9 8 6 7 1 ，k a t o ( 加藤洋治) e t a l 1 9 9 4 f 訃，g u i n e ta 1 1 9 9 6 t 9 1 ，t a k a h a s h i ( 高 橋孝仁) e ta 1 1 9 9 7 【1 0 】，w a t a n a b e ( 渡邊修) e t a l 1 9 9 8 1 l j ，k o d a m a ( 見玉良明) e t a l 1 9 9 9e 1 ”，1 9 9 9 a 13 】進行一系列的微氣泡減阻試驗。試驗

15、中發(fā)現(xiàn)影響減阻效果 的主要因素有邊界層中的最大空隙率、氣泡尺寸、氣泡在下游的擴散等。在最優(yōu) 的氣泡注入條件下，摩擦阻力可減少到原來的i 5 。早期的試驗都是在水洞中進 行，通過多孑l 板產(chǎn)生微氣泡，在試驗段壁面的邊界層處測量表面摩擦阻力。近些 年，日本學(xué)者在大型拖曳水池中進行了長尺度平底船模的微氣泡吹出試驗，測量 了船模的整體阻力及局部阻力，對微氣泡減阻向?qū)嵈瑧?yīng)用進行初步研究。例如： w a t a n a b e ( 1 9 9 8 ) 使用2 0m 和4 0m 的平底船模進行微氣泡減阻實驗， t a k a h a s h i ( 1 9 9 9 ，2 0 0 i ) 使用1 2 聊和5

16、0 m 的平底船模進行了類似的實驗。 迄今為止微氣泡減阻機理還沒有完整的理論解釋。一個最簡單的解釋是由氣 泡有效粘性的增加導(dǎo)致雷諾應(yīng)力的減少，從雨導(dǎo)致速度分布的變化以及壁面附近 速度梯度的減小。l e g n e r ( 1 9 8 4 ) i4 】結(jié)合湍流的混合長度模型和氣液混和流的粘度 效應(yīng)模型，提出一個簡單的剪切應(yīng)力模型，指出減阻是密度減小和湍流邊界層改 變的結(jié)果。m a d a v a n 等( 1 9 8 5 a ) 1 5 在假定水和氣泡混合物的粘度符合e i n s t e i n 公式 的情況下計算了表面摩擦阻力，模擬注入微氣泡減小表面摩擦阻力現(xiàn)象。 m a r i e ( 1

17、 9 8 7 ) d 6 提出了一個模型，指出由于微氣泡的存在導(dǎo)致粘性內(nèi)層的增加。 y o s h i d a 等l ( 1 9 9 7 【1 7 】，1 9 9 8 ，1 9 9 8 a 1 9 】) 提出一個新的模型并精確計算了作用 在氣泡上的力，也就是作用在壁面上的力。他們的模型與日本的東京大學(xué)及石川 島播磨重工業(yè)株式會社的試驗結(jié)果較好吻合，但是這些模型對于完全解釋微氣泡 減阻的機理過于簡單，因為它們都忽略了氣體項和液體項之間的質(zhì)量、動量和能 量的交換。 隨著計算機性能的提高，數(shù)值模擬流體流動得到廣泛的應(yīng)用。氣泡流的數(shù)值 模擬考慮了氣液項之間的相互作用，為闡明微氣泡減阻機理提供很大方便。

18、 s u g i y a m a ，k a w a m u r a 等( 2 0 0 1 ) 1 2 0 提出幾個模擬方法，分別考慮了氣泡表面滑流速 度、氣泡流可壓縮性、密度波動和氣泡變形等效應(yīng)，并討論這些效應(yīng)對減阻的影 響。 第一章緒論 1 3 本文研究的主要內(nèi)容 近3 0 年來，許多國外學(xué)者對微氣泡減阻進行大量試驗和理論研究，試驗結(jié) 果和理論解釋也不盡一致。但國內(nèi)目前尚未進行過類似的試驗研究。本文的研究 是解放軍總裝備部預(yù)研基金項目“利用微氣泡注入法減小潛體摩擦阻力的試驗及 力學(xué)模型研究”的一部分，主要工作是：分析國內(nèi)外微氣泡平板、軸對稱體及長 尺度船模的減阻試驗，確定影響減阻效果的因素，

19、設(shè)計微氣泡減阻的試驗?zāi)Ｐ停?進行利用微氣泡注入法改變邊界層內(nèi)部結(jié)構(gòu)從而減小表面摩擦阻力的試驗研究， 對微氣泡減阻的機理進行初步探討：對微氣泡早期及近期的理論研究成果進行總 結(jié)，提出微氣泡注入法減小平板摩擦阻力的氣液兩相流力學(xué)模型，然后采用積分 方法進行減阻的詳細計算；最后分析了微氣泡減阻在實船上應(yīng)用現(xiàn)狀與前景，討 論了考慮產(chǎn)生微氣泡的能量消耗情況下阻力減小的凈值，同時給出微氣泡減阻在 駁船和高速雙體客船上應(yīng)用實例。 第二章微氣泡減阻試驗研究 第二章微氣泡減阻試驗研究 2 1 微氣泡減阻試驗 2 1 1 電解作用產(chǎn)生氫氣泡減小潛體阻力的試驗 m c c o r m i c ka n db h a

