气泡减阻实验研究

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气泡减阻实验研究第38卷第4期2009年8月船海工程SHIP&OCEANENGINEERINGVol_38No.4Aug.2009气泡减阻实验研究张木.谭俊杰,何快(南京理工大学动力学院,南京210094)摘要:为研究气泡对航行体侧壁的减阻效果,设计一套试验装置.利用该装置,采用壁面通气法研究不同通气量,不同来流速度和不同通气角度对气泡减阻效果的影响.实验结果表明:在通气量和通气角度不变的条件下,减阻率随来流速度增加而增加;在来流速度和通气角度不变的条件下,随通气量增加,减阻率先增加然后变小;在来流速度和通气量不变的条件下,减阻率随通气角度的增大而减少;在一定的条件下,取得了2O.34的减阻率.关键词:气泡;减阻;圆柱体模型;壁面通气中图分类号:U661.3文献标志码:A文章编号:1671—7953(2009)04001304船舶等航行体耗能巨大,减少航行体的阻力,提高水中航行体动力系统的效率和性能是研究热点,利用气泡降低船体与水之间摩擦阻力的研究取得了较好的减阻效果_Jj,但在迄今为止的气泡减阻实验研究中,由于水下航行体外形较复杂,为了简化实验模型与研究气泡对航行体底部的影 响,绝大多数关于气泡减阻实验的研究采用平板为实验模型.为了研究气泡对航行体侧壁的减阻效果,结合圆柱体本身具有较大的曲率,形状规则的特点,采用圆柱体为实验模型;并且依靠自行设计的数据采集系统,对在不同通气位置,通气量和来流速度条件下的气泡减阻效果进行实验研究.1实验装置简介由于湍流流动的复杂性,目前国内外没有关于气泡减阻机理方面准确的理论分析.但有学者提出一种可能的减阻机理——密度效应,即气体密度大约是水密度的1/1000倍,靠近模型壁面聚集的气泡层切断水的剪切应力,从而减小模型受到的摩擦阻力.据此,为了研究气泡对模型侧壁的减阻效果,设计了如图1所示的实验装置系统.实验区域为直径lm的圆盘,圆盘中装有适量的水,当电机驱动圆盘转动时,圆盘中的水将逐收稿日期:2008—11O4修回日期:2009—03—12作者简介:张木(1985一),男,硕士生.研究方向:流体力学.E-mail:naniingzhangmo@163.corn渐形成稳定的流动,可以为模型提供合适的来流条件.图1实验系统示意图实验模型的设计,主要依据四个方面的考虑:模型尺寸,气泡产生方式,模型密封性以及模型与天平连接方式.根据实验条件,设计了如图2所示的实验模型.图2圆柱体模型主视图 为了在模型侧面产生均匀的气泡,在模型表面设计了如图3所示的8个气孔,将气孔与供气管路相连,采用气瓶集中供气.为获得合适的来流条件,编制了电机转速控制程序,驱动电机带动转盘匀速转动.实验中把喷气孔与来流方向之间13第4期船海工程第38卷的夹角称为通气角度,如图4所示.图3气孔位置实物图来流JJJ图4不同通气角度示意测力天平的设计,既要保证其具有较高的灵敏度,又要尽可能地简单,便于机械加T和节省成本.综合以上原因,先根据Fluent软件模拟计算出的不同实验条件下天平受力的变化范围,再设计如图5a)所示的天平尺寸,并用Ansys软件模拟天平不同位置的应力分布,确定如图5b)所示的应变片位置.刨衄一451.84l一0.04168(1)式中:y天平的应变输出电压,mV;——作用在天平上的力,N.从式(1)可以看出,天平的应变与模型受到的阻力呈线性关系,符合胡克定律.设计如图6所示的信号采集系统,记录天平输出电压,放大器放大倍数,稳压电源电压,来流 速度等.计算机通过信号放大和传输系统,取得了天平的输出信号,对信号进行数字滤波,显示,存储,绘图和误差处理.图6信号采集系统示意2实验方案由于只有当气泡在模型边界层的内部时,才能起到减小摩擦阻力的作用.改变边界层中气泡的分布是通过改变来流速度,通气量以及通气角度来实现的,设计了如表1的实验方案.表l气泡减阻实验方案(水位高度76mm)项目数值3实验结果与分析每次实验的初始条件各有不同,这将影响初始输出值,但并不会影响系统的绝对输出值.在没有通气情况下,模型所受到的阻力为:Rf—R一Rb(2)式中:R——阻力绝对值;尺——未通气时来流速度稳定下模型受到的阻力值;R——未通气时电机转动前天平输出的初始值.在通气实验过程中,电机转动前后以及通气o1∞ll踞10∞..OOOS S●.m((度Q度角量速气气流通通来气泡减阻实验研究——张木,谭俊杰,何快前后模型受到的阻力不同,减阻率为:一R:一R:一R—~--—Rb式中:R一一通气时模型受到的阻力;R:一——未通气时模型受到的阻力.R9其中:尺——通气前模型受到的阻力;R一通气后模型受到的阻力;R——基值.R9其中:R——电机启动前天平输出值;R一一电机停止转动稳定后天平输出值.3.1通气量对模型阻力的影响为了考察通气量对减阻效果的影响,分别进行了通气量为0.35,0.76和1.15,1.7,2.42I/s情况下的气泡减阻实验.对实验数据进行处理 后,减阻率随通气量的变化情况见图7.201816l412108642O图70=0.,v=1m/s时,随Q的变化关系从图7看出,在来流速度和通气角度不变的情况下,减阻率随通气量的增加先增大后减小.1)Q一0.35I/s时,大量气泡向模型两侧飘逸,仅有少量的气泡贴近壁面,边界层内的气泡浓度较小,减阻效果不明显.2)0.35I/s<Q≤1.15I/s时,随着通气量的增加,气泡贴近壁面的数量增加,边界层内气泡的体积浓度增大,减阻效果得到改善.3)1.15I/s<Q<2.42I/s时,从气孑L喷射出来的气体形成射流,在来流作用下,形成一定的拱度,增加了模型的形状阻力,增加的形状阻力抵消了一部分气泡减小的阻力,导致减阻率降低.4)Q一2.42I/s时,从气孑L喷射出来的气体射流增强,大量气泡喷射到边界层的外部,边界层内的气泡浓度降低,减阻效果随之下降. 