葉青，董文才，歐勇鵬

(海軍工程大學(xué)艦船工程系，湖北武漢430033)

氣層減阻技術(shù)是實(shí)現(xiàn)船舶節(jié)能減排的重要途徑，應(yīng)用在肥大型運(yùn)輸船舶上可減少航行阻力8%～15%，節(jié)約主機(jī)功率10%左右，而噴氣消耗的功率小于主機(jī)功率的3%［1-6］。盡管該技術(shù)的機(jī)理探討并未完全突破，但其工程應(yīng)用已經(jīng)取得較大進(jìn)展，部分發(fā)達(dá)國(guó)家相繼開(kāi)發(fā)出節(jié)能效果良好的氣泡船，如俄羅斯、日本等［7-8］。我國(guó)在該領(lǐng)域的研究尚未實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，主要在于還沒(méi)有突破高效穩(wěn)定的氣層生成技術(shù)，而深入了解氣層在船體周?chē)牧鲃?dòng)特征及其影響因素是實(shí)現(xiàn)對(duì)氣層有效控制的基礎(chǔ)。

目前，Wendy C S等［9-14］眾多學(xué)者對(duì)氣層減阻機(jī)理及內(nèi)部構(gòu)型進(jìn)行了研究。但這些研究的重點(diǎn)在于試圖通過(guò)觀測(cè)氣層中氣泡直徑、濃度分布等內(nèi)部結(jié)構(gòu)，揭示氣層減阻機(jī)理，對(duì)氣層宏觀形態(tài)特征的描述并不全面，尚不能直接用于氣泡船的減阻方案設(shè)計(jì)。為此，本文在低湍流度水洞中開(kāi)展了氣液兩相流邊界層特性模型試驗(yàn)，著重探索氣層在平板底部的宏觀流動(dòng)特征，分析來(lái)流速度、氣流量對(duì)氣層形態(tài)特征及流態(tài)轉(zhuǎn)變的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

試驗(yàn)在北京大學(xué)湍流研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的低湍流度水洞中進(jìn)行，水洞試驗(yàn)段的尺寸為400 mm×400 mm×6 000 mm，速度為1.0～1.3 m/s，湍流度低于0.3%。

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。平板總長(zhǎng)為1 200 mm，寬為380 mm，厚為10 mm，采用有機(jī)玻璃制作，頭部加工成橢圓形，尾部削尖。噴氣板長(zhǎng)為70 mm、寬為130 mm，采用不銹鋼制作，位于平板中縱剖線上，距離平板導(dǎo)緣410 mm。

圖1 平板模型Fig.1 Sketch map of the flat plate model

采用高性能照相機(jī)對(duì)平板底部的氣層進(jìn)行拍攝，照相機(jī)安裝在平板正下方，片光源分別由水洞的兩側(cè)水平射入，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，使得照相效果最佳。對(duì)采集得到的氣層圖像，利用圖片處理工具繪制網(wǎng)格線，然后提取出氣層的邊界坐標(biāo)，從而獲得氣層的分布區(qū)域。

2 氣層形態(tài)及其影響因素

2.1 氣層流動(dòng)特征

圖2給出了平板底部氣層的典型試驗(yàn)照片，圖中V表示來(lái)流速度，Q表示氣流量。由圖2可以看出，通過(guò)噴氣板向平板底部水流中直接噴氣，所形成的氣層具有如下特點(diǎn):氣層自噴氣入口處向后延伸，其內(nèi)部為氣體與水混合的兩相流動(dòng);氣層寬度沿流動(dòng)方向逐漸增加，并具有較為清晰的、近似為二次曲線的邊界;氣層中的氣體濃度沿流動(dòng)方向呈降低趨勢(shì)，沿寬度方向變化不大。

為表征氣層邊界的擴(kuò)散規(guī)律，定義邊界氣層任意位置處氣泡的運(yùn)動(dòng)方向與來(lái)流方向的夾角θ為擴(kuò)散角，如圖3，其中Vb表示邊界上氣泡的運(yùn)動(dòng)速度。θ的大小與V、Q和距噴氣口距離z有關(guān)，為

量取試驗(yàn)觀測(cè)范圍內(nèi)不同位置處的擴(kuò)散角，取平均值定義為氣層平均擴(kuò)散角，用以表示氣層擴(kuò)散整體情況。

圖2 平板底部的典型氣層Fig.2 Photographs of typical air layer under the flat plate

圖3 擴(kuò)散角示意圖Fig.3 Sketch map of the spread angle

2.2 氣流量的影響

圖4為來(lái)流速度V=1.287 m/s時(shí)，平板底部氣層形態(tài)隨氣流量的變化?？煽闯?相同速度下，噴氣量不同，平板底部的氣層形態(tài)不同;隨著氣流量增加，氣層的橫向擴(kuò)散角和氣層中氣體濃度均增大。

通過(guò)對(duì)圖4中氣層流動(dòng)圖像的對(duì)比還可以看出:隨著氣流量的變化，氣層表現(xiàn)為不同的流動(dòng)形態(tài);當(dāng)Q=0.36、1.08 m3/h時(shí)，氣體主要以氣泡的形式存在，氣層表現(xiàn)為氣泡流;當(dāng)Q=1.42 m3/h時(shí)，氣層首部形成局部空穴，之后破碎為氣泡流，整體上表現(xiàn)為分層流與氣泡流同時(shí)存在的過(guò)渡流;當(dāng)Q增大為1.80 m3/h時(shí)，空穴面積進(jìn)一步增大，將平板與水完全隔離開(kāi)來(lái)，氣層表現(xiàn)為氣液分層流。