20、 t t a c h a r y y a ( 1 9 7 3 ) ”】用電解方法在回轉(zhuǎn)體上產(chǎn)生氫氣泡。 雖然結(jié)果受到幾何尺度效應(yīng)和氣泡產(chǎn)生擾動的影響，但仍觀察到減阻。與其它的 微氣泡試驗觀察到的氣泡尺寸相比，這個試驗的氣泡尺寸相當(dāng)大( 約為5 0 a n ) 。 電解作用的試驗使用的陰極是直徑為6 r a i l 的銅線，銅線的電阻大約為 5 7 q f t ；陽極引線連到拖車支架上，使池壁成為陽極。整個回路的電阻約為5 0 q 或更大一些。銅線( 陰極) 在模型上成螺旋狀纏繞，通過陰極的電流在模型表面 的邊界層下產(chǎn)生氫氣泡。試驗在美國海軍軍官學(xué)校的拖曳水池進行，水池長8 5 英尺，寬6 英尺

21、，水深4 英尺，最大拖行速度2 5 棚j 。在3 英尺的模型( 最優(yōu) 外形) 上測量得到的總阻力取決于拖行速度和電流( 或者單位時間電解作用產(chǎn)生 的氫氣量) 。試驗?zāi)Ｐ秃徒Y(jié)果如圖2 1 所示，速度變化作為參變量，給出了有 無氣泡時阻力系數(shù)比隨電流的變化的關(guān)系曲線。此研究的個顯著結(jié)論是：保持 其它參數(shù)固定不變，較高電流( 產(chǎn)生較多氣泡) 意味著出現(xiàn)更大的減阻，產(chǎn)生最 大減阻為5 0 。 i n t e l t l a ir e s i s t a i 3 c e 6 舌 t t , i + - 黼 + 仁：i 憾：i 圖2 1m c c o r m i c k 試驗?zāi)Ｐ秃徒Y(jié)果 全潛回轉(zhuǎn)體減阻試驗

22、研究的結(jié)果顯示通過電解產(chǎn)生氫氣泡可顯著減小摩擦 阻力。這些氣泡傾向于擴大層流邊界層中的速度分布圖，破壞層流內(nèi)層和改變湍 流邊界層的動量傳輸，從而減小摩擦阻力。另外，減阻還取決于陰極在模型上的 纏繞型式，最佳的型式是陰極的前導(dǎo)纏繞的導(dǎo)線位于邊界層過渡的下游并且在伸 展到整個湍流邊界層下。 由于模型形狀和其表面纏繞導(dǎo)線的影響，他們的試驗很容易發(fā)生分離，試驗 i 9 6 4 2 0 o 0 o 0 亡u 、_ u 第二章微氣泡減阻試驗研究 結(jié)果被限制在雷諾數(shù)為o 3 - - 1 8 1 0 6 的范圍內(nèi)。 2 1 2 平板試驗 前蘇聯(lián)( m i g i r e n k o ，e v s e e v

23、l 9 7 4 1 2 1 1 ：d u b n i s h c h e v ，e v s e e v1 9 7 5 2 2 】；b o g d e v i c h ， e v s e e v1 9 7 6 2 3 1 ) 進行了一系列微 氣泡減阻試驗，他們采用平板噴 t 氣的方法，將微氣泡引入湍流邊 界層內(nèi)達到減阻目的，第一次揭 示了由于注入小氣泡而對邊界層謄o 6 結(jié)構(gòu)顯著改變。特別地，o 4 b o g d e v i c h ，e v s e e v ( 1 9 7 6 ) 的研究 描述了減阻的結(jié)果和由于在邊界 層中出現(xiàn)大密度小氣泡出現(xiàn)引起0 的湍流改變，表面摩擦阻力用浮 動單元探針測

24、量，氣泡密度用電 傳導(dǎo)傳感器確定。試驗結(jié)果如圖2 t l 賽禽 嬤。yw 呵式。v v 鰣寸 毒一b 44 55 8t - _ _ _ _ _ 一 呵碡 ” c a sf l 呷r a t e ( 1 曠5 m v s ) 圖2 2b o g d e v i c h 等試驗結(jié)果 一2 所示，給出了在四個速度情況下表面摩擦阻力與噴氣流量率的關(guān)系曲線，最 大的減阻在最高速度下達到。摩擦阻力減小的程度，隨噴氣流量率的增大而增大， 直至飽和噴氣流量率，此后增大噴氣流量率，摩擦阻力的變化也不大：在噴氣出 口處的緊后方，局部摩擦阻力減少量最大，約為9 0 ，沿著去流方向，局部摩擦 阻力減少量下降，直到?jīng)]有

