平板喷气流场特性及气流量分配策略试验研究

2016-11-11吴浩欧勇鹏

哈尔滨工程大学学报 2016年9期

吴浩，，欧勇鹏

(海军工程大学舰船工程系，湖北武汉 430033)

(海军工程大学舰船工程系，湖北武汉 430033)

为了探讨气流量分配对平板喷气流场特性的影响，在高速拖曳水池里开展了平板下表面喷气减阻试验，研究了气流量纵向和横向分配对平板减阻率和气层形态的影响规律。研究结果表明：平板下表面气液混合流的形态主要受航速和气流量影响，当无因次气流量系数Cq≤1.554时，混合流主要表现为气泡流；当Cq≥1.675时，混合流转变为过渡气层流；当Cq≥2.331时，混合流由过渡流转变为分层流。平板下表面的局部摩擦力减阻率在喷气口附近处为100%；改善喷气策略，在首部喷气装置左腔、中腔和右腔横向喷气比例为1∶4∶1时，平板下表面的气层覆盖率较高，减阻率可以达到60.65%；首部和中部喷气装置联合喷气并未使平板减阻效果有改善。

平板;气流量;流场分配策略;气层形态;减阻率;局部摩擦力

低速肥大型船舶的摩擦阻力占船舶总阻力约60%～70%。如果能使该型船舶的摩擦阻力大幅度减小，将在减小二氧化碳的排放和节约燃料成本上起到关键作用。目前，世界各国都致力于研制气泡船来实现节能减排的目标，俄罗斯的气泡船已经得到了工程应用，日本及西欧的DK group船舶设计公司也气泡船方面进行相关的研究，我国对气层减阻试验技术的研究也有多年，取得了显著的进展[1-8]。

众多研究已表明气层减阻技术可以有效减少肥大型船舶的摩擦阻力：Kawakita等[9]针对长5.5 m的船模开展了喷气减阻试验，试验结果表明：在不同试验状态下船底气层会呈现不同的形态，但并未对气层的形态进行分析；Ceccio等[10-13]针对长12.9 m的平板在循环水槽中进行了喷气减阻试验。试验结果表明：航速和气流量是影响气体形态的关键因素，气层对局部摩擦力的减阻可以达到100%，但是限于试验条件未能测量平板总阻力，因此不能对平板的总阻力进行减阻效果评估；叶青等[14]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，试验结果表明：气层在平板底部随来流向后扩散，存在横向扩散角；气层形态主要受气流量和来流速度的影响。Tsai等[15]针对平板模型在循环水槽和拖曳水池中进行了喷气减阻试验，试验结果表明：在循环水槽中，平板的减阻率随着气流量的增加而增加至最大值后稳定不变，而在水池中则存在最佳气流量使得平板的减阻率达到最大，气流量超过最佳气流量时平板减阻率反而有所降低。造成这种差异的原因是循环水槽和拖曳水池中不同的压力、速度梯度；Sayyaadi等[16]在一条小型船模上探究了气流量、船模尺寸和减阻率的关系，试验结果表明：在合适的气流量下模型减阻率可以达到5%～8%，最佳气流量随着速度的增加而增大，但是过大的气流量反而会导致减阻率的减小。

现有的气层减阻研究重点在于通过对气层形态特征的观察，揭示气层减阻的机理，对于气层减阻影响因素、喷气策略的研究不全面，不能直接应用于气泡船的方案设计。鉴于上述原因，本文针对大型平板，在拖曳水池中开展了平板下表面气层形态及减阻率影响因素研究，并探讨了不同气流量分配策略下的平板下表面气层形态和减阻率的影响规律。

1　试验简介

1.1试验模型

试验模型为箱形平板，总长5.016 m，总宽1 m，厚0.12 m。平板首部及尾部采用NACA0015翼型进行光顺过渡，中间部分为平行中体。模型如图1所示，试验中为研究纵向气流量分配对喷气减阻的影响，在平板下表面安装了首部和中部两个喷气装置；为研究横向气流量分配对试验结果的影响，将首尾喷气装置划分为3个腔室：中腔、左腔和右腔。试验中通过喷气管路连接不同位置处的喷气口进行流量控制。为探究平板下表面喷气对不同位置处的局部摩擦力影响，在平板下表面沿中线布置了7个摩擦力传感，它们的纵向间距为0.65 m，具体布置见图1。

