平板气膜减阻试验研究

伍 锐， 沈 浩， 季 盛， 刘 恒， 姚 炎

(1.上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室，上海 200135；2.北京机电工程研究所，北京 100074)

平板气膜减阻试验研究

伍 锐1， 沈 浩1， 季 盛1， 刘 恒1， 姚 炎2

(1.上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室，上海 200135；2.北京机电工程研究所，北京 100074)

为验证气膜的减阻效果，对平板气膜减阻效果进行试验研究。介绍平板气膜减阻试验平台和试验研究过程，并对试验结果进行无量纲化处理;同时,定义表征流速和空气流量特性的水气流量系数。研究发现：存在临界水气流量系数，当水气流量系数小于该临界值时,摩擦阻力系数可根据经验公式求取；当水气流量系数大于该临界值时,摩擦阻力系数趋近于非0常数，而气膜覆盖区摩擦阻力系数趋近于0。

减阻；气膜；摩擦阻力；水气流量系数

0 引 言

通过向船底表面充气,使其形成气膜，可改变船底表面的湍流边界层，减小其摩擦阻力系数[1-4]。这里以平板为研究对象,对气模减阻效果进行定量研究。开发一套半平板摩擦阻力气膜减阻试验平台，进行平板摩擦阻力气膜减阻测量试验。通过分析试验结果，得出平板摩擦阻力气膜减阻的相关结论。

1 试验设计

1.1 气膜减阻试验的设计思路

平板所受的阻力包括摩擦阻力和压差阻力，气膜主要减小摩擦阻力，对压差阻力的减小作用不大。当平板表面完全被气膜覆盖时，平板所受的摩擦阻力相比压差阻力较小，导致气膜的减阻效果被压差阻力掩盖。为去除压差阻力对气膜减阻效果的影响，开发一套平板摩擦阻力气膜减阻试验平台。

1.2 气膜减阻试验平台介绍

平板摩擦阻力气膜减阻试验平台由前后支段和平行中段组成(见图1)。平台为铝合金材质，表面作阳极化处理，总长为1 514 mm(包括前后支撑段，前后支撑段有导圆过渡)，宽为305 mm，厚为40 mm。平行中段长为1 410 mm，宽为305 mm，厚为40 mm。前支撑段和后支撑段固定在空泡水洞壁上，平行中段通过4个单分量测力天平与前后支撑段连接。当水流流经该平台时,4个天平只测量平板的摩擦阻力。单分量测力天平的量程均为50 N，非线性误差<0.5%。

为确保测力时平行中段与前支撑段、后支撑段和洞壁无接触，平行中段与前支撑段、后支撑段及洞壁均有2 mm的间隔。

为使平板表面形成稳定的气膜层，上表面和下表面各9排充气孔，每排25个直径为1 mm的充气孔，相邻2排充气孔的间距为150 mm，同排充气孔的间距为10 mm，每排充气孔总长为240 mm，充气孔的分布位置见图2。每排充气孔内都布置有独立的气腔，气腔与充气气源独立连接(见图3)。供气系统见图4。

2 试验过程

2.1 无气膜平板摩擦阻力试验

为分析充气时气膜的减阻效果，首先进行无气膜平板摩擦阻力试验。基于空泡水洞性能，试验水速范围取为4～10 m/s，水温为8 °C,由天平测得不同水速下的平板总阻力。

在无气膜工况下，平板摩擦阻力系数可由普朗德-许立汀半经验公式求取。

(1)

(2)

图5 无气膜平板摩擦阻力系数半经验公式计算结果与试验结果比较

式(1)和式(2)中：L为平行中段长,1 410 mm；S为平行中段有效湿表面积,上下表面积1 410×305×2+外侧面积1 410×40，总面积91 650 mm2；Re为雷诺数；Cf为摩擦阻力系数；Rf为摩擦阻力；ρ为水的密度,998 kg/m3；ν为水的运动黏性系数,1.384 710×10-6m2/s；V为水速。由图5可知，无量纲化后平板阻力系数与半经验公式计算结果非常接近，相对偏小。这是由于平板一侧紧贴空泡水洞洞壁(相对距离仅2 mm)，洞壁一侧水速偏低，造成试验结果偏小。

当充气时，上表面和下表面的最理想气膜覆盖区域为1 336.5 mm×240 mm的矩形。该区域未充气时的摩擦阻力与总摩擦阻力的比值等于该区域面积与平行中段湿表面积的比值。为分析气膜减阻的真实效果，列出该区域未充气工况下平板的摩擦阻力(见表1)。充气后平板摩擦阻力的降低值可视为该区域的气膜减阻效果，而气膜区域以外平板的摩擦阻力基本不变。

表1 无气膜平板摩擦阻力

2.2 平板上表面、下表面气膜减阻比较试验

为探究平板上表面、下表面气膜减阻效果的差异，设定总充气流量为847.8 L/min(单管94.2 L/min)，先进行上表面全充气的气膜减阻试验，再进行下表面全充气的气膜减阻试验,摩擦阻力测量结果见表2。空气流量系数CQ和气膜减阻效果CE定义为