25、減阻效果。噴氣孑l 直徑為1 - - 5 0 j m 。其研究表明： 噴氣孔大小對減阻效果的影響很大：當(dāng)噴氣孔直徑為1 3 a n 時，能獲得最佳減 阻效果；當(dāng)噴氣孔直徑為5 0 一1 0 0u r n 時，噴氣幾乎沒有減阻作用。氣泡直徑估 計在亞微米到5 0 a n 之間；氣泡體積濃度在到壁面的法向距離為0 1 倍的邊界層 厚度處，達到最大值( 約為8 0 ) ；在近壁處及邊界層外，氣泡濃度為0 ，在近壁 處存在無氣泡區(qū)。 美國賓夕法尼亞州立大學(xué)m a d a v a n 等人( 1 9 8 4 1 1 4 】在空泡水筒進行平板試驗， 平板尺度為5 0 0 7 1 m 2 7 9 m m ，

26、多孑l 板( 燒結(jié)不銹鋼板) 尺度為1 0 2 m m 1 7 8 m m 3 m m ，噴氣孔直徑為o 5 1 0 0 t m ，水流速度為4 1 7 m 5 ，噴氣流量為o o 0 0 5m 3 j ( 最大噴氣流量比前蘇聯(lián)試驗所用最大氣流量約大5 倍) ，在筒壁邊 界層觀察到減阻達到8 5 。試驗?zāi)Ｐ秃徒Y(jié)果如圖2 3 所示，給出了平板位于邊 界層上面的情況下整體表面摩擦阻力比與噴氣流量率的關(guān)系曲線。試驗結(jié)果表 明：當(dāng)水流速度不變，增大單位時間內(nèi)噴氣量，摩擦阻力線性減小，直至飽和噴 氣流量率，此后增大噴氣流量率，摩擦阻力的變化不大，有時反而增大；相同噴 第二章微氣泡減阻試驗研究 氣流量率時

27、，隨水流速度增大，減阻效果下降；微氣泡減阻范圍( 沿水流方向) 為噴氣出口處邊界層厚度的6 0 7 0 倍：微氣泡對噴氣出口的上方流場沒有影響； 微氣泡對氣液混合介質(zhì)速度分布的影響極小。與前蘇聯(lián)研究結(jié)果不同之處在于： ( 1 ) m a d a v a n 等人的研究表明噴氣孔的大小對減阻效果的影響不大：在相同噴氣流 量率下，噴氣孔直徑為0 5 o n ( 由于加工誤差，其名義直徑為5 刪、和1 0 0 刪的 減阻效果基本相同：( 2 ) m e r k l e 的研究表明氣泡直徑為2 0 0 一1 1 0 0 刪，比 b o g d e v i c h 的估計值大。 t u n n e lu

28、 p p e rw a l l 高忑蔫贏一一= 忑i i 了 i e g 。、， ”吖5 ) 一 42 l x 9 3 x l24 一 “xx l7 - 4 x t i 童： o246 h ! f l o wr t ( 1 一m 3 ，s ) 圖2 3m a d a v a n 試驗?zāi)Ｐ秃徒Y(jié)果 m a d a v a n ，d e t u s c h ，m e r k l e 還研究了重力( 浮力) 對微氣泡減阻效果的影響， 結(jié)果表明：低速時，由于重力( 浮力) 的影響，氣泡上浮，造成平板上表面噴氣 的減阻效果不如平板下表面噴氣的減阻效果好；在高速時，重力( 浮力) 的影響 大為減小。m a

29、d a v a n 等學(xué)者還進行了氦氣、空氣以及噴氣寬度減半的減阻效果對 比試驗。其結(jié)果表明：當(dāng)體積流量率相同時，上述三種情況的減阻效果相當(dāng)，這 說明氣體質(zhì)量濃度、密度及噴氣寬度不是微氣泡減少摩擦阻力的主要影響因素， 重要的是氣體的體積流量率。 2 1 3 軸對稱體試驗 美國賓夕法尼亞州立大學(xué)試驗 美國賓夕法尼亞州立大學(xué)d e u t s c h ，c 勰t a n o ( 1 9 8 6 ) 【2 4 在直徑3 0 5 m m 空泡水筒 的圓柱試驗段進行軸對稱體的微氣泡減阻試驗。軸對稱模型直徑8 9 塒m 、長 6 3 2 m m ，固定在空泡水筒圓柱試驗段中心。在離模型前端4 6 r a

30、m 處裝一根直徑 0 3 5m m 的激流鋼絲干擾邊界層，使測量段形成完全湍流邊界層。氣體通過長 6 3 5m m ，厚5 1 7 r a m 圓柱形的燒結(jié)多孔塑料板噴入，標(biāo)準孔隙為5 o n 。 。 寸u 嗇u 第二章微氣泡減阻試驗研究 試驗裝最如圖2 4 所示。在不同的氣體噴八速度、水流速度和不同類型的 氣體條件下測量了整體表面摩擦力。減阻隨水流速度增大而增加，最大減阻達到 8 0 。在較高水流速度下，注入氦氣比注入空氣得到更大的減阻效果( 如：水流 速度為1 6 8 m s ，噴氣流量為0 0 0 4 刪3 j 時，使用氦氣，摩擦阻力減少6 0 ： 使用空氣，摩擦阻力減少4 0 ；而使用

