微氣泡與聚合物對(duì)水下航行體減阻特性影響試驗(yàn)研究

宋武超， 王聰， 魏英杰， 路麗睿

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

目前，水下航行體減阻方法主要有空化減阻、射流減阻[1]、微溝槽減阻、表面涂層減阻、高分子聚合物減阻[2]和微氣泡減阻等[3-4]。微氣泡減阻技術(shù)成本低、環(huán)境友好，在較大速度變化范圍內(nèi)均可發(fā)揮其顯著的減阻效果，因此一直是海洋減阻領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

微氣泡減阻技術(shù)是指利用氣體介質(zhì)和液體介質(zhì)之間密度和黏度等屬性的差異，通過(guò)在航行體壁面邊界層附近連續(xù)不斷地噴射微小氣泡，形成一層薄的微氣泡和水的混合物，以減小航行體受到的摩擦阻力[5]。Deutsch等[6]和Merkle等[7]針對(duì)平板和回轉(zhuǎn)體開(kāi)展微氣泡減阻研究，試驗(yàn)結(jié)果表明回轉(zhuǎn)體微氣泡減阻規(guī)律與平板有很大差異，其最大減阻率隨著流速增加而增大。Deutsch等[8]分析了平板表面粗糙度對(duì)微氣泡減阻效率的影響，發(fā)現(xiàn)粗糙表面上的微氣泡減阻效率更高。Paik等[9]基于粒子成像測(cè)速(PIV)技術(shù)研究了通入微氣泡后湍流邊界層的流場(chǎng)特性。Maryami等[10-11]利用Couette-Taylor系統(tǒng)開(kāi)展了氣泡減阻試驗(yàn)研究，結(jié)果表明隨著旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)的增加，氣泡的減阻效果增大。Verschoof等[12]為分析氣泡減阻機(jī)理，將有助于氣泡分裂的表面活性劑添加入Couette-Taylor系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)氣泡的變形對(duì)氣泡減阻有著至關(guān)重要的影響。由于微氣泡的減阻機(jī)理尚不明確，很多學(xué)者利用數(shù)值模擬方法開(kāi)展了相應(yīng)研究。Xu等[13]針對(duì)平板微氣泡減阻問(wèn)題開(kāi)展了直接數(shù)值模擬(DNS)研究，發(fā)現(xiàn)近壁面處氣泡濃度對(duì)減阻效率有重要影響。Pang等[14-15]通過(guò)直接數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，微氣泡與液體湍流之間的相互作用可直接影響減阻效率。Mohanarangam等[16]基于商業(yè)流體計(jì)算軟件CFX中的群體平衡模型(PBM)對(duì)二維平板微氣泡減阻問(wèn)題開(kāi)展了數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明微氣泡的出現(xiàn)改變了湍流邊界層原有結(jié)構(gòu)。

國(guó)內(nèi)關(guān)于微氣泡減阻的研究起步較晚，且大部分采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行，在公開(kāi)文獻(xiàn)中，僅王家楣等[17-18]和楊新峰等[19]分別利用多孔平板和超聲空化方法開(kāi)展了微氣泡減阻試驗(yàn)研究，主要關(guān)注于通氣量和通氣方式對(duì)微氣泡減阻效率的影響，而對(duì)微氣泡流形態(tài)及減阻機(jī)理的研究則很少。在數(shù)值模擬方面，傅慧萍等[20-21]基于計(jì)算流體力學(xué)軟件ANSYS Fluent開(kāi)展了平板微氣泡數(shù)值模擬研究，分析了重力、通氣方式及噴氣速度對(duì)減阻效率的影響。吳乘勝等[22]采用k-ω湍流模型分析了不同氣泡直徑及噴氣速度下回轉(zhuǎn)體周?chē)馀莸姆植技白枇ψ兓?/p>