(3)

(4)

式(3)和式(4)中：d为通气圆孔直径，0.001 m；SG为通气圆孔面积；Q为通气流量；νa为空气运动黏滞系数，1.48×10-5；CNG为无充气的气膜覆盖区阻力系数；CG为充气的气膜覆盖区摩擦阻力系数。该工况下CQ=5.405×106，分析试验结果得到以下结论:

1) 低雷诺数较低时,上表面气膜减阻效果≈0，这是因为上表面气膜上浮脱离平板表面，不能形成稳定的气膜层;

2) 雷诺数较高时，相同空气流量系数下平板上表面气膜上浮效应降低，可形成较稳定的气膜层，气膜减阻效果可达到60.587%；

3) 试验选择下表面为研究对象，可避免气膜上浮造成的影响，同时能模拟船底表面充气。

表2 上表面、下表面全充气气膜减阻效果

2.3 雷诺数不同和空气流量系数不同时下表面气膜减阻试验

选取4个不同的来流水速和8个不同的空气流量(含无充气工况)，分别对平板下表面的平板摩擦阻力进行测量，试验结果见表3。

表3 不同工况下表面全充气的气膜减阻试验结果

不同空气流量系数下平板总摩擦阻力系数随雷诺数的变化趋势见图6。在相同的空气流量系数下，当CQ<2.027×106时Cf受雷诺数的影响较小，总摩擦阻力系数基本保持不变；当CQ≥2.027×106时，雷诺数越高,总摩擦阻力系数越大。

不同雷诺数下平板总摩擦阻力系数随空气流量系数的变化趋势见图7。在相同雷诺数下,平板总摩擦阻力系数均随空气流量系数的增大而减小。

不同雷诺数下减阻效果CE随空气流量系数CQ的变化趋势见图8。在相同雷诺数下,气膜减阻效果均随CQ的增大而增大。当Re=4.073×106，CQ≥4.730×106时，减阻效果达到100%。

综合上述分析,摩擦阻力系数为雷诺数和空气流量系数的函数。定义水气流量系数Cm=CQ/Re。当Cm=0时，CQ=0，摩擦阻力系数可用普朗德-许立汀的摩擦阻力系数半经验公式求得。当雷诺数一定时，摩擦阻力系数随着Cm的增大而减小，且存在临界值Cmcr，当Cm≥Cmcr时Cf趋近于常数，CG则趋近于0(见图9和图10)。用摩擦阻力系数概率密度函数对该规律进行曲线拟合，引入经验系数a,b和c，阻力系数Cf与Cm间的关系为

(5)

(6)

式(5)和式(6)中：当a=1.094，b=-2.760，c=1.872时，确定系数为0.903 8，拟合效果较好。由试验结果可知Cmcr=1.161。Cm≥Cmcr时，Cf≈(1.872±0.01)×10-3。

4 结 语

对试验结果进行无量纲分析，得到以下结论。

1) 雷诺数相同时，平板下表面总摩擦阻力系数随空气流量系数的增加而减小；空气流量系数相同时，下表面总摩擦阻力系数Cf在CQ<2.027×106时受雷诺数的影响较小，在CQ≥2.027×106时随雷诺数的增大而增大。

2) 当Cm=0时，摩擦阻力系数可根据普朗德-许立汀的摩擦阻力系数半经验公式求取；同时,存在临界水气流量系数Cmcr=1.161，当Cm

[1] 伍锐,沈浩,季盛,等.平板摩擦阻力气膜减阻试验研究[C]//中国造船工程学会.船舶力学学术委员会测试技术学组2016年学术会议论文集.北京:中国造船工程学会,2016:325-332.

[2] 陈洋.气膜减阻试验研究[J].上海船舶运输科学研究所学报,2006,29(1):1-5.

[3] 蔡金琦. 船舶薄层气膜减阻技术的试验和应用[J].中国造船,2000,41(3):9-13.

[4] 迟卫,姚熊亮,石侃,等.船舶气幕减阻技术现状研究展望[J].中国航海,2006,28(1):1-4.

Experimental Study of Flat-Plate Drag Reduction by Gas Layer

WURui1,SHENHao1,JISheng1,LIUHeng1,YAOYan2

(1. State Key Laboratory of Navigation and Safety Technology, Shanghai Ship & Shipping Research Institute, Shanghai 200135, China;2. Beijing Electromechanic Engineering Institute, Beijing 100074, China)

In order to explore the effect of the gas layer on reducing resistance, experimental study of flat-plate drag reduction by gas layer has been carried out in SSSRI cavitation tunnel. The testing platform and process are described in details and the experimental data has been processed by means of non-dimension anslysis method. A comprehensive non-dimension Liquid-Gas flow cofficientCmhas been defined to express the effect of the flow velocity and air mass flow. It is found that under conditionCm

drag redction; gas layer; frecition resisitance; liquid-gas flow coefficient

2016-08-22

伍 锐(1983—)，男,四川内江人,助理研究员,硕士,主要从事空泡水动力试验研究。

1674-5949(2017)01-0001-05

U661.1

A