31、二氧化碳，摩擦阻力沒有減少) 。與m a d a v a n 等人( 1 9 8 4 ) 平板試驗不同的是軸對稱試驗最大減阻在1 7 f n s 的水流速度下達到， 而平板試驗最大減阻在5 m j 的水流速度下達到。 圖2 4d e u t s e h 和c a s t a n o ( 1 9 8 6 ) 試驗?zāi)Ｐ?廣島大學(xué)試驗“。 廣島大學(xué)試驗利用微氣泡注入法進行回轉(zhuǎn)體減阻的試驗研究，試驗在空泡水 筒進行。試驗?zāi)Ｐ腿鐖D2 5 所示，模型i 為在多孔圓管的前后端加整流帽，模 型幾乎全部是多孔部分，近似認為是氣泡吹出部：模型i i 是在模型i 氣泡吹出部 與后端整流帽之間插入丙稀圓管( a 部)

32、 ，稱a 部為被氣泡覆蓋部。 基筒 2 口亡【二二二二亡二空泡水筒 i l i 叫4 啦上；塑1 模型i 模型i i 圖2 5 廣島大學(xué)試驗?zāi)Ｐ?7 第二章微氣泡減阻試驗研究 設(shè)模型i 和模型的壓差阻力相等，則：模型i i 全阻力一模型i 全阻力= a 部 的摩擦阻力。設(shè)氣泡覆蓋部摩擦阻力相對于氣泡有無的變化率為a r ，則近似表 示為： a r = ( 月2 一r i ) 一( r ：一r 。) ( r 2 一r ，一p ) 氣泡吹出狀態(tài)模型i 和模型h 的全阻力表示為震：、只：，無氣泡吹出狀態(tài)模 型i 和模型i i 的全阻力表示為r ，、r ，而a p 為氣泡水洞中內(nèi)壓力損失而引起的 阻力

33、成分。( r ，一r ，一a p ) 相當(dāng)于氣泡覆蓋部的摩擦阻力。 模型i ，隨著氣泡量的增加，阻力相應(yīng)增大，是因為氣泡吹出部的摩擦阻力 或者是被氣泡覆蓋的模型后端的壓差阻力增加引起的。與此相反，模型i i 在高速 域阻力減少，而且隨著氣泡量的增加，阻力減少越多。流速為7 聊，s 時模型i i 的 整體阻力的減少率為6 左右，而且到高速區(qū)域減少率會更大些。 廣島大學(xué)試驗對三維形狀物體的微氣泡減阻的可能性進行了研究，同時也對 氣泡吹出部的阻力增減進行了研究。特別是為了研究氣泡吹出對興波阻力的影響 進行了模型實驗，得到以下結(jié)論：( 1 ) 氣泡覆蓋部阻力減少，而氣泡吹出部阻力 增加：( 2 ) 三

34、維形狀物體的氣泡覆蓋部大到一定程度，則可減少摩擦阻力：( 3 ) 氣 泡吹出對興波阻力的影響幾乎沒有。試驗中摩擦阻力減少率較低，是因為模型被 氣泡覆蓋，由于浮力的作用，不易使氣泡完全保持在邊界層。 2 1 4 長尺度船模的微氣泡減阻試驗 考慮到實船尺度比較大，對于微氣泡減阻在實船上應(yīng)用，尺度效應(yīng)可能是最 重要的因素。此前試驗大多數(shù)是在空泡水筒中進行，它的試驗段長度最多只有幾 米，所以很難進行尺度效應(yīng)分析。為了評估微氣泡減小表面摩擦阻力在實船上的 應(yīng)用以及微氣泡注入后減阻作用在吹出口下游持續(xù)的距離，日本w a t a n a b e 等人 ( 1 9 9 8 ) “1 和t a k a h a

35、s i 等人( 1 9 9 9 2 6 1 ，2 0 0 1 t 2 7 1 ) 使用長尺度船模在拖曳水池中進行 一系列微氣泡減阻試驗。為了研究氣泡對湍流邊界層的作用，船模的底部在船長 和船寬范圍均為與油輪船底類似的平底。具體試驗參數(shù)如表2 1 所示。 試驗1 測量了總摩擦阻力和三個位置( p i ，p 2 ，p 3 ) 的局部摩擦阻力。試驗?zāi)?型和總摩擦阻力結(jié)果如圖2 6 所示?？v軸為1 一a r r ，a r 為總阻力減小量，r ， 為氣泡覆蓋面范圍內(nèi)( 船底面積的3 9 ) 在未注入氣泡情況下的摩擦阻力( 用s 桑海摩擦阻力公式估計) 。橫軸為q = q s v ，q ：氣體噴射量；s

36、：多孔板面 積；v ：拖車速度。當(dāng)q = o 0 2 時，在v = 5 m s 速度下摩擦阻力減小率為3 0 ， 在v = 7 m s 速度下摩擦阻力減小率為1 5 。局部摩擦阻力減小率c f c f d 與氣泡 噴射率q 成正比，而與距氣體注入處位置的長度x 成反比。 第二章微氣泡減阻試驗研究 表2 1 長尺度船模試驗 氣泡注 試驗?zāi)Ｐ蜌馀莓a(chǎn)生試驗船速空氣流量 入位置 多孔板 1t a k a h a s i長1 2 m5 m j 一7 m s q = o 一0 0 0 5 船首( 1 9 0 r “m x 5 0 0 m m ) ( 1 9 9 9 ) 寬1 m( g 7 1 3 6 節(jié))

