条纹沟槽表面减阻效果的实验研究

条纹沟槽表面减阻效果的实验研究

减少中断技术不仅具有很高的军事价值，而且具有很高的经济价值。根据理论推算,在动力和能源一定的条件下,假如将阻力减小10%,则巡航速度和航程可以同时增加大约3.57%。另一方面,即使只能获得少量的减阻效果,每年也可以节约大量的能源,这对缓解我国目前日益严峻的能源危机极为重要。鉴于减阻技术的研究潜力巨大,各国都在积极开展这方面的研究工作。目前常见的减阻方法有:外形优化设计、聚合物涂层(或喷射)、边界层吸入、柔性壁面、壁面加温及气幕屏蔽等方法。这些方法虽然在机理上可行、减阻效果也比较明显,但是在水下航行器上应用时技术难度很大,有的需要较大地改变结构、外形,有的需要一些特殊的辅助设备,这使得不仅在现有水下航行器上难于实现,而且在设计新型水下航行器时也将遇到同类难于解决的技术困难。条纹沟槽表面减阻技术是近年来兴起的一种新的减阻方法,该技术具有很好的减阻效果。条纹沟槽表面的减阻原理主要是“第二涡群”论和“突出高度”论。近十年来,国外对条纹沟槽表面减阻研究已经有了重大突破。从当前掌握的有关国外研究的资料表明,该项技术在国外已投入了实际应用。例如,空中客车将A320试验机表面积的约70%贴上条纹沟槽薄膜,达到了节油1%～2%的效果。而国内目前对条纹沟槽减阻领域的研究还处于探索阶段。本文所做的实验研究主要针对回转体表面条纹沟槽减阻特性开展,重点研究回转体表面条纹沟槽减阻性能与条纹尺寸、航行速度及姿态等因素的关系(考虑到模型的对称性,变攻角和变侧滑角对减阻性能的影响相同,因此只进行变攻角实验研究)。通过水洞实验研究探索回转体采用条纹沟槽表面减阻技术的可行性,同时也促进其在船舶与水下航行器设计行业中推广应用。1实验设备和实验模型的设计1.1流体动力特性分析本文的实验研究在西北工业大学航海学院高速水洞实验室完成。该水洞的洞体为一个充满水的不锈钢封闭循环管道,在轴流泵的驱动下,水沿管道循环流动,从而在工作段内形成一个稳定的均匀流场。水流的速度和压力可以按照相似条件的要求进行调节并保持稳定。实验模型置于工作段内并与测试仪器相连,以测定模型的流体动力特性。图1所示为水洞实验装置示意图,其中:1.天平2.模型3.工作段4.调压室5.除气塔6.过滤器7.水泵8.真空箱9.真空泵10.加压筒11.压气机12.轴流泵13.直流电动机。1.2实验设计模型在综合考虑国内外相关理论计算结果和实际的实验条件等方面因素后,作者自行设计了本次实验所用模型。模型线型由头产中曲线段、圆柱中段、尾部曲线段和尾锥段四部分组成,头部采用双参数平方根圆头曲线线型,尾部曲线采用双参数尖尾曲线线型,模型为实心一体结构。本次实验模型共有四条,包括三条条纹沟槽模型(条纹沟槽尺寸分别为:0.06mm、0.1mm、0.2mm)和一条光体模型。图2为模型表面条纹沟槽示意图,图3为回转体模型在水洞内的照片,从照片上可以看到模型表面的条纹沟槽。2处理实验结果的方法(1)u3000出口电压差值的计算Cx=Nx⋅g12ρU2∞S1Ix,Cy=Ny⋅g12ρU2∞S2Iy,Cz=Nz⋅g12U2∞S2Iz(1)Cx=Νx⋅g12ρU∞2S1Ιx,Cy=Νy⋅g12ρU∞2S2Ιy,Cz=Νz⋅g12U∞2S2Ιz(1)式中Ix,Iy,Iz分别为天平x,y,z方向的灵敏度;Nx,Ny,Nz分别为天平在x,y,z方向上的电压变化量(即各方向上U∞和零速度下的输出电压差值);U∞为平流速度,S1为沾湿面积;S2为最大横截面积;g为重力加速度;ρ为水的密度。(2)dr的计算DR=(1−cdcd0)×100%(2)DR=(1-cdcd0)×100%(2)其中cd0表示光体模型阻力系数,cd为有条纹沟槽模型阻力系数。