平板噴氣流場特性影響因素試驗

葉青，董文才，歐勇鵬

(海軍工程大學艦船工程系，湖北武漢430033)

氣層減阻技術是實現(xiàn)船舶節(jié)能減排的重要途徑，應用在肥大型運輸船舶上可減少航行阻力8%～15%，節(jié)約主機功率10%左右，而噴氣消耗的功率小于主機功率的3%［1-6］。盡管該技術的機理探討并未完全突破，但其工程應用已經(jīng)取得較大進展，部分發(fā)達國家相繼開發(fā)出節(jié)能效果良好的氣泡船，如俄羅斯、日本等［7-8］。我國在該領域的研究尚未實現(xiàn)工程應用，主要在于還沒有突破高效穩(wěn)定的氣層生成技術，而深入了解氣層在船體周圍的流動特征及其影響因素是實現(xiàn)對氣層有效控制的基礎。

目前，Wendy C S等［9-14］眾多學者對氣層減阻機理及內部構型進行了研究。但這些研究的重點在于試圖通過觀測氣層中氣泡直徑、濃度分布等內部結構，揭示氣層減阻機理，對氣層宏觀形態(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計。為此，本文在低湍流度水洞中開展了氣液兩相流邊界層特性模型試驗，著重探索氣層在平板底部的宏觀流動特征，分析來流速度、氣流量對氣層形態(tài)特征及流態(tài)轉變的影響規(guī)律。

1 試驗簡介

試驗在北京大學湍流研究國家重點實驗室的低湍流度水洞中進行，水洞試驗段的尺寸為400 mm×400 mm×6 000 mm，速度為1.0～1.3 m/s，湍流度低于0.3%。

實驗模型如圖1所示。平板總長為1 200 mm，寬為380 mm，厚為10 mm，采用有機玻璃制作，頭部加工成橢圓形，尾部削尖。噴氣板長為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

采用高性能照相機對平板底部的氣層進行拍攝，照相機安裝在平板正下方，片光源分別由水洞的兩側水平射入，并根據(jù)實驗工況進行適當調整，使得照相效果最佳。對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，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 氣層流動特征

圖2給出了平板底部氣層的典型試驗照片，圖中V表示來流速度，Q表示氣流量。由圖2可以看出，通過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:氣層自噴氣入口處向后延伸，其內部為氣體與水混合的兩相流動;氣層寬度沿流動方向逐漸增加，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方向呈降低趨勢，沿寬度方向變化不大。

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

量取試驗觀測范圍內不同位置處的擴散角，取平均值定義為氣層平均擴散角，用以表示氣層擴散整體情況。

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為來流速度V=1.287 m/s時，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，氣層的橫向擴散角和氣層中氣體濃度均增大。

通過對圖4中氣層流動圖像的對比還可以看出:隨著氣流量的變化，氣層表現(xiàn)為不同的流動形態(tài);當Q=0.36、1.08 m3/h時，氣體主要以氣泡的形式存在，氣層表現(xiàn)為氣泡流;當Q=1.42 m3/h時，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存在的過渡流;當Q增大為1.80 m3/h時，空穴面積進一步增大，將平板與水完全隔離開來，氣層表現(xiàn)為氣液分層流。

圖5為V=1.287 m/s時氣流量對氣層平均擴散角及橫向寬度的影響，圖中橫軸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 氣流量對氣層平均擴散角及寬度的影響Fig.5 The effect of air flow rate on average spread angle and breadth of the air layer

2.3 來流速度的影響

圖6給出了氣流量Q=1.0 m3/h時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，來流速度不同，平板底部氣層形態(tài)不同;速度較低時，氣層橫向擴散角較大，氣泡在氣層中的分布相對稀疏;隨著速度增加，氣層橫向擴散角減小，氣泡在氣層中的分布逐漸細密。

圖6 不同來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，來流速度對氣層寬度及平均擴散角的影響。由圖可以看出:速度增加，平均擴散角降低，氣層寬度減小。

圖7 來流速度對氣層平均擴散角及寬度的影響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)與氣流量及來流速度有關，其基本變化規(guī)律為:氣流量增加，氣層從氣泡流轉變?yōu)榉謱恿?來流速度增大，氣層從分層流動轉變?yōu)闅馀萘?。為了進一步揭示氣流量及來流速度對氣層流態(tài)的影響規(guī)律，定義無因次氣流量系數(shù)Cq:

式中:B表示噴氣入口的橫向寬度，此處B=0.13 m;δ表示不噴氣時噴氣口處的邊界層厚度，計算［15］如式(3)，Re表示噴氣口處的雷諾數(shù)，計算公式如下:

式中:x為噴氣口距平板導緣的距離，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)隨無因次氣流量系數(shù)變化的試驗統(tǒng)計結果。由表1可知:氣層流態(tài)的轉變與無因次氣流量系數(shù)Cq有關;當Cq≤0.610時，氣層主要表現(xiàn)為氣泡流;當Cq≥0.707時，氣層由氣泡流轉變?yōu)檫^渡流;當Cq≥1.446時，氣層由過渡流轉變?yōu)榉謱恿鳌?/p>

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

3 結論

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

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

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

該研究結果可為深入認識氣層發(fā)展規(guī)律提供幫助，為構建大型運輸船舶底部氣層分布及減阻率預報模型提供指導。

［1］歐勇鵬，董文才.氣泡高速艇艇底氣穴形態(tài)及減阻機理研究［J］.哈爾濱工程大學學報，2013，34(1):51-57.OU Yongpeng，DONG Wencai.Study on artificial cavity of high-speed air cavity craft and mechanism of resistance reduction ［J］.Journal of Harbin Engineering University，2013，34(1):51-57.

［2］LIEM H C，TODA Y，SANDA Y.A consideration on drag reduction by air lubrication using integral type boundary layer computation［C］//Proceeding of the Japan Society of Marine Science and Technology.Tokyo，Japan，2011:59-65.

［3］SVERCHKOV A V.Potential of the artificial air cavity technology for raising the economic efficiency of China’s inland waterway shipping［C］//Journal of the Japan Society of Naval Architects and Ocean Engineers.Shanghai，China，2007.

［4］DANNY H.Review of research into the concept of the micro blowing technique for turbulent skin friction reduction［J］.Progress in Aerospace Sciences，2004，40:559-575.

［5］KODAMA Y，KAKUGAWA A，TAKAHASHIT，et al.Experimental study on microbubbles and their applicability to ships for skin friction reduction［J］.International Journal of Heat and Fluid Flow ，2000，21:582-588.

［6］董文才.滑行艇及平板氣層減阻的研究［D］.武漢:海軍工程大學，2003.

［7］SVERCHKOV A V.Application of air cavities on highspeed ships in Russia［C］//International conference on Ship Drag Reduction SMOOTH-SHIPS.Istanbul，Turkey，2010.

［8］KUMAGAI I，NAKAMURA N，MURAI Y，et al.A new power-saving device for air bubble generation:hydr of oil air pump for ship drag reduction［C］//International conference on Ship Drag Reduction SMOOTH-SHIPS.Istanbul，Turkey，2010.

［9］WENDY C S，ERIC SW，DAVID R D，et al.Bubble friction drag reduction in a high-Reynolds-number flat-plat turbulent boundary layer［J］.Journal of Fluid Mechanic，2006，552:353-380.

［10］MURAIY，F(xiàn)UKUDA H，YOSHIHIKOO，et al.Skin friction reduction by large air bubbles in a horizontal channel flow［J］.International Journal of Multiphase Flow，2007，33:147-163.

［11］MATEEV K I，BURNETT T J，OCKFEN A E.Study of air-ventilated cavity under model hull on water surface［J］.Ocean Engineering，2009，36:930-940.

［12］ELBING B R，WINKEL ES，LAY K A，et al.Bubble-induced skin-friction drag reduction and the abrupt transition to air-layer［J］.J.Fluid Mech，2008，612:201-236.

［13］CHOI JK，GEORGES L C.Numerical study on the behavior of air layers used for drag reduction［C］//28th Symposium on Naval Hydrodynamics.Pasadena，USA，2010:1-15.

［14］JIA Liping，WANG Cong，WEI Yingjie.Numerical simulation of artificial ventilated cavity［J］.Journal of Hydrodynamics Ser B，2006，18(3):273-279.

［15］盛振邦，劉應中.船舶原理［M］.上海:上海交通大學出版社，2007:161.