37、 m ：| s 孔徑2 a n 長2 0 m多孔扳 2w a r a n a b e 船首 和4 0 m( 7 0 m m 2 5 0 m m )5 m | s - 7 m | s q = q s v ：o 一0 0 4 ( 1 9 9 8 )船舯 寬6 0 c m孔徑1 5 刪 3t a k a h a s i長5 0 m 船首 陣列孔板 ( 1 0 0 m m 5 0 0 m m )5 m j 一7 m s q ：q s v ：o o 0 6 ( 2 0 0 1 )寬1 m船舯 孔徑l m m n 0 腫q q 2q o 小 口= 。 圖2 - - 6t a k a h a s h i (

38、 1 9 9 9 ) 試驗?zāi)Ｐ秃涂傋枇υ囼灲Y(jié)果 試驗2 在拖曳水池對長2 0 m 及4 0 m 兩種船模進行試驗，分別采用船艏吹氣 泡、船舯吹氣泡及艏舯同時吹氣泡三種狀態(tài)進行試驗，測量了船模的總阻力及局 部摩擦阻力。整個試驗狀態(tài)均產(chǎn)生減阻效果，對于無氣泡狀態(tài)的總阻力，阻力減 小率為1 4 ：在氣泡吹出口的下游，摩擦阻力的減小率最大達到6 0 。隨氣泡 向后流動，局部摩擦阻力減小量逐漸減小，但減阻效果可以維持到氣泡吹出口下 游約4 0r t 處。在局部摩擦阻力減小量逐漸減小的吹出口下游，如再進行氣泡吹 出，局部摩擦阻力可再次減小。 試驗3 與試驗2 類似，只是試驗3 采用更長的模型，長度達到5

39、0 聊；試驗 模型和測量結(jié)果如圖2 7 所示。另外，試驗3 采用一種新的多孔板，小孔按行列 規(guī)則排列，孔徑約為1 m m 。試驗3 在7 州j 時的減阻效果比試驗2 差一些。 三個試驗得出的結(jié)論基本致，而且試驗得出表面摩擦阻力的減小在5 m s 和7 m s 時都可以持續(xù)到船底下游末端。拖車速度7 m s 時比5 m s 時摩擦阻力 減小量較小，這是因為在較高速度下氣泡從壁面擴散的比較快。 第二章微氣泡減阻試驗研究 p 1 ( 3 5 m ) p 2 ( 4 8 m ) p 3 ( 8 a m ) p 4 ( 3 1 5 m ) p s f 3 2 8 m ) i 6 ( 3 6 8 m )

40、已 譬 u d0 1 30d t00 200 300 400 50 0 6 q = o s v ( a ) 蔫都摩擦阻力幕數(shù)( 話，0 5 ) 10 0 星o9 0 品 ob 0 07 0 0 00 100 200 300 4 d0 500 6 q = q j s v 膏蝦摩擦阻力系數(shù)( v 7 “酌 00 000 2 0 叫0 口6 ( c ) 總阻力癬牌 圖2 7t a k a h a s h i ( 2 0 0 1 ) 試驗?zāi)Ｐ秃蜏y量結(jié)果 2 2 影響減阻效果的因素分析 2 2 1 氣泡尺寸 oc 佴05 m ) c t 5 ( 18 r o ) 口c e 晤8 m 1 c f 4 (

41、1 38 m 、 xc t 5 【2 58 m ) 4 - c 1 s ( 4 3b m 】 注入氣泡的尺寸不取決于多孔扳的孔徑，而取決于壁面剪切應(yīng)力。一些試驗 的結(jié)論顯示較小的氣泡更利于減阻。m c c o r m i c k 和b h a t t a c h a r y y a 用電解水方法 產(chǎn)生氫氣泡取得1 0 - - 3 0 減阻。k a w a m u r a 等人研究了三種不同產(chǎn)生氣泡方法 來控制氣泡直徑。前兩種方法通過調(diào)整產(chǎn)生氣泡處局部剪切應(yīng)力達到，氣泡平均 直徑在0 5m m 一2m t n 范圍內(nèi)；第三種方法用溶解氣體泡沫化產(chǎn)生非常小氣泡，氣 泡平均直徑為o 0 4 7 碌當(dāng)

42、氣泡向下游流動，由于氣泡的爆裂和合并，氣泡平均 直徑趨近于一個平衡值，它取決于局部切應(yīng)變速率。試驗結(jié)果指出氣泡爆裂發(fā)生 在較短的距離( 6 1 0 6 的量級，6 ：邊界層厚度) ，氣泡合并發(fā)生在較遠的距 離( 1 0 06 的量級) 。也就是說，如果目標(biāo)直徑小于平衡值，氣泡直徑可在l 一 1 0 08 范圍內(nèi)持續(xù)控制。對于前兩種方式產(chǎn)生的氣泡( 直徑0 5 2 9 m ) ，氣泡直 徑對減阻的影響不顯著。至少氣泡直徑比湍流度大時，氣泡直徑對于減阻不是一 個重要參數(shù)。較小直徑的氣泡對減阻的影響還未有人研究。 第二章微氣泡減阻試驗研究 微氣泡通過促進湍流抑制氣泡合并結(jié)構(gòu)的形成而使湍流改變( 前蘇

