平板喷气流场特性影响因素试验

叶青，董文才，欧勇鹏

(海军工程大学舰船工程系，湖北武汉430033)

气层减阻技术是实现船舶节能减排的重要途径，应用在肥大型运输船舶上可减少航行阻力8%～15%，节约主机功率10%左右，而喷气消耗的功率小于主机功率的3%［1-6］。尽管该技术的机理探讨并未完全突破，但其工程应用已经取得较大进展，部分发达国家相继开发出节能效果良好的气泡船，如俄罗斯、日本等［7-8］。我国在该领域的研究尚未实现工程应用，主要在于还没有突破高效稳定的气层生成技术，而深入了解气层在船体周围的流动特征及其影响因素是实现对气层有效控制的基础。

目前，Wendy C S等［9-14］众多学者对气层减阻机理及内部构型进行了研究。但这些研究的重点在于试图通过观测气层中气泡直径、浓度分布等内部结构，揭示气层减阻机理，对气层宏观形态特征的描述并不全面，尚不能直接用于气泡船的减阻方案设计。为此，本文在低湍流度水洞中开展了气液两相流边界层特性模型试验，着重探索气层在平板底部的宏观流动特征，分析来流速度、气流量对气层形态特征及流态转变的影响规律。

1 试验简介

试验在北京大学湍流研究国家重点实验室的低湍流度水洞中进行，水洞试验段的尺寸为400 mm×400 mm×6 000 mm，速度为1.0～1.3 m/s，湍流度低于0.3%。

实验模型如图1所示。平板总长为1 200 mm，宽为380 mm，厚为10 mm，采用有机玻璃制作，头部加工成椭圆形，尾部削尖。喷气板长为70 mm、宽为130 mm，采用不锈钢制作，位于平板中纵剖线上，距离平板导缘410 mm。

图1 平板模型Fig.1 Sketch map of the flat plate model

采用高性能照相机对平板底部的气层进行拍摄，照相机安装在平板正下方，片光源分别由水洞的两侧水平射入，并根据实验工况进行适当调整，使得照相效果最佳。对采集得到的气层图像，利用图片处理工具绘制网格线，然后提取出气层的边界坐标，从而获得气层的分布区域。

2 气层形态及其影响因素

2.1 气层流动特征

图2给出了平板底部气层的典型试验照片，图中V表示来流速度，Q表示气流量。由图2可以看出，通过喷气板向平板底部水流中直接喷气，所形成的气层具有如下特点:气层自喷气入口处向后延伸，其内部为气体与水混合的两相流动;气层宽度沿流动方向逐渐增加，并具有较为清晰的、近似为二次曲线的边界;气层中的气体浓度沿流动方向呈降低趋势，沿宽度方向变化不大。

为表征气层边界的扩散规律，定义边界气层任意位置处气泡的运动方向与来流方向的夹角θ为扩散角，如图3，其中Vb表示边界上气泡的运动速度。θ的大小与V、Q和距喷气口距离z有关，为

量取试验观测范围内不同位置处的扩散角，取平均值定义为气层平均扩散角，用以表示气层扩散整体情况。

图2 平板底部的典型气层Fig.2 Photographs of typical air layer under the flat plate

图3 扩散角示意图Fig.3 Sketch map of the spread angle

2.2 气流量的影响

图4为来流速度V=1.287 m/s时，平板底部气层形态随气流量的变化。可看出:相同速度下，喷气量不同，平板底部的气层形态不同;随着气流量增加，气层的横向扩散角和气层中气体浓度均增大。

通过对图4中气层流动图像的对比还可以看出:随着气流量的变化，气层表现为不同的流动形态;当Q=0.36、1.08 m3/h时，气体主要以气泡的形式存在，气层表现为气泡流;当Q=1.42 m3/h时，气层首部形成局部空穴，之后破碎为气泡流，整体上表现为分层流与气泡流同时存在的过渡流;当Q增大为1.80 m3/h时，空穴面积进一步增大，将平板与水完全隔离开来，气层表现为气液分层流。

图5为V=1.287 m/s时气流量对气层平均扩散角及横向宽度的影响，图中横轴X表示与喷气入口的距离，纵轴w表示气层的宽度。由图5可以看出:气流量增加，气层平均扩散角度增大，相同位置处气层宽度增加。

图4 不同气流量下的气层形态Fig.4 Air layer shape at different air flow rate

图5 气流量对气层平均扩散角及宽度的影响Fig.5 The effect of air flow rate on average spread angle and breadth of the air layer

2.3 来流速度的影响

图6给出了气流量Q=1.0 m3/h时不同速度下平板底部的气层形态。由图6可以看出:相同气流量下，来流速度不同，平板底部气层形态不同;速度较低时，气层横向扩散角较大，气泡在气层中的分布相对稀疏;随着速度增加，气层横向扩散角减小，气泡在气层中的分布逐渐细密。

图6 不同来流速度下平板底部的气层形态Fig.6 Air layer shape of flat plate at different inflow velocities

图7给出了气流量Q=1.0 m3/h时，来流速度对气层宽度及平均扩散角的影响。由图可以看出:速度增加，平均扩散角降低，气层宽度减小。

图7 来流速度对气层平均扩散角及宽度的影响Fig.7 The effect of inflow speed on average spread angle and breadth of the air layer

2.4 流态转变分析

由2.2节及2.3节的分析可知:平板底部的气层流态与气流量及来流速度有关，其基本变化规律为:气流量增加，气层从气泡流转变为分层流;来流速度增大，气层从分层流动转变为气泡流。为了进一步揭示气流量及来流速度对气层流态的影响规律，定义无因次气流量系数Cq:

式中:B表示喷气入口的横向宽度，此处B=0.13 m;δ表示不喷气时喷气口处的边界层厚度，计算［15］如式(3)，Re表示喷气口处的雷诺数，计算公式如下:

式中:x为喷气口距平板导缘的距离，取x=0.41 m;ν表示粘性系数，常温下取ν=1.003×10-6。

表1给出了气层流态随无因次气流量系数变化的试验统计结果。由表1可知:气层流态的转变与无因次气流量系数Cq有关;当Cq≤0.610时，气层主要表现为气泡流;当Cq≥0.707时，气层由气泡流转变为过渡流;当Cq≥1.446时，气层由过渡流转变为分层流。

表1 气层流态随无因次气流量系数变化的试验统计Table 1 Experimental statistics of the air layer shape changed with non-dimensional izedair flow rate coefficient

3 结论

1)平板底部喷气所形成的流场为气体与水混合的两相流动，气层向后延伸过程中宽度逐渐增加，存在一个横向扩散角;气层具有较为清晰的、类似二次曲线的边界。

2)气流量和来流速度对气层的宽度及扩散角影响较大。气流量增加，气层宽度和扩散角增大;来流速度增加，气层宽度和扩散角减小。

3)气层流态受气流量和来流速度的影响主要表现为3种形式:气泡流、过度流和分层流。气层流态与气流量和来流速度有关，当Cq≤0.610时，气层主要表现为气泡流，当Cq≥1.446气层转变为分层流，其他情况下呈现出分层流与气泡流同时存在的过渡流态。

该研究结果可为深入认识气层发展规律提供帮助，为构建大型运输船舶底部气层分布及减阻率预报模型提供指导。

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