图1　试验模型示意图Fig.1　The sketch map of the test model

1.2模型安装

图2给出了试验模型的安装和气层观察系统的布置。试验模型采用双支柱固定，通过伸缩导航机构与拖车连接。调节导航机构的高度，可顺利调整平板的浸深。支柱采用流线型导流罩以减小对流场的干扰；支柱的横向位置位于平板的中纵剖面上；纵向关于平板长度方向的中心轴对称布置，前支柱中心线距离平板首部1.016 m，后支柱中心线距离前支柱中心线2.6 m。

支柱下端面通过单分力传感器与平板连接；上端面与圆柱形支撑杆相连；圆柱支撑杆与拖车上的拖曳系统固定连接。支柱沿着高度方向的长度可变，使得平板的吃水达到1.0 m，在水池底部某处布置水下光源和水下摄像系统实时拍摄和记录试验中不同状态下的气层形态。试验中通过拖车控制平板的前进速度；玻璃转子流量计测量气流量；两个单分力传感器测量平板总阻力；局部摩擦力传感器测量平板下表面特定位置处的局部摩擦力。

2　气层形态及其影响因素

向平板下表面直接喷入空气时会形成气液混合流。气液混合流的形态会随着气流量和航速的变化呈现出3种形态：1)气泡(bubble)，气体以碎气泡的形式向后移动；2)过渡气层(transitional air layer)，部分碎气泡连成片，其他气体依旧为气泡形式向后移动碎；3)气层，碎小的气泡连成片，形成气层整体向后移动。图3给出了平板下表面混合流的典型形态的示意图。

图3　混合流典型形态Fig.3　The typical form of mixed flow

平板下表面的气层形态与气流量及来流速度密切有关，基本规律如下：在低气流量时，混合流形态表现为气泡流；在航速较低，而气流量较高时，混合流形态表现为气层流；在其他工况下，混合流形态表现为过渡气层流；航速一定时，随着气流量的增加，气层的横向扩散越大；气流量一定时，随着航速的增加，气层的横向扩散逐渐减小，纵向扩散距离增大。

为了进一步揭示气流量及来流速度对气层形态的影响规律，定义无因次气流量系数Cq：

(1)

式中：Q表示气流量；V表示来流速度；B表示喷气口的横向宽度；δ表示不喷气时喷气口处的边界层厚度，利用下式计算：

(2)

式中：Re表示喷气口处的雷诺数，计算公式如下：

(3)

式中：x表示喷气口距平板首部的距离，此处x=0.3 m；v表示粘性系数，常温下取v=1.003×10-6。

图4给出了仅平板首部喷气装置中腔喷气状态下的气层形态。由图4可知：气层的形态与无因次气流量系数Cq紧密有关；当Cq≤1.554时，气层主要表现为气泡流；当Cq≥1.675时，气层由气泡流转变为过渡气层流；当Cq≥2.331气层由过渡流转变为分层流。

图5给出了首部喷气装置左腔、中腔和右腔以喷气比例1∶1∶1喷气下的气层形态。对比图5和图4可知：首部喷气装置的左腔、中腔和右腔同时喷气对平板下表面覆盖面积较大，气层亦比较均匀。

图4　首部喷气装置中腔喷气比例0∶1∶0喷气状态下的气层形态Fig.4　Air layer form of the header air injection with the proportion of 0∶1∶0

图5　首部喷气装置左腔、中腔和右腔以喷气比例1∶1∶1喷气下的气层形态Fig.5　Air layer form of the header air injection with the proportion of 1∶1∶1

