船體流動(dòng)減阻方法研究綜述

張弛 劉林

摘 要：近年來(lái)，關(guān)于船體減阻的實(shí)驗(yàn)和研究比較多，取得了許多相關(guān)的資料和數(shù)據(jù)。在目前湍流理論有了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展之后，我們對(duì)原理的研究有了一些進(jìn)步。目前在減阻的方式上，人們已經(jīng)發(fā)明了肋條減阻（溝槽法）、聚合物添加劑減阻法、柔順壁減阻法、氣泡減阻法、仿生減阻法、壁面振動(dòng)減阻法、超疏水表面減阻法等。文中將就上述減阻方法的原理做一個(gè)簡(jiǎn)要的介紹。

關(guān)鍵詞：流體；阻力；船體減阻

1 柔壁減阻法

上世紀(jì)60年代，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)“人造海豚皮”的減阻效果，柔壁減阻開(kāi)始得到人們的重視。柔壁減阻法的一般做法是在固體壁面上覆蓋上泡沫塑料，往固體內(nèi)部水或油等液體后，在外面蒙一層不滲透或者半滲透性的薄膜，這樣泡沫塑料就能產(chǎn)生一定彈性。柔順壁的作用使粘性底層變厚，邊界層上流速梯度減小，就此減小了邊界面上剪力，同時(shí)也減小了因剪力做功而發(fā)散的能量，實(shí)現(xiàn)了減阻。

在雷諾數(shù)較大的環(huán)境下，粘性作用在邊界層內(nèi)。所以減阻的關(guān)鍵在于如何使邊界層平順流動(dòng)減少損失。由于海豚皮膚有很好的彈性，可以隨水流呈波浪狀起伏，形成了柔順壁。水流原本就是一種湍流運(yùn)動(dòng)，綜合海豚表皮的擾流運(yùn)動(dòng)，很容易在表皮邊界層內(nèi)產(chǎn)生擾流，由此產(chǎn)生的紊流，增加了游動(dòng)摩擦阻力。而當(dāng)擾流發(fā)生在邊界層內(nèi)時(shí)，海豚的皮膚產(chǎn)生的波動(dòng)，抵消了擾流并減少了晃動(dòng)，延遲了邊界層的轉(zhuǎn)捩，以此保持邊界層層流的流動(dòng)。

當(dāng)我們從邊界層穩(wěn)定性因素考慮時(shí)，可以更加深入的了解減阻的機(jī)理。影響層流運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的主要因素包括壁面粗糙度和來(lái)流紊流度。壁面的粗糙增加了對(duì)流動(dòng)的擾動(dòng)，合理的利用該擾動(dòng)有很好的減阻效果。目前對(duì)柔順壁減阻相對(duì)一致的觀點(diǎn)是，壁面壓力梯度緩解了壓力釋放，因此造成邊界層層流向湍流轉(zhuǎn)捩的后移。海豚表皮的“非光滑”柔順壁可順應(yīng)水流而流動(dòng)，減少湍流流動(dòng)，延遲邊界層轉(zhuǎn)捩，增加邊界層穩(wěn)定性，因此能夠高效降低其在水中的阻力。

2 溝槽減阻法

上世紀(jì)70年代，蘭利研究中心發(fā)現(xiàn)，順流向微小肋條的表面能有效降低壁面摩阻。該發(fā)現(xiàn)是對(duì)減小表面粗糙度來(lái)達(dá)到減阻目標(biāo)手段的一個(gè)創(chuàng)新，它是通過(guò)改變邊界層底層的流動(dòng)結(jié)構(gòu)從而達(dá)到減阻目的的。

為了最大限度地達(dá)成減阻目的，科學(xué)家對(duì)肋條形狀進(jìn)行了很多實(shí)驗(yàn)研究和設(shè)計(jì)優(yōu)化。德國(guó)科學(xué)家對(duì)各種肋條表面，包括對(duì)三角形、半圓形、刃形以及三維肋條進(jìn)行了研究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)比對(duì)發(fā)現(xiàn)凹形具有尖峰的形狀減阻效果最好。

這些年來(lái)，學(xué)界對(duì)肋條減阻機(jī)理的研究很多。大多數(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為達(dá)成減阻的主要原因是粘性底層厚度增加。反向旋轉(zhuǎn)的流向渦與肋條尖頂作用的二次渦的互相作用，二次渦減弱了與低速帶條相關(guān)系的流向渦，并在肋條之間的溝槽內(nèi)保持低速流體。順流向的渦對(duì)與條紋尖端相互作用，產(chǎn)生第二渦群，降低了順流向渦對(duì)強(qiáng)度，一直流向渦對(duì)展向集結(jié)能力，減小了低速帶條的數(shù)目，控制了近壁面區(qū)動(dòng)量交換。狹窄V形肋間溝槽的溝谷保持有低摩阻的低速安靜流，從而降低了總阻力。

3 高聚合物添加劑減阻法

高聚合物添加劑減阻法是這幾年減阻研究的一個(gè)重點(diǎn)，這種方法是通過(guò)在流體中溶入少量長(zhǎng)鏈高分子聚合物來(lái)達(dá)成減阻目的的。該方法在液體內(nèi)部邊界創(chuàng)造條件以達(dá)到減阻，它們的共同的特點(diǎn)是分子量的量級(jí)都達(dá)到百萬(wàn)。聚合物添加劑由于可以影響流向渦的強(qiáng)度，增大低速帶條間距，因此減小湍流的剪切力從而實(shí)現(xiàn)了減阻。

