駐留式電解微氣泡流動穩(wěn)定性及減阻性能

朱 睿，張煥彬，莊啟彬，溫濰齊，張子捷，何星宇，劉志榮

(廈門大學(xué) 航空航天學(xué)院，福建 廈門 361102)

水下航行器所受流動阻力約是空中飛行器所受氣動阻力的1 000余倍，導(dǎo)致傳統(tǒng)水下航行器普遍存在速度慢、航程短、精度低的缺陷。為了提高水下航行器的航速，改善其水下航行性能，目前一般采用增大推進動力和降低航行阻力這兩種技術(shù)途徑。常規(guī)情況下，推力增加8倍才能使水下航行器的航速提高1倍，而航行器的尺寸又限制了推力裝置的規(guī)模，因此采用常規(guī)方法來顯著提高水下航行器航速十分困難。

近年來，有關(guān)仿生溝槽表面及微氣泡形成的氣墊在流動減阻方面的試驗及數(shù)值研究結(jié)果證實了其減阻性能。但如何利用微納米結(jié)構(gòu)控制氣泡穩(wěn)定性，以及如何利用氣泡將微納結(jié)構(gòu)與水隔離進而提高氣墊持久性是提升流動減阻性能所需解決的關(guān)鍵問題。Park等在100 m拖曳水洞中測試裝備吹氣減阻設(shè)備的船體模型，測得最佳流動減阻率達18.1%。Rawat等對由微氣泡組成的分散相與湍流邊界層流動之間的相互作用進行數(shù)值研究，指出氣泡效應(yīng)對于近壁邊界層流動結(jié)構(gòu)改變起著主導(dǎo)作用，從而使得近壁氣泡體積分數(shù)顯著增加。Guanwan等研究船體微氣泡噴射器的最佳位置，結(jié)果表明后艏位置注入微氣泡可以覆蓋整個船底。Jha等對不同氣泡間隙率α、雷諾數(shù)及微氣泡注入方向的湍流通道進行減阻實驗，結(jié)果表明高雷諾數(shù)下，阻力隨α不斷減小，而在低雷諾數(shù)下結(jié)果相反。趙曉杰等基于OpenFOAM兩相歐拉求解器對2維平板進行微氣泡減阻數(shù)值模擬，結(jié)果表明通氣速度較大且氣泡直徑較小時減阻率較高。宋武超等對軸對稱體進行通入微氣泡減阻實驗與數(shù)值模擬，結(jié)果表明注入微氣泡可以降低流場湍流強度及壁面猝發(fā)的頻率，從而降低阻力。姚琰等設(shè)計了一套能夠測定微氣泡減阻效果的實驗裝置，證實了微氣泡能夠顯著地降低物體表面的摩擦阻力。

當前主流微氣泡減阻方法側(cè)重于采用向壁面注入大量游離氣泡的方式，但存在以下技術(shù)問題：1）大量游離態(tài)微氣泡存在于湍流中，其位置、尺寸及數(shù)量無法控制，減阻效果不均勻、不穩(wěn)定；2）通氣方式產(chǎn)生的微氣泡無法穩(wěn)定駐留，需要不斷通氣，能耗大；3）微氣泡減阻性能的研究主要通過數(shù)值仿真，僅有有限的針對靜水工況的微氣泡駐留穩(wěn)定性試驗。綜上所述，針對航行體表面穩(wěn)定高效水下減阻問題，作者提出自穩(wěn)式電解微氣泡陣列流動減阻性能試驗研究，提出一種新型復(fù)合式自適應(yīng)電解微氣泡控制技術(shù)，設(shè)計基于金屬基片的電極壁面微柱孔陣列自適應(yīng)電解微氣泡試件的關(guān)鍵制造技術(shù)與工藝方案，達到流動中電解微氣泡位置、尺寸及數(shù)量的自主可控，以及電解反應(yīng)自適應(yīng)啟?？刂疲越档湍芎?；解決水下環(huán)境減阻功能表面電解微氣泡持續(xù)供給與穩(wěn)定駐留問題，實現(xiàn)穩(wěn)定微氣泡陣列氣膜減阻，為湍流摩擦阻力高效減阻復(fù)合調(diào)控策略提供試驗及理論基礎(chǔ)。

1 電極壁面微柱孔陣列試片制備

設(shè)計微柱孔底部及全壁面為金屬電極接電源負極，在水中外置鉑絲/石墨碳棒作為電源正極。當氣泡破裂或脫落至暴露出電極時則反應(yīng)重啟，氣泡再次生長直至電極重新被覆蓋且與水隔絕，從而實現(xiàn)微氣泡電解自適應(yīng)啟?？刂?，具體過程如圖1所示。