3　平板阻力性能影响因素

3.1平板减阻率的定义

在拖曳水池里开展了水深1.0 m，Fr=0.119，0.172，0.272，0.357等，大型平板喷气减阻模型试验研究。为了清晰地反应参数变化对平板阻力性能的影响规律，平板下表面减阻率η，表达式如下

(4)

图6给出了水深1.0 m时平板不喷气阻力试验值、Fluent计算值和经验公式计算值。由图6可知：基于Fluent软件计算的平板总阻力值和试验值之间的误差在4%以内，平板下表面阻力计算值和经验公式计算值误差在3%以内(经验公式为1957ITTC公式)。这样就可以准确的分解出平板下表面受到的摩擦力Rb。

图6　水深1.0 m时平板不喷气总阻力试验值和计算值Fig.6　The plate resistance of test and calculated at depth 1.0 m

3.2平板阻力性能

图7给出了试验中平板首部喷气装置左腔、中腔和右腔喷气比例为0∶1∶0时的平板减阻率随气流量的变化。由图7可知：平板的减阻率随气流量的增加而增大，当气流量达到某一值时，减阻率达到最大，该气流量为饱和气流量；饱和喷气流量随着航速的增加而增大，试验中平板在Fr=0.119，0.172，0.272对应的饱和气流量分别为Q=10，10，15 m3/h；当气流量超过饱和气流量而继续增大时，平板减阻率反而稍有下降；在相同气流量下，航速越低，减阻率越大。饱和气流量下，Fr=0.119时，减阻率可以达到40.34%。

图7　左腔、中腔和右腔喷气比例为0∶1∶0时减阻率随气流量的变化Fig. 7　The drag reduction varies with air flow ratio with the proportion of 0∶1∶0

3.3平板局部摩擦力性能影响因素

对应3种不同平板混合流形态存在3种减阻方式：气泡减阻(bubble drag reduction， BDR)、过渡气层减阻(transitional air layer drag reduction, TALDR)和气层减阻(air layer drag reduction, ALDR)。

图8　Fr=0.172局部摩擦力减阻率Fig. 8　The local friction drag reduction for Fr=0.172

图9　Fr=0.429局部摩擦力减阻率Fig. 9　The local friction drag reduction for Fr=0.429

图8、图9给出了不同航速和流量下沿来流方向上7个位置上局部摩擦力的减阻率变化，X-XInject表示传感器中心距离喷气口中心的纵向距离。由图8、图9可知：在喷气口附近的局部摩擦力减阻率较高；对于BDR方式，距离喷气后较近的位置上摩擦力减阻率较大，但是沿着来流的方向，摩擦力减阻率会迅速降低至零；对于ALDR方式，在距离喷气后较近的位置上摩擦力减阻率亦较大，沿着来流方向会有所降低，直至气层的尾部减阻率才降低为零。

在喷气口处的减阻率较高是因为该处气流量充足，摩擦力传感器和空气接触，故减阻率可以达到100%。随着来流的方向，由于气泡受到浮力和平板湍流的扰动，气泡会迁移离开平板下表面的近壁区域向后方和两侧扩散，导致减阻率在喷气孔后方2 m内急剧减小。当Cq≤1.554，气层形态表现为碎气泡，较难形成气层，远离喷气口处的减阻率会骤降至零。

4　平板喷气策略影响

在平板首部喷气装置左腔、中腔和右腔喷气比例为0∶1∶0的喷气减阻试验中，左腔和右腔后方的平板表面没有气层覆盖；在平板首部喷气装置左腔、中腔和右腔喷气比例为1∶1∶1时的喷气减阻试验中，左腔和右腔的气流量过多，横向溢出较严重。因此，开展了左腔、中腔和右腔的气流量横向分配的减阻试验。并且研究了首部喷气装置和中部喷气装置联合喷气的气流量纵向分配的减阻试验。

4.1气流量横向分配平板流场特性

图10给出了在不同航速下，以饱和气流量喷气时，平板首部喷气装置横向喷气比例对平板减阻率的影响。由图10可知：在首部喷气装置左腔、中腔和右腔横向喷气比例为1∶4∶1之间时，在各航速对应的饱和气流量下的减阻效果较好，Fr=0.119时平板减阻率可以达到60.65%。

