大型拖曳池减阻效果试验研究

大型拖曳池减阻效果试验研究

0微气泡减阻技术微气泡形成在附近的薄气膜，能有效减小固体壁面和其他介质之间的摩擦阻力。有许多关于这项研究的文献。将这一减阻技术应用到船舶、舰艇等水上、水下运动物体上,例如设法向船舶底部近壁区喷射微气泡,使船舶底部近壁区变成水与微气泡的混合介质,即在船底表面形成一薄层气膜,能有效减少摩擦阻力,或提高速度。此外基于同样的原理,对管内液体、或液固两相介质的运输也能起到节能、延长管道使用寿命等作用。因此对该项技术的研究具有重要的理论和实际意义。微气泡减阻的机理目前虽然尚不清楚,但有实验研究报道减阻效果与气泡直径、气泡体积浓度、气泡层所处的位置以及在边界层中的分布、气膜覆盖的湿面积等因素有关;减阻效果还与喷气方式、喷口位置、气压、流量、速度、断阶形式、气泡层厚度以及气膜在物面上的覆盖范围有关,船舶的浮态、波浪等也明显影响减阻效果。作者针对一大比尺的平底型船模,给出了在大型拖曳水池中不同拖曳速度、不同喷气量的情况下,船模吃水对减阻效果影响的对比性试验研究结果。1多孔硅板生成微气泡试验船模为木制,中部为平底段,底部两侧装有防逸条。船模水线长2500mm、型宽400mm、型深0.16m。采用长200mm,宽400mm,厚5mm的多孔硅板生成微气泡。多孔硅板一面与船模底部平齐,另一面为一空腔的底部,气体在压力的作用下经容器底部即多孔硅板生成微气泡。采用储气罐供气,通过减压阀调节压力,阀门控制流量。两台流量计分别测量总流量和分流量。两个喷气装置分别在船模首部和中部,见图1。试验在605研究所水池中进行,水池主尺度:池长510m、池宽6.5m、池深6.8m、水深5.0m。拖车性能:速度范围0.5m/s～22m/s,车速稳速精度优于0.2%。试验数据采集处理数值化。2阻力和倾角传感器测量船模初态正浮,纵、横倾角均为零度,为非约束模试验状态。采用电测法测量阻力,倾角传感器测量纵倾角。在三种喷气方式下,即仅在首部喷气;首、中部均分量同时喷气;首70%、中部30%喷气量同时喷气,试验方案见表1,其中Fr为船长傅氏数。3船模总减阻率的计算试验中,减压阀安装在储气罐出口以控制进气压力。流量计安装在减压阀的下游与空腔的气流入口之间。由于测量技术的困难,未直接测量多孔硅板生成微气泡的体积流量,而直接测量喷气流量。如果喷气、以及拖车速度稳定后,忽略气体的压缩性(因压力不高,压缩性的影响很小),近似认为所测得的气体流量为微气泡的体积流量。对比性试验条件下船模总减阻率的计算公式为:式中:ζ为船模总减阻率;R0,R′分别为模型条件相同时不喷气和喷气时的船模总阻力。3.1船模中部均量、中部20%喷气量对减阻率的影响受测量技术的限制,所测阻力为船模总阻力。所试验的模型近似首尾对称,计算结果中忽略了纵倾对湿面积的影响。不同喷气形式、拖曳速度和喷气量下,吃水对减阻率的影响见图2。图2(a),(b),(c)表明,在两种喷气方式下,即仅在船模首部喷气,以及首、中部均量同时喷气,船模浅吃水时的减阻效果优于深吃水;而船模首、中部均量同时喷气并且大喷气量时(15m3/h以上),减阻率大幅上升。当船模首部70%,中部30%喷气量同时喷气时,深吃水对减阻较为有利,Fr=0.363时减阻效果与仅在首部喷气情况相当,而Fr=0.505和0.646时,总减阻率整体上优于仅有首部喷气情况。这说明在相同吃水时,佛鲁德数Fr的增加有利于气膜在船模底部近壁面有效形成。图2(d)为Fr=0.808时不同喷气形式,减阻率随喷气量的变化。试验结果表明仅有首部喷气和首中部均量同时喷气时,喷气量在很大范围内(高于5m3/h),中等吃水时减阻效果好,且在首中部均量同时喷气达最大喷气量时,减阻率高达32.8%。而首部70%,中部30%喷气量同时喷气时,除去最大喷气量情况外,不同吃水下减阻效果差别不大。图2(e)为Fr=0.909时不同喷气形式,减阻率随喷气量的变化。试验结果表明不同喷气形式下,减阻率基本上随喷气量的增大而增大,除了最大喷气量(20m3/h)外,吃水越深减阻效果越好。3.2喷气量的影响图3(a),(b),(c)分别为仅在船模首部喷气;首部70%、中部30%喷气量同时喷气;首、中部均量同时喷气时,不同Fr数、不同吃水下,仰角随喷气量的变化。试验结果显示,纵倾角随Fr数的增加明显增加,而随喷气量的增加变化不大。试验中观察发现,当Fr>0.808以后,船模进入半滑行状态。对于Fr=0.808的各种喷气方式下,浅吃水状态下纵倾角比深吃水时平均增加为12%～24.8%,其中仅在首部喷气时增幅最大(24.8%),显然这是由于首部集中喷气,使船首抬高引起纵倾角增加。对于Fr=0.505的各种喷气方式下,浅吃水状态下纵倾角比深吃水时平均减少为6%～15%,其中首、中部均量喷气时减幅为15%。对于Fr=0.646,首、中部均量喷气时吃水对纵倾角基本没有影响,而仅在首部喷气,浅吃水状态下的纵倾角比深吃水时平均增幅略大于首70%中部30%喷气量同时喷气。4喷气量对减阻率的影响针对大比尺平底型船模,分别在船模底部的首、中部安装多孔硅材料板以生成微气泡,在大型拖曳水池中进行了不同拖曳速度、不同喷气量下,吃水对减阻率影响的对比性试验,得出以下结论:1.仅在船模首部喷气,以及首、中部等量同时喷气,Fr≤0.646时,浅吃水时的减阻效果优于深吃水;特别在大喷气量时(15m3/h以上),首、中部等量同时喷气减阻率大幅上升。2.Fr=0.808时,仅在首部喷气和首中部等量同时喷气时,喷气量在很大范围内,中等吃水时减阻效果好;特别在首、中部等量同时喷气且达最大喷气量(20m3/h)时,减阻率高达32.8%。而首部70%,中部30%喷气量同时喷气时,除去最大喷气量情况外,吃水对减阻效果影响不大。3.纵倾角随Fr的增加明显增加,而随喷气量的增加变化不大。4.对于Fr=0.808的各种喷气方式下,浅吃水状态下纵倾角比深吃水时平均增加12%～24.8%,其中仅在首部喷气时增幅最大。5.对于Fr=0.505的