自1948年Toms發(fā)現(xiàn)聚合物的湍流減阻效應(yīng)以來(lái)，聚合物減阻劑的研究一直是熱門(mén)領(lǐng)域。盡管關(guān)于聚合物減阻的機(jī)理眾多，但并未形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)[23]。Ptasinski等[24]發(fā)現(xiàn)聚合物減阻劑的加入能減少流動(dòng)過(guò)程的湍流動(dòng)能。Kalashnikov等[25]通過(guò)試驗(yàn)研究了聚異丁烯水溶液的減阻轉(zhuǎn)性，結(jié)果顯示聚合物湍流減阻是一個(gè)非穩(wěn)定過(guò)程。Shah等[26]通過(guò)試驗(yàn)研究了聚合物減阻劑在直管和螺旋管內(nèi)的減阻特性，研究結(jié)果表明，聚合物減阻過(guò)程中的減阻率大小與管道曲率和管道表面粗糙度有關(guān)。王國(guó)兵等[27]對(duì)明渠中的聚合物減阻流動(dòng)開(kāi)展了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明聚合物減阻劑的加入會(huì)引起黏彈性流體縱向和豎向脈動(dòng)相關(guān)矩的減小，即摩擦阻力降低，表現(xiàn)出減阻效應(yīng)。梁雙[28]針對(duì)微管中聚丙烯酰胺的減阻特性開(kāi)展了研究，發(fā)現(xiàn)減阻率隨著聚丙烯酰胺平均分子量的增大而增加，且隨著其濃度的增加會(huì)出現(xiàn)濃度飽和現(xiàn)象。

目前關(guān)于微氣泡減阻的研究大都針對(duì)平板或船模開(kāi)展，較少涉及回轉(zhuǎn)體，關(guān)于聚合物對(duì)減阻的研究主要針對(duì)聚合物對(duì)流道中液體的減阻。本文針對(duì)聚合物和微氣泡的聯(lián)合減阻效果開(kāi)展研究，分析不同通氣量和來(lái)流速度下微氣泡流形態(tài)的演化規(guī)律，并研究聚合物對(duì)水下航行體微氣泡減阻的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

試驗(yàn)主要依托循環(huán)式高速通氣空泡水洞試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行，該試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括水洞及其操控系統(tǒng)，如圖1所示，其中工作段長(zhǎng)度為1 m，橫截面為260 mm×260 mm的正方形。為便于觀察微氣泡流形態(tài)，工作段上下及前后側(cè)面裝有透明的有機(jī)玻璃。水洞尾水罐可以除去通氣試驗(yàn)產(chǎn)生的氣泡，以進(jìn)行連續(xù)通氣試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中航行體模型、通氣系統(tǒng)、光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)和其他輔助系統(tǒng)如圖2所示。

試驗(yàn)采用自來(lái)水作為試驗(yàn)介質(zhì)，基于FASTCAM SA-X型高速攝像機(jī)對(duì)微氣泡流進(jìn)行拍攝。試驗(yàn)過(guò)程中拍攝幀率為3 000幀/s，并采用4盞功率為200 W的LED燈作為背景光源，以保證試驗(yàn)照片的清晰度。

試驗(yàn)采用的航行體試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D3所示。模型通氣結(jié)構(gòu)均采用微孔材料，孔隙直徑10 μm. 模型通氣結(jié)構(gòu)呈柱殼狀，位于航行體柱段。試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂傞L(zhǎng)度315 mm，直徑40 mm. 由于模型安裝的要求，通氣段位于模型頭部后方70 mm處，通氣段長(zhǎng)度為185 mm. 模型內(nèi)部安裝有六分力天平，并與水洞尾支撐段固定連接，天平測(cè)量的誤差為±0.1 N，用于測(cè)量不同工況下模型的阻力變化。