圖5為V=1.287 m/s時(shí)氣流量對(duì)氣層平均擴(kuò)散角及橫向?qū)挾鹊挠绊懀瑘D中橫軸X表示與噴氣入口的距離，縱軸w表示氣層的寬度。由圖5可以看出:氣流量增加，氣層平均擴(kuò)散角度增大，相同位置處氣層寬度增加。

圖4 不同氣流量下的氣層形態(tài)Fig.4 Air layer shape at different air flow rate

圖5 氣流量對(duì)氣層平均擴(kuò)散角及寬度的影響Fig.5 The effect of air flow rate on average spread angle and breadth of the air layer

2.3 來(lái)流速度的影響

圖6給出了氣流量Q=1.0 m3/h時(shí)不同速度下平板底部的氣層形態(tài)。由圖6可以看出:相同氣流量下，來(lái)流速度不同，平板底部氣層形態(tài)不同;速度較低時(shí)，氣層橫向擴(kuò)散角較大，氣泡在氣層中的分布相對(duì)稀疏;隨著速度增加，氣層橫向擴(kuò)散角減小，氣泡在氣層中的分布逐漸細(xì)密。

圖6 不同來(lái)流速度下平板底部的氣層形態(tài)Fig.6 Air layer shape of flat plate at different inflow velocities

圖7給出了氣流量Q=1.0 m3/h時(shí)，來(lái)流速度對(duì)氣層寬度及平均擴(kuò)散角的影響。由圖可以看出:速度增加，平均擴(kuò)散角降低，氣層寬度減小。

圖7 來(lái)流速度對(duì)氣層平均擴(kuò)散角及寬度的影響Fig.7 The effect of inflow speed on average spread angle and breadth of the air layer

2.4 流態(tài)轉(zhuǎn)變分析

由2.2節(jié)及2.3節(jié)的分析可知:平板底部的氣層流態(tài)與氣流量及來(lái)流速度有關(guān)，其基本變化規(guī)律為:氣流量增加，氣層從氣泡流轉(zhuǎn)變?yōu)榉謱恿?來(lái)流速度增大，氣層從分層流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)闅馀萘?。為了進(jìn)一步揭示氣流量及來(lái)流速度對(duì)氣層流態(tài)的影響規(guī)律，定義無(wú)因次氣流量系數(shù)Cq:

式中:B表示噴氣入口的橫向?qū)挾龋颂嶣=0.13 m;δ表示不噴氣時(shí)噴氣口處的邊界層厚度，計(jì)算［15］如式(3)，Re表示噴氣口處的雷諾數(shù)，計(jì)算公式如下:

式中:x為噴氣口距平板導(dǎo)緣的距離，取x=0.41 m;ν表示粘性系數(shù)，常溫下取ν=1.003×10-6。

表1給出了氣層流態(tài)隨無(wú)因次氣流量系數(shù)變化的試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由表1可知:氣層流態(tài)的轉(zhuǎn)變與無(wú)因次氣流量系數(shù)Cq有關(guān);當(dāng)Cq≤0.610時(shí)，氣層主要表現(xiàn)為氣泡流;當(dāng)Cq≥0.707時(shí)，氣層由氣泡流轉(zhuǎn)變?yōu)檫^(guò)渡流;當(dāng)Cq≥1.446時(shí)，氣層由過(guò)渡流轉(zhuǎn)變?yōu)榉謱恿鳌?/p>

表1 氣層流態(tài)隨無(wú)因次氣流量系數(shù)變化的試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)Table 1 Experimental statistics of the air layer shape changed with non-dimensional izedair flow rate coefficient

3 結(jié)論

1)平板底部噴氣所形成的流場(chǎng)為氣體與水混合的兩相流動(dòng)，氣層向后延伸過(guò)程中寬度逐漸增加，存在一個(gè)橫向擴(kuò)散角;氣層具有較為清晰的、類(lèi)似二次曲線的邊界。

2)氣流量和來(lái)流速度對(duì)氣層的寬度及擴(kuò)散角影響較大。氣流量增加，氣層寬度和擴(kuò)散角增大;來(lái)流速度增加，氣層寬度和擴(kuò)散角減小。

3)氣層流態(tài)受氣流量和來(lái)流速度的影響主要表現(xiàn)為3種形式:氣泡流、過(guò)度流和分層流。氣層流態(tài)與氣流量和來(lái)流速度有關(guān)，當(dāng)Cq≤0.610時(shí)，氣層主要表現(xiàn)為氣泡流，當(dāng)Cq≥1.446氣層轉(zhuǎn)變?yōu)榉謱恿?，其他情況下呈現(xiàn)出分層流與氣泡流同時(shí)存在的過(guò)渡流態(tài)。

該研究結(jié)果可為深入認(rèn)識(shí)氣層發(fā)展規(guī)律提供幫助，為構(gòu)建大型運(yùn)輸船舶底部氣層分布及減阻率預(yù)報(bào)模型提供指導(dǎo)。

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