圖1 微氣泡電解自適應(yīng)啟?？刂艶ig. 1 Microbubble electrolysis adaptive start-stop control

制備電極壁面微柱孔陣列試片的工藝流程如圖2所示。1）選取高平整度Cu金屬試片，表面拋光、清洗；2）噴涂一層底漆烘干后進行兩次絕緣漆層噴涂并烘干，確保絕緣材料與金屬試片之間的粘合度；3）采用微鉆頭雕刻機對絕緣漆層Cu金屬試片進行陣列打孔，制孔直徑為250、300 μm，制孔深度為直徑的0.5倍，制孔孔間距為200 μm；4）截取電極壁面微柱孔陣列試片剖面，下方為金屬Cu，上方鋪設(shè)一層絕緣涂層，柱孔內(nèi)壁為導(dǎo)電的金屬材料，試片表面通過絕緣漆層與水隔離。

圖2 電極壁面微柱孔陣列試片制備工藝Fig. 2 Preparation process of test piece of electrode-wall micropore array

2 電解微氣泡陣列流動穩(wěn)定性

2.1 流動觀測試驗方案

設(shè)計專用的電解微氣泡流動觀測試驗裝置，采用消能網(wǎng)、蜂窩整流器等進行整流，可以提供0～1.5 m/s穩(wěn)定流場，試驗方案如圖3所示。電解微氣泡流動觀測試驗中，電極壁面微柱孔陣列電解試片連接電源負極，石墨碳棒為正極置于水中，構(gòu)成電解電路。試驗時調(diào)節(jié)好流速、100 W LED光源亮度及角度，在觀測裝置正上方安置WST變焦鏡頭光學(xué)數(shù)碼顯微鏡及3 800萬像素相機，設(shè)置電極壁面微柱孔直徑

d

分別為250、300 μm，柱孔深度

h

為

d

/2，調(diào)節(jié)電解電壓

U

分別為20、25、30 V，共計6種工況；在來流速度

v

為0.2 m/s時，觀察、記錄試驗中各工況下微柱孔中微氣泡從生成并附著于柱孔壁面直至成形后的駐留穩(wěn)定性，探求電解電壓

U

及柱孔直徑

d

對微氣泡生長行為及駐留穩(wěn)定性的影響機制；為了減小試驗誤差，對各工況都進行了5次試驗，試驗結(jié)果見第2.2、2.3節(jié)。

圖3 電解微氣泡生長行為流動觀測試驗裝置Fig. 3 Electrolyzed microbubble observation experiments device in flow

2.2 電解微氣泡生長行為

250 μm柱孔、電解電壓30 V工況下，微氣泡電解起始反應(yīng)至微氣泡充溢微柱孔的典型生長歷程如圖4所示。

圖4 電解微氣泡生長歷程（250 μm、30 V）Fig. 4 Electrolyzed microbubble growth process (250 μm,30 V)

由圖4可知：

t

= 0 ～10 s，電解起始時，氣泡在微柱孔內(nèi)開始生長，氣泡起始生長位置雖然具有較大的隨機性，但更傾向于微柱孔底部與壁面交界（形核位點）處發(fā)生。

t

= 10 ～30 s，隨著電解反應(yīng)的進行，微氣泡逐漸向外擴展生長，小直徑微氣泡增大至相互接觸時發(fā)生融合。

t

= 40 s，微氣泡增大至充溢柱孔時，氣膜阻隔水與電極接觸，微氣泡直徑隨著電解反應(yīng)終止而趨于穩(wěn)定。由電解水原理可知，微氣泡電解試片為負極發(fā)生還原反應(yīng)（2H+2e=H↑），即氫離子獲得電子生成氫氣。微鉆頭陣列打孔制備微氣泡電解試片的制備工藝，會形成柱孔底部與壁面交界（形核位點）及柱孔底部尖端形貌。隨著電解反應(yīng)的進行，微氣泡自形核位點及尖端形貌逐漸擴展生長，小直徑微氣泡增大至相互接觸時發(fā)生融合，直至充溢柱孔時阻隔水與電極接觸，從而停止電解水反應(yīng)，故微氣泡直徑達到穩(wěn)定值。