图10　减阻率随气流量横向分配的变化Fig. 10　The drag reduction ratio varies with transverse air flow distribution

图11给出了Fr=0.272、Q=15 m3/h时不同横向喷气比例平板下表面的气层形态，由图11可以看出：随着喷气装置中腔气流量的增加，气层的横向扩散逐渐显著，在喷气比例为1∶3∶1和1∶4∶1时平板下表面气层覆盖面积较大，而且气层分布较均匀。

图11　Q=15 m3/h、Fr=0.272时不同喷气比例方案下的气层形态Fig.11　Air layer shape at different air flow distribution scheme with Q=15 m3/h、Fr=0.272

4.2气流量纵向分配平板流场特性

在饱和气流量，并且首部喷气装置左腔、中腔和右腔喷气比例为1∶4∶1时，进行了首部和中部喷气装置联合喷气减阻试验，研究了纵向喷气比例对减阻率的影响。图12给出了减阻率随前后喷气装置喷气比例变化的曲线。由图12可知：增设中部喷气并未使减阻效果有明显改善，在相同的气流量下，仅中部喷气时的减阻率远小于仅首部喷气时的减阻率。

图13给出了Fr=0.272、Q=20 m3/h时不同纵向喷气比例平板下表面的气层形态，由图13可以看出：随着中部喷气装置气流量的增加，气层对平板的覆盖均匀度会降低；当仅中部喷气装置喷气时，平板下表面覆盖率最低。

图12　减阻率随气流量纵向分配的变化Fig.12　The drag reduction ratio varies with longitudinal air flow distribution

图13　首部与中部喷气装置联合喷气时的气层形态Fig.13　Air layer shape under the joint air injection of header and central device

5　结论

1)气层的形态与无因次气流量系数Cq紧密有关：当Cq≤1.554时，气层主要表现为气泡流；当Cq≥1.675时，气层由气泡流转变为过渡气层流；当Cq≥2.331气层由过渡流转变为分层流。

2)喷气口附近的局部摩擦力减阻率约为100%；沿着来流的方向，对于BDR方式，局部摩擦力减阻率会迅速降低至零；而对于ALDR方式，在距离喷气口后方2 m内摩擦力减阻率亦较大，沿着来流方向会有所降低，直到平板的尾部减阻率才会降低至零。

3)随着首部喷气装置的中腔气流量比例的增加，气层的横向扩散逐渐显著。在首部喷气装置喷气比例为1∶3∶1～1∶4∶1时平板下表面气层覆盖面积较大，且分布较均匀，此时平板的减阻率可达到60.65%。

4)对于本文研究的平板模型，首部和中部喷气装置联合喷气不能改善平板减阻效果。

[1]KORNILOV V I, BOIKO A V. Efficiency of air microblowing through microperforated wall for flat plate drag reduction[J]. AIAA journal, 2012, 50(3): 724-732.

[2]GOKCAY S. Revisiting artificial air cavity concept for high speed craft[J]. Ocean Engineering,2004, 31: 253-267.

[3]SVERCHKOV A V. Potential of the artificial air cavity technology for raising the economic efficiency of china’s inland waterway shipping[C]//Ninth International Conference on Fast Sea Transportation FAST2007. Shanghai, China, 2007.

[4]SVERCHKOV A V. Application of air cavities on high-speed ships in Russia[C]//International Conference on Ship Drag Reduction SMOOTH-SHIPS. Istanbul, Turkey, 2010.

[5]SVERCHKOV A V. Application of air cavities on high-speed ships in russia[C]//International Conference on Ship Drag Reduction SMOOTH-SHIPS, Istanbul, Turkey, 2010.

[6]BUTUZOV A A. State of Art in Investigations and development for the ship on the artificial cavities[C]//International Workshop on Ship Hydrodynamics (IWSH’99). Wuhan, China, 1999: 1-14.