43、聯(lián)提出) 。 氣泡的合并對取得較大減阻非常重要，它可以解釋美國m a d a v a n 等人試驗和前 蘇聯(lián)b o g d e v i c h 等人試驗之間減阻趨勢與流速關(guān)系的偏差。 圖2 8 給出了不同的氣泡狀態(tài)區(qū)域圖【”1 ，用湍流度記錄區(qū)域的不同( 湍流 能量耗散率流速的三次方) 。事實上有三種類型的氣泡狀態(tài)。當(dāng)氣泡較大時， 氣泡由于湍流作用而破裂；當(dāng)氣泡較小時，氣泡合并組成大氣泡或一個穩(wěn)定的結(jié) 構(gòu)；介于兩者狀態(tài)之間時，氣泡不改變自身特性而與湍流對流。當(dāng)氣泡尺寸比 k o l m o g o r f f 漩渦尺寸小時，氣泡合并的以下區(qū)域被顯著增加的平均粘度控制。 圖上添加的黑條是前面提到

44、的三組試驗結(jié)果，達到的減阻水平在“條”的末 端指出。m a d a v a n 試驗在最高速度情況下，氣泡尺寸很大，所以它的最佳減阻狀 態(tài)在較低速度下的氣泡合并狀態(tài)。正相反，b o g d e v i c h 試驗狀態(tài)在氣泡合并狀態(tài) 以下開始，從較低的狀態(tài)達到氣泡合并狀態(tài)，隨速度增大，減阻更多。m c c o n r t i c k 試驗狀態(tài)遠遠超過氣泡合并狀態(tài)，所以與m a d a v a n 試驗有相似的試驗結(jié)論。 三 v 刪 望 擴 1e + l y 5 r 1 r 二二二 1 1 4 - z + 0 2 e + 0 1 2 2 2 空隙率 1e + 01e + 01 e + o1i 【

45、t 0 le + 0i e + 0le + 01e + ol 葉1 2345bt890 漓漣姥耗散辜c ( e l z z 1 圖2 - - 8 氣泡動力狀態(tài)圖 空隙率隨注入氣泡增加而增大，在近壁面趨向于飽和。局部空隙率的最大值 通常發(fā)生在靠近壁面處，靠近壁面的空隙率對于微氣泡減阻十分重要。b o g d e v i c h 等人( 1 9 7 7 ) 發(fā)現(xiàn)減阻率與邊界層的最大空隙率吻合非常好，如圖2 9 所示。 m a d a v a n 等人( 1 9 8 5 ) 測量了不同空隙率下局部摩擦阻力系數(shù)，結(jié)果如圖2 一l o 所示。其中： o o = 猷q + 錫) 第| 二章微氣泡減阻試驗研

46、究 式中：包為氣體流量：量0 = u ( 占- 5 ) 6 ；巧：邊界層厚度，：邊界層排擠厚 度，6 ：多孑l 段寬度) 。 m e r k l e ，d e u t s c h ( 1 9 9 0 ) 2 9 1 給出一個經(jīng)驗公式： r 二上：0 8 e 一4 。+ 0 2 c r o 霧f i i k 2 繇 ， ， ) 父tt l ，r e = 0 , 3 2 j 0 ”2 ，r e = 0 4 8 1 0 f 抖j 3r e - - 爿3 8 1 0 t r c ：0 8 4 x 】f i r ； i l 圖2 9 局部摩擦阻力減小率與邊界層空隙率關(guān)系( b o g d e r i c

47、 h1 9 7 7 ) v o l u m e t r i c 扦a d i o no fa i r 。色，( + 0 。) 圖2 1 0 局部摩擦阻力減小率與空隙率關(guān)系( 0 = 1 6 7 m s ) ( m a d a v a n1 9 8 5 ) f i n nk a d a m a 等- ) k ( 1 9 9 9 ) 口o 】設(shè)計了一個封閉的高速循環(huán)水筒，如圖2 - - 1 1 所 示。試驗段內(nèi)部尺寸為：長3 0 0 0 m m ，寬1 0 0 r a m ，高t 5 m 搠。氣體通過孔規(guī)則 排列的多孔板( 孔徑1 肌肌，去流方向間距2 5 m 研，翼展方向間距1 8 7 5 m

48、m ，共 一0 8 6 4 2 ， 器 啪 ：； 叭 眥 。 0、盯魯芒器囂uj暑薔一d8j 第二章微氣泡減阻試驗研究 2 7 7 個孔) 注入。局部摩擦阻力直接通過剪切應(yīng)力傳感器測量。 試驗測量了三個下游位置( p 2 ，p 3 ，v 4 ) 和三個速度情況下的表面摩擦阻力， 結(jié)果如圖2 1 2 所示。橫軸為試驗段的平均空隙率瓦( 瓦= o o ( 絨+ 甌) ，q 為 試驗段空氣流量率，見為試驗段水流量率) 。另外，在有氣泡的狀況下，當(dāng)空 a i r i n j e 圖2 1 l 高速循環(huán)水筒及氣泡注入結(jié)構(gòu)詳圖 氣注入試驗面，由于流動體積的增大，流速明顯增加，所以c ，。在有氣泡的狀態(tài) 下

