大型拖曳池減阻效果試驗研究

大型拖曳池減阻效果試驗研究

0微氣泡減阻技術(shù)微氣泡形成在附近的薄氣膜，能有效減小固體壁面和其他介質(zhì)之間的摩擦阻力。有許多關(guān)于這項研究的文獻。將這一減阻技術(shù)應(yīng)用到船舶、艦艇等水上、水下運動物體上,例如設(shè)法向船舶底部近壁區(qū)噴射微氣泡,使船舶底部近壁區(qū)變成水與微氣泡的混合介質(zhì),即在船底表面形成一薄層氣膜,能有效減少摩擦阻力,或提高速度。此外基于同樣的原理,對管內(nèi)液體、或液固兩相介質(zhì)的運輸也能起到節(jié)能、延長管道使用壽命等作用。因此對該項技術(shù)的研究具有重要的理論和實際意義。微氣泡減阻的機理目前雖然尚不清楚,但有實驗研究報道減阻效果與氣泡直徑、氣泡體積濃度、氣泡層所處的位置以及在邊界層中的分布、氣膜覆蓋的濕面積等因素有關(guān);減阻效果還與噴氣方式、噴口位置、氣壓、流量、速度、斷階形式、氣泡層厚度以及氣膜在物面上的覆蓋范圍有關(guān),船舶的浮態(tài)、波浪等也明顯影響減阻效果。作者針對一大比尺的平底型船模,給出了在大型拖曳水池中不同拖曳速度、不同噴氣量的情況下,船模吃水對減阻效果影響的對比性試驗研究結(jié)果。1多孔硅板生成微氣泡試驗船模為木制,中部為平底段,底部兩側(cè)裝有防逸條。船模水線長2500mm、型寬400mm、型深0.16m。采用長200mm,寬400mm,厚5mm的多孔硅板生成微氣泡。多孔硅板一面與船模底部平齊,另一面為一空腔的底部,氣體在壓力的作用下經(jīng)容器底部即多孔硅板生成微氣泡。采用儲氣罐供氣,通過減壓閥調(diào)節(jié)壓力,閥門控制流量。兩臺流量計分別測量總流量和分流量。兩個噴氣裝置分別在船模首部和中部,見圖1。試驗在605研究所水池中進行,水池主尺度:池長510m、池寬6.5m、池深6.8m、水深5.0m。拖車性能:速度范圍0.5m/s～22m/s,車速穩(wěn)速精度優(yōu)于0.2%。試驗數(shù)據(jù)采集處理數(shù)值化。2阻力和傾角傳感器測量船模初態(tài)正浮,縱、橫傾角均為零度,為非約束模試驗狀態(tài)。采用電測法測量阻力,傾角傳感器測量縱傾角。在三種噴氣方式下,即僅在首部噴氣;首、中部均分量同時噴氣;首70%、中部30%噴氣量同時噴氣,試驗方案見表1,其中Fr為船長傅氏數(shù)。3船?？倻p阻率的計算試驗中,減壓閥安裝在儲氣罐出口以控制進氣壓力。流量計安裝在減壓閥的下游與空腔的氣流入口之間。由于測量技術(shù)的困難,未直接測量多孔硅板生成微氣泡的體積流量,而直接測量噴氣流量。如果噴氣、以及拖車速度穩(wěn)定后,忽略氣體的壓縮性(因壓力不高,壓縮性的影響很小),近似認為所測得的氣體流量為微氣泡的體積流量。對比性試驗條件下船?？倻p阻率的計算公式為:式中:ζ為船模總減阻率;R0,R′分別為模型條件相同時不噴氣和噴氣時的船?？傋枇?。3.1船模中部均量、中部20%噴氣量對減阻率的影響受測量技術(shù)的限制,所測阻力為船模總阻力。所試驗的模型近似首尾對稱,計算結(jié)果中忽略了縱傾對濕面積的影響。不同噴氣形式、拖曳速度和噴氣量下,吃水對減阻率的影響見圖2。