氣泡減阻實(shí)驗(yàn)研究

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1、氣泡減阻實(shí)驗(yàn)研究第38卷第4期2009年8月船海工程SHIP&OCEANENGINEERINGVol_38No.4Aug.2009氣泡減阻實(shí)驗(yàn)研究張木.譚俊杰,何快(南京理工大學(xué)動(dòng)力學(xué)院,南京210094)摘要:為研究氣泡對(duì)航行體側(cè)壁的減阻效果,設(shè)計(jì)一套試驗(yàn)裝置.利用該裝置,采用壁面通氣法研究不同通氣量,不同來(lái)流速度和不同通氣角度對(duì)氣泡減阻效果的影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在通氣量和通氣角度不變的條件下,減阻率隨來(lái)流速度增加而增加;在來(lái)流速度和通氣角度不變的條件下,隨通氣量增加,減阻率先增加然后變小;在來(lái)流速度和通氣量不變的條件下,減阻率隨通氣角度的增大而減

2、少;在一定的條件下,取得了2O.34的減阻率.關(guān)鍵詞:氣泡;減阻;圓柱體模型;壁面通氣中圖分類號(hào):U661.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):1671—7953(2009)04001304船舶等航行體耗能巨大,減少航行體的阻力,提高水中航行體動(dòng)力系統(tǒng)的效率和性能是研究熱點(diǎn),利用氣泡降低船體與水之間摩擦阻力的研究取得了較好的減阻效果_Jj,但在迄今為止的氣泡減阻實(shí)驗(yàn)研究中,由于水下航行體外形較復(fù)雜,為了簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c研究氣泡對(duì)航行體底部的影響,絕大多數(shù)關(guān)于氣泡減阻實(shí)驗(yàn)的研究采用平板為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?為了研究氣泡對(duì)航行體側(cè)壁的減阻效果,結(jié)合圓柱體本身具有較大的曲率,形狀規(guī)則的

3、特點(diǎn),采用圓柱體為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?并且依靠自行設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),對(duì)在不同通氣位置,通氣量和來(lái)流速度條件下的氣泡減阻效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究.1實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)介由于湍流流動(dòng)的復(fù)雜性,目前國(guó)內(nèi)外沒(méi)有關(guān)于氣泡減阻機(jī)理方面準(zhǔn)確的理論分析.但有學(xué)者提出一種可能的減阻機(jī)理——密度效應(yīng),即氣體密度大約是水密度的1/1000倍,靠近模型壁面聚集的氣泡層切斷水的剪切應(yīng)力,從而減小模型受到的摩擦阻力.據(jù)此,為了研究氣泡對(duì)模型側(cè)壁的減阻效果,設(shè)計(jì)了如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng).實(shí)驗(yàn)區(qū)域?yàn)橹睆絣m的圓盤,圓盤中裝有適量的水,當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),圓盤中的水將逐收稿日期:2008—11O4修回日期:20

4、09—03—12作者簡(jiǎn)介:張木(1985一),男,碩士生.研究方向:流體力學(xué).E-mail:naniingzhangmo@163.corn漸形成穩(wěn)定的流動(dòng),可以為模型提供合適的來(lái)流條件.圖1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì),主要依據(jù)四個(gè)方面的考慮:模型尺寸,氣泡產(chǎn)生方式,模型密封性以及模型與天平連接方式.根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件,設(shè)計(jì)了如圖2所示的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?圖2圓柱體模型主視圖為了在模型側(cè)面產(chǎn)生均勻的氣泡,在模型表面設(shè)計(jì)了如圖3所示的8個(gè)氣孔,將氣孔與供氣管路相連,采用氣瓶集中供氣.為獲得合適的來(lái)流條件,編制了電機(jī)轉(zhuǎn)速控制程序,驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤勻速轉(zhuǎn)動(dòng).實(shí)驗(yàn)中把噴氣孔與來(lái)流

5、方向之間13第4期船海工程第38卷的夾角稱為通氣角度,如圖4所示.圖3氣孔位置實(shí)物圖來(lái)流JJJ圖4不同通氣角度示意測(cè)力天平的設(shè)計(jì),既要保證其具有較高的靈敏度,又要盡可能地簡(jiǎn)單,便于機(jī)械加T和節(jié)省成本.綜合以上原因,先根據(jù)Fluent軟件模擬計(jì)算出的不同實(shí)驗(yàn)條件下天平受力的變化范圍,再設(shè)計(jì)如圖5a)所示的天平尺寸,并用Ansys軟件模擬天平不同位置的應(yīng)力分布,確定如圖5b)所示的應(yīng)變片位置.刨衄一451.84l一0.04168(1)式中:y天平的應(yīng)變輸出電壓,mV;——作用在天平上的力,N.從式(1)可以看出,天平的應(yīng)變與模型受到的阻力呈線性關(guān)系,符合胡克定律

6、.設(shè)計(jì)如圖6所示的信號(hào)采集系統(tǒng),記錄天平輸出電壓,放大器放大倍數(shù),穩(wěn)壓電源電壓,來(lái)流速度等.計(jì)算機(jī)通過(guò)信號(hào)放大和傳輸系統(tǒng),取得了天平的輸出信號(hào),對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波,顯示,存儲(chǔ),繪圖和誤差處理.圖6信號(hào)采集系統(tǒng)示意2實(shí)驗(yàn)方案由于只有當(dāng)氣泡在模型邊界層的內(nèi)部時(shí),才能起到減小摩擦阻力的作用.改變邊界層中氣泡的分布是通過(guò)改變來(lái)流速度,通氣量以及通氣角度來(lái)實(shí)現(xiàn)的,設(shè)計(jì)了如表1的實(shí)驗(yàn)方案.表l氣泡減阻實(shí)驗(yàn)方案(水位高度76mm)項(xiàng)目數(shù)值3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析每次實(shí)驗(yàn)的初始條件各有不同,這將影響初始輸出值,但并不會(huì)影響系統(tǒng)的絕對(duì)輸出值.在沒(méi)有通氣情況下,模型所受到的阻力為:Rf

7、—R一Rb(2)式中:R——阻力絕對(duì)值;尺——未通氣時(shí)來(lái)流速度穩(wěn)定下模型受到的阻力值;R——未通氣時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)前天平輸出的初始值.在通氣實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)前后以及通氣o1∞ll踞10∞..OOOSS●.m((度Q度角量速氣氣流通通來(lái)氣泡減阻實(shí)驗(yàn)研究——張木,譚俊杰,何快前后模型受到的阻力不同,減阻率為:一R:一R:一R—~--—Rb式中:R一一通氣時(shí)模型受到的阻力;R:一——未通氣時(shí)模型受到的阻力.R9其中:尺——通氣前模型受到的阻力;R一通氣后模型受到的阻力;R——基值.R9其中:R——電機(jī)啟動(dòng)前天平輸出值;R一一電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定后天平輸出值.3.1通氣量

8、對(duì)模型阻力的影響為了考察通氣量對(duì)減阻效果的影響,分別