49、需要修正。所以c ，?？梢孕拚秊榭諝饬髁康暮瘮?shù)，可以用下式表達： c ，0 ( 蚴= c y o ( o ) 鬻 f ( ，) = 0 0 3 3 2 5 p v “4 f 7 “r ?！?式中c 加( q 。) 、cr 0 修正為q 的函數(shù)，u ( q 。) 是包的平均流速函數(shù)，r 為水動半 徑。在這三種速度下，表層摩擦阻力的減少值隨著空氣注入量的增加而增大，最 大減少值可以達到約3 0 。然而基于經(jīng)驗公式的m e r k l e 試驗數(shù)據(jù)大約可以達到 8 0 。但值得注意的是，m e r k l e 的試驗數(shù)據(jù)是在氣泡注入點下游端5 0 6 5 m m 處 得到的，但目前的數(shù)據(jù)是在下游端5

50、 0 0 1 5 0 0 m m 處得到的。在u = 5 m s 時，摩 擦阻力減小值與經(jīng)驗公式較好的吻合。但在較高速度時阻力減小值較小，和經(jīng)驗 公式吻合得程度差一些。 局部空隙率通過吸入管系統(tǒng)測量，測量到的口。應(yīng)乘以個常量來修正，這 樣就可以使積分得到的空氣流速和空氣注入口點處的流速相同。值得注意的是 第二章微氣泡減阻試驗研究 瓦是在空氣注入點( 位置1 ) 定義的，而且因為壓力下降注入空氣量向下游增加， 在高速下增加更大。結(jié)果如圖2 1 3 所示。在速度u = 5 m s 時，氣泡群集在管 壁表面，在下游幾乎不擴散。而在u = 7 m s 和l o r e s 時，氣泡能夠擴散開，而 且在

51、較高流速下擴散程度更大。在u = l o r e s ，氣泡在下游處明顯擴散。將數(shù)據(jù) 與圖2 1 2 中數(shù)據(jù)比較，可以看出靠近壁面的局部空隙率與減阻有很大關(guān)系。 q a t ( q a d - q w ) 哪v m t l r p , t s q a j ( q a + o w ) 伽) 坩m 圖2 一1 2 注入微氣泡情況下摩擦阻力的減小( 陣列板) t l l s t l n c e f r o m t h e w a l l l m m l 瑚v - 5 m s d l l n n c - h a mt h e w a l lf m m l 嗍v - t m s 圖2 1 3 局部空隙率

52、( 陣列板) d t e t a n c tr r e m t h e w a l l i m m l 惝v , - l o n 也 由以上的論述可見，微氣泡控制湍流邊界層減阻的試驗研究取得很大的進 展，而且試驗研究的覆蓋面已經(jīng)很廣，并已經(jīng)開始向?qū)嵈瑧?yīng)用的試驗研究轉(zhuǎn)化。 現(xiàn)有的主要成果是：微氣泡的注入對減阻的效果非常明顯；關(guān)于微氣泡和流體運 動的參數(shù)是影響減阻效果的主要因素，特別是空隙率和氣泡尺寸的影響。 第三章微氣泡減阻理論研究 第三章微氣泡減阻理論研究 3 1 微氣泡減阻機理 目前較成熟的微氣泡減阻理論分析還僅限于平板和管道流。微氣泡影響湍流 邊界層結(jié)構(gòu)至少有兩個潛在途徑：第一，微氣泡可改

53、變流體局部有效的粘度和密 度，從而改變局部湍流的雷諾數(shù)。這個結(jié)果可近似把微氣泡和水的混和物當(dāng)作各 向同性的流體，它有空間不同的特性。第二，氣泡可直接影響湍流，需要修改湍 流模型，建立氣液兩相流的流動模型。盡管兩種現(xiàn)象可能同時發(fā)生作用，但目前 研究中只考慮前一種的影響。同樣方法早期被用來模擬聚合物減阻的現(xiàn)象。 類似的是，有些學(xué)者提出兩種可能的減阻機理：第一，密度效應(yīng)：氣體密度 大約是水密度的1 1 0 0 0 ，近壁面聚集的氣泡層切斷水的剪切應(yīng)力從而減小摩擦阻 力：第二，湍流抑制效應(yīng)；氣泡抑制邊界層中的湍流導(dǎo)致摩擦阻力的減小。k a t o 等( 1 9 9 9 ) 測量氣泡管道流中的非?？拷?/p>