(3)修正摩擦阻力cf对于一般水下航行器,摩擦阻力在总阻力中所占用的比例大于80%,因此本文在无因次化处理时,采用总阻力Cx(代替时利用修正因子进行修正)代替摩擦阻力Cf,具体转化公式如下S=νU∞2Cf−−√S+=LS+Re2kCx−−−√(3)S=νU∞2CfS+=LS+Re2kCx(3)因此S+=S⋅ReLCx2k−−−√(4)S+=S⋅ReLCx2k(4)式中S表示沟槽宽度,U∞为来流速度,Re为雷诺数,L为模型长度,k为总阻力Cx的修正因,本文取k=0.8。3结果与分析3.1不同尺寸沟槽模型减阻量变化经整理计算,减阻实验结果如下:表1为不同尺寸条纹沟槽模型变水速实验结果,表2为不同尺寸条纹沟槽模型变攻角实验结果,图4为条纹沟槽模型与光体模型阻力实验结果对比曲线,图5和图6为0.06mm条纹模型变攻角实验结果(考虑到各条纹模型变攻角实验规律一致,这里只给出0.06mm的实验结果)。由表1和图4可见,S=0.06mm的沟槽模型在水速为11m/s时减阻量最大,其最大减阻量6.34%,此时的无因次沟槽长度S+为25.7;S=0.1mm的沟槽模型在水速为8m/s时减阻最大,其最大减阻量为5.79%,此时的无因次沟槽长度S+为30.9;S=0.2mm的沟槽模型在水速为6m/s时减阻量最大,其最大减阻量为4.03%,此时的无因次沟槽长度S+为46.3。并且三种不同尺寸沟槽减阻量变化趋势均为先增大后减小(流速从低到高变化)。由表2可知,在实验水速为8m/s,攻角变化范围为-3°～3°时,S=0.06mm的沟槽模型的减阻量基本稳定在4.7%～5.89%。根据图5、6可见,光体模型和有条纹模型的阻力和或力随攻角变化的规律是一致的,且在小攻角范围内(-3°～+3°)减阻量基本稳定不变。3.2沟槽表面模型减阻量计算西北工业大学石秀华等人在1997年做过平板条纹沟槽贴膜对比实验,其所做的条纹沟槽贴膜实验结果与本次实验结果进行对比,发现:(1)回转体表面直接加工条纹沟槽与平板表面粘贴条纹沟槽膜均有较好的减阻效果,但所测得的最大减阻量存在一些差异。平板实验中,S=0.06mm的条纹沟槽的最大降阻量约为11.4%,S=0.1mm的条纹沟槽的最大降阻量约为9.1%;在本次实验中,S=0.06mm的沟槽表面模型的最大减阻量约为6.34%,S=0.1mm的沟槽表面模型的最大减阻量约为5.79%,而S=0.2mm的沟槽表面模型的最大减阻量约为4.03%。分析其原因可能与回转体表面流场存在压力梯度有关,另外,条纹沟槽形状、尺寸的加工误差也是一个重要影响因素。(2)两次实验所得到的减阻规律基本一致。对于不同尺寸的条纹沟槽,具有减阻效果的速度范围不同,且具有最佳减阻性能的速度也不相同。对于S=0.06mm的条纹沟槽减阻速度范围约为6～13m/s,S=0.1mm的条纹沟槽减阻速度范围给为6～10m/s,而S=0.2mm的条纹沟槽减阻的速度范围给为4～7m/s。(3)减阻量不但随条纹沟槽宽度S变化,而且随来流速度U∞变化,即与S+存在着一定的关系。从图5的拟合曲线可以看到,两次实验中存在减阻效果的S+范围基本重合,即S+介于10～60之间,可见,S+值是决定有无减阻效果和降阻量大小的重要因素。4沟槽表面微织构与s+2面c本文在条纹沟槽表面减阻理论分析的基础上,对条纹沟槽表面回转体进行了水洞实验研究。从实验结果分析可得以下结论:(1)条纹沟槽表面回转体在一定的速度范围内存在很好的减阻效果,且在小攻角范围内减阻量基本稳定,对回转体升力特性也没有影响;(2)降阻量不但随条纹沟槽宽度S变化,而且随来流速度U∞变化,即与无因次沟槽宽度S+(文中取S+=S⋅ReLCf2k−−−√)S+=S⋅ReLCf2k)存在着一定的关系。对于V型条纹沟槽具有减阻效果的S+的范围在10到60之间;(3)