構(gòu)建微氣泡生長直徑與時間關(guān)系曲線，如圖5所示。

圖5 微氣泡生長直徑與時間Fig. 5 Microbubble growth diameter and time

由圖5可知：相同的微柱孔直徑時，電解電壓增大則微氣泡達到穩(wěn)定直徑（約等于柱孔直徑）的時間越短；如250 μm柱孔，電解電壓20、25、30 V對應(yīng)的達到穩(wěn)定直徑的時間分別為80、60、40 s。相同的電解電壓下，柱孔直徑越大則達到穩(wěn)定直徑的時間越長；如電解電壓為25 V時，250、300 μm柱孔對應(yīng)的穩(wěn)定直徑時間分別為60、120 s。分析其原因，電壓為電解反應(yīng)核心驅(qū)動源，增大電解電壓直接高效促進氫離子與電子結(jié)合的電解反應(yīng)，氫氣生成顯著提速進而加速電解微氣泡生長至穩(wěn)定直徑；而相同的電解電壓下，增大微柱孔直徑則增加了微柱孔體積，故電解微氣泡充溢柱孔需要更長時間。

2.3 微氣泡駐留形態(tài)及流動穩(wěn)定性

試驗表明，駐留微氣泡存在兩種形態(tài)，即氣膜型、突出型，如圖6所示。由于突出型微氣泡直徑大于柱孔直徑，產(chǎn)生類似凸透鏡效果，使得顯微鏡中所觀察到的柱孔直徑小于實際柱孔直徑；而氣膜型微氣泡直徑與實際柱孔直徑接近。氣膜型微氣泡較突出型微氣泡在流動中不易受水流沖擊破裂或脫落，具備較好的駐留穩(wěn)定性。微柱孔對駐留微氣泡約束能力不足時，易形成突出型微氣泡，反之則易形成氣膜型微氣泡，而微柱孔尺寸、電解電壓及局部絕緣漆層品質(zhì)是柱孔約束能力的主要影響因素。

圖6 微氣泡駐留形態(tài)Fig. 6 Microbubble resident form

設(shè)微氣泡陣列駐留率ω =

x

/

n

，

x

為顯微鏡觀察區(qū)域內(nèi)氣膜型微氣泡個數(shù)（滿足穩(wěn)定駐留時間大于5 min），

n

為微柱孔個數(shù)。圖7為各試驗工況的電解微氣泡陣列駐留率及穩(wěn)定駐留時間。試驗表明：當電解電壓為20 V時，250、300 μm微柱孔試片上電解微氣泡陣列氣膜穩(wěn)定時間及駐留率最大值分別為420 s、95.46%與360 s、90.48%；電解電壓為30 V時，250、300 μm微柱孔試片上微氣泡陣列氣膜穩(wěn)定時間及駐留率則處于最小值，分別為360 s、89.61%和300 s、84.52%。

圖7 微氣泡陣列駐留率及穩(wěn)定駐留時間Fig. 7 Microbubble array resident rate and stable resident time

由此可見：相同的微柱孔直徑時，提高電解電壓將減少微氣泡陣列氣膜穩(wěn)定時間及駐留率；相同的電解電壓下，增大微柱孔直徑將減少微氣泡陣列氣膜穩(wěn)定時間及駐留率。分析其原因是：提高電解電壓使得微氣泡電解顯著加速，當前生成的一部分微氣泡受后續(xù)迅速生成的微氣泡影響而脫離壁面，會直接被水流帶走，從而降低氣泡于壁面的吸附能力；柱孔尺寸增大則柱孔軸線無約束區(qū)域體積增加，從而降低了柱孔對微氣泡的約束力。

此外，手動挑破部分微氣泡以測試電解微氣泡自適應(yīng)復(fù)原能力，圖8為觀測到微氣泡的恢復(fù)過程。20 V電解電壓、0.2 m/s來流時，250 μm柱孔微氣泡陣列達到穩(wěn)定直徑用時約為80 s，微氣泡駐留率為95.46%。如圖8所示，人為干擾破壞部分微氣泡后，電解反應(yīng)即刻重啟經(jīng)歷約50 s后再次形成穩(wěn)定微氣泡陣列氣膜，且微氣泡駐留率恢復(fù)至92.85%，接近破壞前水平。試驗證實了電極壁面微柱孔結(jié)構(gòu)具備良好電解微氣泡自適應(yīng)復(fù)原能力。

圖8 微氣泡陣列恢復(fù)（0.2 m/s、250 μm、20 V）Fig. 8 Microbubble array restoration(0.2 m/s, 250 μm,20 V)

