船模微气泡减阻试验摩擦阻力系数的确定

船模微气泡减阻试验摩擦阻力系数的确定

0船模减阻效果的分析模型试验是研究微气泡衰减的最常见方法。目前，主要的船舶微气泡衰减试验是进行总阻力比较的。虽然微气泡阻力的精确机制尚不清楚，但微气泡阻力是减少摩擦阻力的原因是公认的。为了获得客观的衰减效果，应尽量消除波阻力和形状阻力对试验结果的影响。这是测试微模型摩擦阻力的有效方法，这是国内同类型实验人员非常关注的问题。本文给出了船舶模型的设计方法和测试方法。实验结果表明，该方法基本上消除了兴波阻力和形状阻力的影响。1船模阻力试验采用如图1所示的船模,在武汉理工大学循环水槽内进行实验.该水槽的尺寸为:长6.0m×宽1.8m×高0.9m,试验段的最大流速为1.8m/s(可无级调速).为了保证供气压力和连续供气,采用鼓风机供气.船模喷气装置中的喷气板为多孔硅材料板.为了消除船模首部层流段对阻力试验和换算准确性的影响,在船首加设了人工激流丝.另外,考虑到试验速度不高,还在船模尾部加设了压浪板.试验采用的是约束模型,测力传感器与船模固结.试验时先在同一水速下测量光船的阻力,然后打开鼓风机,调整好气体流量,向船底喷入微气泡,测量喷气情况下的船模阻力.测力传感器的信号通过采集系统和计算机数据处理系统的处理,最终得到试验结果.上述所测数据为船模总阻力,包含了船模兴波阻力和形状阻力在内.虽然在数据处理过程中,采用总阻力的减少来计算减阻率,但兴波阻力和形状阻力对减阻率影响的估算十分困难,直接影响了对微气泡减阻效果的评价.2改进的试验方法和试验模型2.1船模中部积分船模的改进方案用图1所示船模所测得的是船模总阻力.由于船模喷气板(多孔硅材料板)位于船首后的平底段前部,微气泡只能始于此处覆盖,直到船模平底段结束微气泡扩散不再覆盖船模.换言之,影响摩擦阻力的位置仅在被微气泡覆盖的船模中部平底段.有理由相信减少摩擦阻力的位置就在船模中部平底段.为了将被微气泡覆盖的船模中部平底段分离出来,对船模做了新的设计,即将其分成了三节.然后在循环水槽试验段上方将三节船模分别固定,各段之间间距为5mm左右,用塑料薄膜分别粘在喷气板和船模中部平底段的下游端.一方面因水流作用,这一距离不会使微气泡逸出,另一方面这一距离也不会存在“三节”之间的相互作用力,即船模中部平底段与测力传感器相连,而“船首”、“船尾”的受力不被测力传感器计入,又能使船模中部平底段处于船体的流场中.因而船模的形状阻力就从测力传感器中分离出来了.另外还在船尾加设了压浪板.改进后模型的多孔材料安装如图2所示,图3是改进后船模示意图.2.2船模中部积分管预防兴波阻力的影响改进后的船模虽然消除了大部分形状阻力,实验中由于船模首部兴波作用,船首的水位上升,“船首”与船模中部平底段之间为5mm左右间距中水位也略有上升,这样船模中部平底段仍有压差阻力存在,即试验测量结果仍包含兴波阻力的影响,不能客观反映微气泡减阻效果.针对这一问题,在船模3的基础上对其又做了进一步的改进,即将三根直径约为1cm的玻璃管,与船模纵中线平行安装在船模3的第二节即船模中部平底段上,并且等间距分布.这样水流经三根玻璃管可以平衡船模中部平底段上、下游的压力差,可将这一部分力从船模中部平底段的受力中分离出来,基本消除了兴波阻力对试验结果的影响.3试验结果与比较3.1来流速度l利用勃拉齐(Blasius)公式CF理=1.328Re−12N(1)CF理=1.328ReΝ-12(1)计算得到了理论平均摩擦阻力系数CF理.该公式是针对平板计算的,其中的雷诺数Re按照公式(2)算得Re=uLυ(2)Re=uLυ(2)式中:u为试验中的来流速度;L为测量段的特征长度(500mm);υ为水的运动粘性系数(试验水温为10℃时,运动粘性系数1.3064×10-6m2/s).而试验测得的平均摩擦阻力系数CF测由式(3)可得CF测=RF12ρu2S(3)CF测=RF12ρu2S(3)式中:RF为吃水4cm、无喷气量时试验测得的阻力;S为试验船模中部平底段的相当平板面积.CF测与CF理随雷诺数Re变化的比较曲线如图4所示.从图4可以看出,理论与试验船模中部平底段的平均摩擦阻力系数基本吻合,表明试验所测数据基本不包含兴波阻力和形状阻力在内.在雷诺数Re为5.359×105时,两条曲线基本重合,通常船舶也是处于高雷诺数下,这表明试验模型设计及采取的试验方法是可行的.3.2喷气量对摩擦阻力系数的影响图5为不同喷气量下船模(中部平底段)平均摩擦阻力系数随雷诺数变化的曲线,可以看出,在船模底部喷射微气泡后,除了喷气量为5m3/h,减阻效果不是很明显外,其余各条曲线喷气量都具减阻效果,且在同一雷诺数下平均摩擦阻力系数随喷气量的增加而减少,在喷气量为20m3/h,雷诺数为6.779×105情况下,平均摩擦阻力系数降低到0.912.在试验过程中,观察到,在喷气量为5m3/h情况下,船模底部没有全部覆盖满微气泡,这样摩擦阻力也不会明显减少,而随着喷气量的不断增大,微气泡在船模底部的覆盖面积越来越大,当达到20m3/h的时候,在底部平板形成了一层完全覆盖的薄膜,这时减阻效果明显得到改善.从图5还可以看出,在同一喷气量下,平均摩擦阻力系数随着雷诺数的增大而减小,这主要是由于雷诺数的增大改变了船模底部平板气液混合的湍流边界层,改善了微气泡在平板上的附着,从而使减阻效果更加明显.4试验结果分析文中试验方法的选择和试验模型的设计都是在尽可能消除兴波阻力和形状阻力对试验结果影响的基础上进行的,没有考虑船体附加阻力的影响,并且试验雷诺数Re最大为