气泡逸出控制措施对气泡船减阻效果影响的数值分析

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1、武汉理工大学硕士学位论文第1章绪论1．1船舶减阻的研究方向国家经济的发展给交通运输业带来了巨大的发展空间，航空运输的大量投入铁路运输的多次提速和公路运输网的不断扩大都给船舶运输业带来了前所未有的挑战。因而高速船的研究成为水运业发展关注的焦点，其中如何降低船舶航行阻力及提高船舶速度更是重要，己经发展成为一个综合性课题，具有关键性的研究意义。在船舶航行阻力中，由于流体介质的粘性所引起的粘性阻力，包括表面摩擦阻力和形状阻力，在低速时占总阻力的80％-90％，而在高速时，则接近60％11Ⅱ2J，因此减小粘性阻力一直是研究者关注的重点。

2、针对粘性阻力的特点，一方面不断优化船型，在试验和实践的基础上发展出一系列的船型，来减小船舶的形状阻力；另一方面则考虑以粘性系数低的流体置换粘性系数高的流体，以减小表面摩擦阻力，研究的结果包括各种滑行艇、气垫船以及地效船的出现。与此同时，随着研究条件的成熟，人们开始试着采用各种措施以改变层流边界层和湍流边界层流速分布，从而减小表面摩擦阻力。微气泡减阻技术正是基于该思想发展起来的。微气泡技术减阻机理最初的考虑是通过将微气泡这种粘性系数比水小的介质注入到边界层中，以替换水，但随后的研究发现，微气泡和水的混合物的粘性系数比水更耐31，

3、因而并不能将微气泡减阻简单地归为以粘性系数低的流体置换粘性系数高的流体。微气泡技术的减阻机理一定程度上类似于高分子聚合物注入边界层的方法，通过控制边界层内的湍流结构，减少湍动能和雷诺应力的产生，从而达到减小阻力的目的【3】【4】。虽然其减阻的机理至今仍然没有确立，在实际应用中也由于不能形成稳定的微气泡和水的混合层，而难于应用于现有的实船，然而其良好的减阻效果已经为试验所验证。据俄罗斯克雷洛夫研究院报掣删：高速滑行艇在功率相同的情况下，采用气层减阻可以提高航速10"-'30％，在同样速度下，可以降低主机消耗功率的20---'40

4、0／o，而低速货船，在同样航速下，使用气层减阻的船可以节省主机功率10"--30％。所需专用的压缩机的功率不到主武汉理工大学硕士学位论文机功率的3％，所需空气量不大。另外，采用气层减阻的方法，并不会恶化船舶的其它性能(稳性、操纵性、适航性等)，其结构比水翼艇、气垫船简单、造价较低，但是航速可以达到水翼艇的水平。1．2国内外微气泡减阻研究现状国外有关微气泡减阻的研究大多数围绕平板和低速驳船、回转体进行。研究重点采用先进的测量技术(如激光测速、总阻力测量、表面热模探头等壁面应力测量技术)研究微气泡对湍流边界层特性的影响、微气泡减阻

5、的效果及影响因素、产生微气泡的方式等方面。HartmutH．Legnert9】的实验结果表明：把直径为50微米左右的微气泡引入湍流边界层内，在微气泡与液体混合后比较稳定的情况下，可获得十分明显的减阻效果，一般可使表面摩擦阻力减小50％到90*,4，在喷气量最大的情况下，减阻效果可达80％到90*,4。MadavanN．Kt91110】等人在1984年和1985年的实验结果表明：微气泡在壁面边界层的体积浓度Q与摩擦阻力系数(c，／c自)(c，为引入微气泡后的摩擦阻力系数，c南为只有水流时的摩擦阻力系数)有密切关系。他们将减阻机理

6、解释为：减阻是由混合体密度的减小及湍流的改变所造成的，最大的减阻率是由气体的增量极限决定的，由于流体的粘度也随之增大，这是限制减阻继续增加的重要因素。俄罗斯学者Migirenko[51，Dunisehe46】和BogdevichtTjt8]等(1974～1976)进行了微气泡降阻试验，他们采用多孔不锈钢平板喷气的方法，喷气孔直径为1--,50inn，将微气泡引入紊流边界层内达到降阻的目的。其实验结果表明：喷气孔的大小对减阻效果影响很大，当喷气孔直径为1-31xm时，能获得最佳的减阻效果；当喷气孔直径为50"-"1009m时，喷

7、气几乎没有减阻作用。气泡直径估计在亚微米到50pro之间；气泡体积浓度在到壁面的法向距离为0．1倍的边界层厚度处，达到最大值(约为80％)；在近壁处和边界层外气泡浓度为O，在近壁处存在无气泡区。摩擦阻力减少的程度，随喷气流量率的增大而增大，直至饱和喷气流量率，此后增大喷气流量率，摩擦阻力的变化不大；在喷气出口处的紧后方，局部摩擦阻力的减少量最大，约为90％，沿着去流方向，局部摩擦阻力减少量下降，直到失去减阻效果。美国学者Madavan、Detusch、Merkle、Castano(1984、1985)对不锈钢平板2武汉理工大学

8、硕士学位论文和回转体的微气泡降阻试验研究基本上证实了俄罗斯的研究结果，其实验研究的摩擦阻力可减少50％---80％111451。其封闭循环水洞的平板实验，自由来流的湍流度为O．3％一0．5％，流速为4～17m／s，压力范围在0．2—4个大气压，所用平板尺度为533mmx279