3 電解微氣泡陣列流動減阻性能

3.1 微氣泡陣列流動測阻試驗

圖9為電極壁面微柱孔陣列減阻表面樣片（微氣泡陣列面積為70 mm × 70 mm）。圖10為精密循環(huán)水洞試驗器，可提供0～1.5 m/s來流的精細流場。由第2.2節(jié)可知，電解電壓為20 V時，微氣泡的駐留時長及駐留穩(wěn)定性最佳，因此試驗時，將微柱孔直徑

d

分別為250、300 μm（柱孔深度

h

為

d

/2）的微氣泡陣列表面樣片安裝在支撐模型上，調(diào)節(jié)電解電壓

U

為20 V，測試0.3～1.0 m/s來流速度范圍內(nèi)共16種工況下的氣膜表面樣片流動阻力

F

，各工況分別進行3次試驗，以減小測試誤差。設(shè)置純金屬光滑樣片作為試驗基準組，測試其相同流速下的純金屬光滑樣片流動阻力

F

，采用微氣泡陣列流動減阻率η衡量減阻性能，其中，微氣泡陣列流動減阻率η = (

F

–

F

)/

F

。

圖9 微氣泡陣列氣膜表面樣片F(xiàn)ig. 9 Test piece with surface of microbubble array air film

圖10 精密循環(huán)水洞Fig. 10 Precise circulation water tunnel

圖11為各試驗工況的不同樣片表面流動阻力及微氣泡陣列流動減阻率。

由圖11可見：微氣泡陣列減阻率隨流速增大而減小，0.3 m/s來流下250、300 μm柱孔微氣泡陣列減阻率分別為29.19%、27.47%，1.0 m/s時則分別為18.07%、13.73%，250 μm柱孔微氣泡陣列流動減阻率優(yōu)于300 μm。流速增大會導(dǎo)致：一是，增強了湍流度；二是，使得突出型微氣泡更易于破裂或脫落，失去減阻效果；二者均提高了流動阻力。如第2.3節(jié)所述，柱孔尺寸增大則降低了柱孔對微氣泡的約束能力，因此250 μm柱孔微氣泡陣列具備更好的減阻率。試驗研究表明，250 μm柱孔微氣泡陣列氣膜表面樣片平均減阻率約為23%，且由于氣膜與平板間不規(guī)則過渡區(qū)域及外接電解導(dǎo)線等影響，理想試驗條件下可估計氣膜流動減阻率大于25%。

圖11 微氣泡陣列流動阻力及減阻率Fig. 11 Flow drag and drag reduction ratio of microbubble array

3.2 微氣泡陣列流動減阻數(shù)值計算

匹配試驗工況，采用基于大渦模擬的雙向耦合歐拉–拉格朗日方法，實施微氣泡陣列流動減阻數(shù)值計算研究。采用VOF（volume of fluid）方法捕捉微氣泡，使用連續(xù)表面張力模型和SIMPLE有限體積算法分別進行瞬態(tài)與穩(wěn)態(tài)求解。其中，VOF兩相流模型通過引入相體積分數(shù)實施對每一離散計算單元的界面追蹤以監(jiān)測流體變化，而非追蹤自由液面的質(zhì)點運動，可以處理自由面變形等強非線性現(xiàn)象，可更好地預(yù)測駐留微氣泡的運動特性，適用于數(shù)值計算微氣泡陣列流動減阻運動特性。采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格模型，對柱孔全壁面及微氣泡氣/水兩相界面進行加密。邊界條件采用速度入口、壓力出口，流向通道上下壁面為滑移壁面，其余為非滑移壁面。設(shè)置微柱孔直徑

d

分別為250、300 μm，柱孔深度

h

為

d

/2，來流速度

v

分別為0.3、0.5、0.7、0.9 m/s，共計8種仿真工況，測試各來流速度下的不同直徑駐留微氣泡壁面及光滑平板壁面阻力系數(shù)

C

，進行3次試驗，以防止測量誤差。圖12為0.3～1.0 m/s來流時250、300 μm柱孔微氣泡陣列數(shù)值流動阻力及減阻率，其中

S

為純平板壁面的面積。

圖12 微氣泡陣列數(shù)值流動阻力及減阻率Fig. 12 Numerical flow drag and drag reduction ratio of microbubble array