目前，盡管對(duì)這種方法已有了較深入的研究，但由于湍流問(wèn)題的復(fù)雜性，聚合物在湍流中產(chǎn)生減阻的原因至今還未弄清楚。雖然科學(xué)家基于實(shí)驗(yàn)提出了一些假設(shè)和分析，但還沒(méi)有出現(xiàn)一種理論能完美的解釋該問(wèn)題。但由于該方法比較容易實(shí)現(xiàn)并且效果很好，在很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

4 氣泡減阻法

氣泡法是通過(guò)在物體表面上造成氣泡，利用氣泡的小摩阻性和易變形等特點(diǎn)來(lái)調(diào)節(jié)底層流動(dòng)結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到減阻的目的。通過(guò)計(jì)算邊界層中的微氣泡對(duì)平板表面摩擦阻力的影響，得到減阻率在60%左右的結(jié)論。氣泡法減阻一般分為大氣泡減阻法和微氣泡減阻法。

大氣泡減阻是利用空化理論，在船底設(shè)計(jì)一個(gè)人造空腔，將氣體通入空腔中，形成一個(gè)與水分離的大氣泡，以達(dá)到減阻的目的。

微氣泡減阻是在運(yùn)動(dòng)的船體表面和水之間注入氣體，形成氣液混合物薄層，改變邊界層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使摩擦阻力減小。由于位于邊界層內(nèi)的微氣泡具有變形能，它把剪切力作用于流體的部分功轉(zhuǎn)為變形能儲(chǔ)存起來(lái)，從而減少能量損耗，實(shí)現(xiàn)了減阻目的。

但此方法最大的缺點(diǎn)就是氣泡不穩(wěn)定，一旦減阻氣泡破裂將產(chǎn)生更大的阻力和噪聲；而如果氣泡太小又達(dá)不到減阻效果，因此要注意氣泡的產(chǎn)生和消除。這也是氣泡減阻法下一步研究的重點(diǎn)方向。

5 壁面振動(dòng)減阻法

壁面振動(dòng)減阻法的基本思想是壁面振動(dòng)可以減小湍流表面摩擦力。靠近振動(dòng)壁面處湍流邊界層的平均速度將梯度減小，湍流強(qiáng)度依次減弱，因此驗(yàn)證了壁面振動(dòng)能減小湍流邊界層表面的摩擦阻力。

目前針對(duì)振動(dòng)減阻法的研究文獻(xiàn)很多，關(guān)于其機(jī)理的分析有兩種說(shuō)法：一是認(rèn)為減阻與振動(dòng)壁面上周期性順翼展方向的渦旋狀態(tài)有關(guān)，因?yàn)樗谡承缘讓訙p少了平均流速梯度，從而影響了邊界層的剖面，近壁區(qū)流向渦也順翼展方向重新排列，從而減弱了橫向邊界層的流向渦的波動(dòng)強(qiáng)度。第二種說(shuō)法認(rèn)為，在湍流邊界層存在準(zhǔn)流向渦再生循環(huán)現(xiàn)象，壁面湍流是靠它來(lái)維持的。所以準(zhǔn)流向渦是產(chǎn)生湍流表面磨擦力的主要原因，而壁面振動(dòng)干擾準(zhǔn)流向渦的再生循環(huán)實(shí)現(xiàn)了減阻目的。

6 超疏水表面減阻法

超疏水表面減阻受到水滴在荷葉上滾動(dòng)而不沾濕荷葉的啟發(fā)。荷葉表面有微米級(jí)的乳突和蠟狀物，微米乳突上還有納米結(jié)構(gòu)，對(duì)水具有排斥作用。

目前較普片的認(rèn)為疏水表面減阻的機(jī)理是“滑移長(zhǎng)度”理論。認(rèn)為水流經(jīng)疏水表面時(shí)產(chǎn)生壁面滑移，使邊界面上的速度梯度減小，從而剪切力減小，推遲了層流附著面的轉(zhuǎn)變，使層流流態(tài)更穩(wěn)定。

7 結(jié)束語(yǔ)

文章對(duì)船體減阻的原理、方法和意義進(jìn)行了較為全面的總結(jié)。從以上的減阻方法中，我們可以看到很多的減阻概念是源于自然界生物或者自然現(xiàn)象的啟發(fā)，因此這些減阻技術(shù)的發(fā)展離不開(kāi)仿生學(xué)和新材料學(xué)的發(fā)展。

目前，非光滑表面減阻技術(shù)和超疏水表面減阻技術(shù)在實(shí)船上已有所應(yīng)用，氣泡減阻技術(shù)主要運(yùn)用于船模實(shí)驗(yàn)中，實(shí)船上鮮有運(yùn)用。想要將這些減阻技術(shù)在船舶實(shí)際工程中得以廣泛和普及的應(yīng)用，還有很多的技術(shù)難關(guān)需要攻克。

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作者簡(jiǎn)介：張弛（1987，10-），男，湖北省武漢市（籍貫）；現(xiàn)職稱(chēng)：助理工程師；學(xué)歷：本科；研究方向：船舶制造。