3.2通气角度对模型阻力的影响为了考察通气角度对模型阻力的影响,进行了通气角度分别为0,22,45和9O情况下的实验,对实验数据进行处理后,减阻率随通气角度的变化情况见图8.图8v=O.88m/s,Q=1.73L/s时,{随0的变化关系从图8看出,在通气量和来流速度不变的情况下,减阻率随通气角度的增大而减小.1)一0.时,从气孔喷射出来的气体受到来流的影响,大量气泡贴近模型壁面流过,边界层内气泡浓度较高,减阻效果明显.2)0.<<9O.时,随着通气角度增大,气泡覆盖模型的面积减小,气泡飘逸比例增加,进而导致边界层内的气泡浓度降低,削弱了气泡减阻的效果,减阻率降低.3)一90.时,大量气泡在来流的影响下,向远离边界层的尾迹区运动,仅有极少量气泡贴近模型壁面流过,导致边界层内的气泡浓度非常低,减阻率仅为0.81.3.3来流速度对模型阻力的影响为了考察来流速度对减阻率的影响,分别进行了来流速度为0.25,0.63,0.88,1,1.13m/s情况下的实验,对实验数据进行处理后,减阻率随来流速度的变化关系见图9.22201816l412 1O86o图9Q=1.15L/s,O=O.时,考随V的变化关系15,/)第4期船海工程第38卷从图9可以看出,在通气量和通气角度不变的条件下,减阻率随来流速度增加而增加.其现象可解释为,随着来流速度增大,气孔中喷出的气体受到来流的影响,更多气泡紧贴着模型壁面流过,使实验模型边界层内的气泡浓度增加,减阻效果增强,减阻率最高可达20.34.对实验过程中气泡运动形态的观察也证实了这一点.一0.25m/s时,减阻效果不是很理想.这是因为当流速较低时,水对气泡的浮力作用明显,大部分的气泡没有贴附在模型表面,而是从气孔喷出后直接上升到水面发生破裂,造成减阻效果降低.4结论1)边界层内的气泡浓度对气泡减阻的效果,有着重要的影响.2)对于文中的模型,在通气量和通气角度不变的条件下,减阻率随来流速度增加而增加,减阻率最高可达20.34.3)对于文中的模型,在来流速度和通气角度不变的条件下,随着通气量增加,减阻率先增加然后变小.4)对于文中的模型,在来流速度和通气量不 变的条件下,随着通气角度的增大,减阻率趋于减少为了更详细地分析气泡减阻规律,有待进一步的研究:1)气泡大小与减阻效果关系的确定,能够产生最佳减阻效果的气泡尺寸.2)本实验是在较低水流速度下进行的,通过对实验装置的改进,研究较大流速下模型表面喷气减阻的规律.参考文献Eli毕毅,郭峰.水下回转体微气泡减阻方案设计EJ3.船海工程,2008,37(4):138—141.E2]PALS,MERKLEC,DEUTSCHS.Bubblecharac—teristiesandtrajectoriesinamicro-bubbleboundarylayerI-j].PhysicsofFluids,1988,31(4):744—751.[3]宋保维,黄景泉.微气泡降低平板阻力的研究[J].水动力学研究与进展,1989,4(4):105—114.[4]曹春燕.船舶微气泡减阻数值模拟[D].武汉:武汉理工大学交通学院,2003.[5]黄衍顺,王震,王吉强.通过微气泡控制湍流边界层减阻的研究与进展l_J].船舶工程,2003,25(1):1—5.E6]MURAIY,FUKUDAH.OISHIY.Skinfricationre-ductionbylargeairbubblesinahorizontalchannelflow[J].InternationalJournalofMuhiphaseFlow,2007.33:147—163.ExperimentalStudyonDragReductionwithAirBubbleZItANGMu,TANJun-jie,HEKuai(SchoolofPowerEngineering,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094,China) Abstract:Inordertoresearchtheeffectofdragreductionoftheairbubbleonthehullsidewall,asetoftestingappa—ratuswasdesigned.Bythisapparatus,theeffectsofairbubbledragreductionwithdifferentairflow,dissimilarincomingflowvelocityanddifferentventilatinganglewereresearchedbygasinjectiononthewal1.Testresultsshowedthatastheairflowandventilatingangleareinvariable,alongwiththeincomingflowvelocityincreasing,theefficiencyofdragreduc—tionincreases;astheincomingflowvelocityandventilatingangleareinvariable,alongwiththeairflowincreasing,theef—ficiencyofdragreductiondiminishesafterincreasing;astheincomingflowvelocityandairflowareinvariable,alongwiththeventilatingangleincreasing,theefficiencyofdragreductiondiminishes.Undergivenconditions,about20.34theefficiencyofdragreductioncouldbeobtained.Keywords:airbubble;dragreduction;cylindermodel;gasinjectiononthewall16