[7]BUTUZOV A A, VASIN A I, DROZDOV A L, et al. Full-scale trials of a boat with an air cavity[J]. Shipbuilding problems, 1981, 28: 45-51.

[8]叶青, 董文才. 95000DWT散货船喷气减阻模型试验研究[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2015, 36(1): 68-72.

YE Qing, DONG Wencai. Model experimental study on resistance reduction of a 95000DWT bulk carrier by air lubrication[J]. Journal of Harbin engineering university, 2015, 36(1): 68-72.

[9]KAWAKITA K, TAKANO S, KODAN Y, et al. Experimental investigation of the behavior of injected air on the ship bottom and its influence on propeller[J]. Journal of the society of naval architects of japan, 2010, 12: 43-50.

[10]SANDERS W C, WINKEL E S, DOWLING D R, et al. Bubble friction drag reduction in a high-Reynolds-number flat-plate turbulent boundary layer[J]. Journal of fluid mechanics, 2006, 552: 353-380.

[11]ELBING B R, WINKEL E S, LAY K A, et al. Bubble-induced skin-friction drag reduction and the abrupt transition to air-layer drag reduction[J]. Journal of fluid mechanics, 2008, 612: 201-236.

[12]LAY K A, ELBING B R, YAKUSHIJI R, et al. Skin-Friction drag reduction by air layers and partial cavities[C]//Proceedings of the 27th Symposium on Naval Hydrodynamics. Seoul, 2008.

[13]ELBING B R, MAKIHARJU S, WIGGINS A, et al. On the scaling of air layer drag reduction[J]. Journal of fluid mechanics, 2013, 717: 484-513.

[14]叶青, 董文才, 欧勇鹏. 平板喷气流场特性影响因素试验[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2014, 35(1): 25-29.

YE Qing, DONG Wencai, OU Yongpeng. An experimental study of the flow field around the flat plate with air injection[J]. Journal of Harbin engineering university, 2014, 35(1): 25-29.

[15]TSAI J F, CHEN C C. Boundary layer mixture model for a microbubble drag reduction technique[J]. Mechanical engineering, 2011, doi: 10.5402/2011/405701.

[16]SAYYAADI H, NEMATOLLAHI M. Determination of optimum injection flow rate to achieve maximum micro bubble drag reduction in ships; an experimental approach[J]. Scientia iranica, 2013, 20(3): 535-541.

本文引用格式：

Experimental study of flow field characteristics and air distribution strategies on a flat plate with air injection

(Department of Naval Architecture Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

To investigate the effect of air flow distribution on plate flow field characteristics, we conducted a plate experiment with air injection in a high-speed towing tank. We studied the influence of air flow distribution in the longitudinal and transverse directions on drag reduction and the shape of the air layer. The results show that the shape of the air-water mixed flow under the plate surface is mainly affected by flow speed and air flow rate. When the non-dimensionalized air flow rate coefficient is equal to or less than 1.554 (Cq ≤1.554), the mixed flow will be mainly bubbly flow; when Cq≥1.675, the mixed flow becomes transitional air flow that is both bubbly and stratified; and when Cq≥2.331, the mixed flow becomes air-water stratified flow. We obtained a local friction drag reduction of 100% at the lower surface of the plate near the injection. We found the drag reduction to reach 60.65% by improving the air injection strategy, and the transverse air injection ratio in the left, middle, and right chambers to be 1∶4∶1 in the header air injection device. We found the joint air injection of the header and central device to make no contribution to drag reduction.

flat plate; air flow rate; flow field; distribution strategy; shape of air layer; drag reduction rate; local friction

2015-06-23.

时间：2016-07-29.

工信部高技术船舶科研资助项目([2011]530)；高性能船舶技术教育部重点实验室开放基金项目(2013033102).

吴浩(1987-), 男, 博士研究生；

吴浩，E-mail：hgwuhao@126.com.

10.11990/jheu.201506065

U631.1

1006-7043(2016)09-1220-07