54、面的湍流度，結(jié)果顯示當(dāng)湍流度減小 時，表面摩擦阻力也減小。 k a t o 等( 1 9 9 9 ) 1 3 1 1 通過l d v ( l a s e r d o p p l e r v e l o c i t y ) 澳l j 量了充滿氣泡的湍流 邊界層中平均速度和湍流度分布，進行了微氣泡對湍流影響的研究。試驗在東京 大學(xué)的空泡水筒中進行，試驗段詳細情況如圖3 一l 所示。試驗段長5 8 0 m m ，寬 5 0 m m ，高1 2 0 m m 。氣泡通過多孔板( 4 0 m m 4 0 m m ，孔徑1 5 o n ) 注入邊界 層。水流速度在6 1 0 m j 間變化，u = 8 0

55、m ，j 時，在2 部分( 參考長度2 6 0 m m ) 處的雷諾數(shù)約為2 1 0 6 。圖3 2 給出注入微氣泡情況下摩擦阻力的減小。橫軸 代表無量綱的氣體流速a f r ( a f r = q ，( i u ) ，q ：氣體流量；萬：邊界層排擠 厚度：，：試驗段寬度；u ：水流速度1 。當(dāng)氣體流速較低時( a f r = 0 - - 0 2 ) ， 摩擦阻力并不減小。隨著氣體流速增大，摩擦阻力急劇減小。這個趨勢己經(jīng)被許 多研究者發(fā)現(xiàn)( b o g d e v i e h 1 9 7 7 1 3 1 ，m a d a v a n1 9 8 5 t 卯，k a t o1 9 9 4 【3 2

56、 1 。1 9 9 4 a t 3 3 1 ) ， 但他們都沒有討論出現(xiàn)這種趨勢的原因。 圖3 3 給出離壁面0 1m m 處的湍流度相對于空隙率的測量結(jié)果。當(dāng)氣泡濃 度低時，近壁面的湍流度增大：當(dāng)微氣泡密度繼續(xù)增大，湍流度開始減小。這種 趨勢的唯一可能解釋就是微氣泡之間的相互作用。k a t o 提出一種設(shè)想，如圖3 4 。當(dāng)氣泡尺寸非常小時，水流的湍流度隨氣泡密度增加單調(diào)減小；當(dāng)氣泡尺 寸和湍流一個量級時，湍流度在較低氣泡密度時增加，隨著氣泡密度的增加，由 于氣泡間的相互干涉，湍流度開始減小。跟隨一個氣泡產(chǎn)生的湍流由于附近相同 尺寸的氣泡群存在而減弱( 如圖3 5 所示) 。因此，氣泡群在

57、減小湍流時比單 第三章微氣泡減阻理論研究 個氣泡更有效。這個設(shè)想較好解釋了微氣泡減小摩擦阻力的機理。 r 產(chǎn)4 翟辯；：囀i 鏟焉罄囂麓耱 w a t e r ： 。 ：。 融f l o wi 柏；2 6 0 。i 1 4 0 m i c 今 攀“i 2 6 ll 驀 ， 至 墨 圖3 1 微氣泡對湍流影響試驗的試驗段模型( k a t oe ta 1 1 9 9 8 ) 療 蠢1 0 8 0 6 0 4 _ | j ；鶼糞菇u = 掣1 0 r 警r v s 鬟, s e c t i o n2 ； _ h ，_ n t i； i = e 一；至攀蔓未曩掣：。；釜 + o ：j ：。誓： p

58、。 _ r ， 。h - 一“w 一 一 “一：一一：- ；t ”d 一一- 卜一一_ o _ 一t _ c 。r 、* 一一 一o 一一一十一一一t t 一一 h_ u - 6 m f s ，s e c t i o n2 羔_ - - 。一一 。- _ ou = 6 m s 。s e c t i o n3 蘭絮置： 。* h ，一 - u = s m s ，s e c t i o n 2 。百。0 i _ - | i - l ，- - p - 一 一j 、 t 一 ，j 一、一- ，一 i - 一i ， _ o a f r 圖3 2 注入微氣泡前后的摩擦阻力系數(shù)比率 1 6 第三章微氣泡減阻

59、理論研究 t i 廠r i o 1 2 ：；：誓j ：曩j j ：一蠢：j i 三喜 。j ： # 。1 o 一、 茸：蕾：? ： 麓二：二：j ： 0 8 01 0 g 。( 多6 ) 圖3 - - 3 近壁區(qū)空隙率與湍流度關(guān)系圖 b t q r e m i m o z tm m b 自 ，、 ? 產(chǎn) 圖3 4 塹蛆地墊! ! 她鯉! 曼皇! ! 蜓! ! 鯉! 她k i i c r a - t f t - r 0 1 自c id i # o ft u v b uj l # c ! ! 墼! 迪! ! ! 墜! ! 目! 些! ! ! ! 叢鯉i ! 叢睡： 圖3 5 廿誓1 廿n z。：一 、1ji， 口n 一一一 _ 一 -一一#-一_n 第三章微氣泡減阻理論研究 3 2 微氣泡減阻理論研究 3 2 1 簡單模型 l e g n e r ( 1 9 8 4 ) 1 4 】提出一個微氣泡減阻的簡單模型，它綜合考慮了小氣泡 ( 1 0 0 p r o ) 、高聚集濃度的氣泡和湍流三方面的因素。l e g n e r 通過邊界層中的氣 體聚集濃度輪廓曲線的示意圖3 - -