如圖12所示：0.3 m/s來流下，250、300 μm柱孔微氣泡陣列減阻率分別為26.28%、29.37%；1 m/s時則分別為21.45%、21.69%。250、300 μm柱孔微氣泡陣列數(shù)值減阻率隨流速增大而減小，與第3.1節(jié)試驗結(jié)果一致。300 μm柱孔微氣泡陣列數(shù)值減阻率優(yōu)于250 μm，與第3.1節(jié)試驗結(jié)果相反。這是由于數(shù)值計算中默認所有微氣泡均為氣膜型且駐留率為100%，300 μm柱孔微氣泡氣膜占比大于250 μm，故其數(shù)值流動減阻率較好。

4 微氣泡減阻機理

前期壁湍流相干結(jié)構(gòu)的大量研究表明，低速條帶位于正負成對的流向渦之間，而流向渦兩側(cè)分別為高速流體和低速流體，如圖13所示。在流向渦的上洗側(cè)，低速流體被帶離壁面，稱為上拋；而在其下洗側(cè)，高速流體被帶向壁面，稱為下掃，上拋和下掃合稱為猝發(fā)。這種高速流體的下掃和低速流體的上拋所構(gòu)成的猝發(fā)過程是近壁區(qū)雷諾切應(yīng)力產(chǎn)生的根源，而緩沖層中高速流體的下掃則是壁面湍流摩擦阻力產(chǎn)生的主要來源。

圖13 上拋、下掃猝發(fā)[24]Fig. 13 Upcast, down-sweep burst[24]

通過高精度微氣泡氣/水界面流場數(shù)值仿真，提供近壁區(qū)流場結(jié)構(gòu)細節(jié)，探求微氣泡氣/水兩相流動減阻機理。圖14為0.5 m/s來流時微氣泡氣/水界面渦旋結(jié)構(gòu)，由于駐留微氣泡形變及氣/水兩相界面力共同作用，微氣泡上側(cè)產(chǎn)生大量上拋高速流動（可達1 m/s），可與流向渦所致的下掃流動相互抵消，極大抑制了下掃流動猝發(fā)，使得近壁區(qū)雷諾切應(yīng)力顯著減小，從而達到高效湍流減阻。

圖14 微氣泡氣/水界面渦旋結(jié)構(gòu)Fig. 14 Vortex structures of microbubble air/water interface

此外，采用數(shù)值計算微氣泡陣列及純平板近壁湍動能、壁面剪切力。圖15、16分別為微氣泡陣列氣/水界面及純平板近壁湍動能、剪切力分布云圖。

圖15 湍動能分布（0.5 m/s）Fig. 15 Kinetic energy distributions (0.5 m/s)

圖16 壁面剪切力分布（0.5 m/s）Fig. 16 Wall shear distributions (0.5 m/s)

如圖15、16所示，微氣泡陣列近壁平均湍動能小于0.010 m/s，純平板近壁湍動能約為0.021 m/s，則微氣泡陣列近壁湍動能平均值遠小于純平板，這是由于微氣泡氣/水界面近壁區(qū)上述的下掃猝發(fā)被大幅削弱，進而使得其邊界層內(nèi)能量運輸大幅降低，亦表現(xiàn)為其壁面剪切力水平遠低于純平板（微氣泡陣列壁面平均剪切力約為30 Pa，而純平板壁面約為55 Pa），故微氣泡陣列湍流阻力顯著降低。

5 結(jié) 論

本文實現(xiàn)自穩(wěn)式電解微氣泡陣列氣膜，通過試驗及數(shù)值方法研究其流動減阻性能，淺析減阻機理。主要結(jié)論如下：

1）駐留微氣泡存在兩種形態(tài)：氣膜型、突出型，氣膜型微氣泡較突出型具備更強的駐留穩(wěn)定性。

2）相同的微柱孔直徑時，提高電解電壓將減少微氣泡陣列氣膜穩(wěn)定時間及駐留率；相同的電解電壓下，增大柱孔直徑將減少微氣泡陣列氣膜穩(wěn)定時間及駐留率。

3）250 μm柱孔微氣泡陣列氣膜表面樣片平均減阻率約為23%，理想試驗條件下氣膜流動減阻率大于25%；電解電壓為20 V時，微氣泡陣列氣膜穩(wěn)定時間及駐留率達到最大值為420 s、95.46%。

4）駐留微氣泡形變及氣/水兩相界面力共同作用使得微氣泡上側(cè)產(chǎn)生大量上拋高速流動，極大抑制流向渦下掃流動猝發(fā)，顯著減小近壁區(qū)雷諾切應(yīng)力，實現(xiàn)湍流減阻。

5）駐留微氣泡應(yīng)用于水下流線型航行體實際減阻性能是下一階段研究的重點。