圖2(a),(b),(c)表明,在兩種噴氣方式下,即僅在船模首部噴氣,以及首、中部均量同時噴氣,船模淺吃水時的減阻效果優(yōu)于深吃水;而船模首、中部均量同時噴氣并且大噴氣量時(15m3/h以上),減阻率大幅上升。當船模首部70%,中部30%噴氣量同時噴氣時,深吃水對減阻較為有利,Fr=0.363時減阻效果與僅在首部噴氣情況相當,而Fr=0.505和0.646時,總減阻率整體上優(yōu)于僅有首部噴氣情況。這說明在相同吃水時,佛魯?shù)聰?shù)Fr的增加有利于氣膜在船模底部近壁面有效形成。圖2(d)為Fr=0.808時不同噴氣形式,減阻率隨噴氣量的變化。試驗結(jié)果表明僅有首部噴氣和首中部均量同時噴氣時,噴氣量在很大范圍內(nèi)(高于5m3/h),中等吃水時減阻效果好,且在首中部均量同時噴氣達最大噴氣量時,減阻率高達32.8%。而首部70%,中部30%噴氣量同時噴氣時,除去最大噴氣量情況外,不同吃水下減阻效果差別不大。圖2(e)為Fr=0.909時不同噴氣形式,減阻率隨噴氣量的變化。試驗結(jié)果表明不同噴氣形式下,減阻率基本上隨噴氣量的增大而增大,除了最大噴氣量(20m3/h)外,吃水越深減阻效果越好。3.2噴氣量的影響圖3(a),(b),(c)分別為僅在船模首部噴氣;首部70%、中部30%噴氣量同時噴氣;首、中部均量同時噴氣時,不同F(xiàn)r數(shù)、不同吃水下,仰角隨噴氣量的變化。試驗結(jié)果顯示,縱傾角隨Fr數(shù)的增加明顯增加,而隨噴氣量的增加變化不大。試驗中觀察發(fā)現(xiàn),當Fr>0.808以后,船模進入半滑行狀態(tài)。對于Fr=0.808的各種噴氣方式下,淺吃水狀態(tài)下縱傾角比深吃水時平均增加為12%～24.8%,其中僅在首部噴氣時增幅最大(24.8%),顯然這是由于首部集中噴氣,使船首抬高引起縱傾角增加。對于Fr=0.505的各種噴氣方式下,淺吃水狀態(tài)下縱傾角比深吃水時平均減少為6%～15%,其中首、中部均量噴氣時減幅為15%。對于Fr=0.646,首、中部均量噴氣時吃水對縱傾角基本沒有影響,而僅在首部噴氣,淺吃水狀態(tài)下的縱傾角比深吃水時平均增幅略大于首70%中部30%噴氣量同時噴氣。4噴氣量對減阻率的影響針對大比尺平底型船模,分別在船模底部的首、中部安裝多孔硅材料板以生成微氣泡,在大型拖曳水池中進行了不同拖曳速度、不同噴氣量下,吃水對減阻率影響的對比性試驗,得出以下結(jié)論:1.僅在船模首部噴氣,以及首、中部等量同時噴氣,Fr≤0.646時,淺吃水時的減阻效果優(yōu)于深吃水;特別在大噴氣量時(15m3/h以上),首、中部等量同時噴氣減阻率大幅上升。2.Fr=0.808時,僅在首部噴氣和首中部等量同時噴氣時,噴氣量在很大范圍內(nèi),中等吃水時減阻效果好;特別在首、中部等量同時噴氣且達最大噴氣量(20m3/h)時,減阻率高達32.8%。而首部70%,中部30%噴氣量同時噴氣時,除去最大噴氣量情況外,吃水對減阻效果影響不大。3.縱傾角隨Fr的增加明顯增加,而隨噴氣量的增加變化不大。4.對于Fr=0.808的各種噴氣方式下,淺吃水狀態(tài)下縱傾角比深吃水時平均增加12%～24.8%,其中僅在首部噴氣時增幅最大。5.對于Fr=0.505的