試驗(yàn)方法概述如下：使用聚氧化乙烯(PEO)作為減阻劑，其分子量為500萬(wàn)。為得到不同質(zhì)量濃度的PEO溶液，在試驗(yàn)開(kāi)始前，根據(jù)水槽中水位的變化計(jì)算出試驗(yàn)工況下水洞中水的質(zhì)量。根據(jù)試驗(yàn)所需PEO的濃度計(jì)算出所需PEO的質(zhì)量，并利用電子天秤稱(chēng)得對(duì)應(yīng)質(zhì)量。將所稱(chēng)得的PEO緩慢散入水洞尾水罐，并在正式開(kāi)始試驗(yàn)前使水洞運(yùn)行30 min，以確保其充分溶解。調(diào)整好水洞來(lái)流速度和通氣量后，同時(shí)觸發(fā)攝像系統(tǒng)和天平測(cè)力系統(tǒng)，天平測(cè)力系統(tǒng)記錄時(shí)間持續(xù)10 s. 試驗(yàn)采用的聚合物質(zhì)量濃度分別為0×10-7、2×10-7、5×10-7、10×10-7，水洞中的水流速度分別為6 m/s、8 m/s和10 m/s.

2 結(jié)果分析

2.1 航行體微氣泡流形態(tài)研究

圖4給出了來(lái)流速度u為6 m/s時(shí)不同通氣量Q下航行體微氣泡流形態(tài)的變化過(guò)程。從圖4中可以看出，壓縮氣體經(jīng)微孔材料注入到航行體邊界層內(nèi)，并在微孔材料處被剪切為離散的微氣泡。在通氣量較低(見(jiàn)圖4(a)～圖4(d))時(shí)，離散的微氣泡均勻分布在航行體表面，且離散的微氣泡在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受重力作用逐漸向上發(fā)生漂移。隨著通氣量增加，微氣泡流的密度和厚度也隨之增大。對(duì)于微孔材料的航行體，氣體經(jīng)微孔材料不斷向航行體表面充氣，直到微氣泡運(yùn)動(dòng)至模型尾部位置時(shí)上漂現(xiàn)象才較為明顯，且上漂的微氣泡始終為離散形態(tài)。

圖5和圖6分別給出了大小兩種通氣量條件下的航行體微氣泡流形態(tài)。由圖5和圖6可見(jiàn)，在氣體與液體混合相中，離散的微氣泡受重力、湍流產(chǎn)生的升力和阻力共同影響。在流速較低時(shí)，微氣泡的運(yùn)動(dòng)主要受浮力影響(見(jiàn)圖5(a)和圖6(a))，在航行體尾部，微氣泡上漂現(xiàn)象較為顯著；隨著來(lái)流速度增加，由湍流引起的脈動(dòng)升力和阻力產(chǎn)生的影響逐漸大于浮力影響，對(duì)離散微氣泡的運(yùn)動(dòng)控制逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。因此，隨著來(lái)流速度增加，微氣泡流厚度逐漸減小(見(jiàn)圖6(a)和圖6(d))。微氣泡流厚度減小的另一個(gè)原因在于，對(duì)于同一通氣量，隨著來(lái)流速度增加，氣體體積與流過(guò)航行體邊界層內(nèi)水的體積的比率逐漸減小，因此相同通氣量下的微氣泡厚度逐漸減小。對(duì)比圖6(a)和圖6(d)可以發(fā)現(xiàn)，隨著來(lái)流速度增加，微氣泡流厚度和透明度大幅度減小。

2.2 微氣泡與聚合物聯(lián)合減阻應(yīng)用研究

為研究聚合物溶液不同質(zhì)量濃度下，通氣量對(duì)航行體微氣泡減阻性能的影響規(guī)律，對(duì)通氣量做無(wú)量綱處理，將通氣率定義為

(1)

式中：S為微孔材料面積。

聚合物溶液對(duì)航行體微氣泡減阻效果的影響與溫度、聚合物種類(lèi)、聚合物溶液濃度和來(lái)流速度有關(guān)，在相同溫度和來(lái)流速度下將無(wú)聚合物溶液和不同質(zhì)量濃度聚合物溶液進(jìn)行對(duì)比，阻力系數(shù)定義為

(2)

式中：F為軸向力；ρ為流體密度；A為航行體圓柱段的橫截面面積。

為便于研究不同質(zhì)量濃度聚合物溶液對(duì)微氣泡減阻效率的影響規(guī)律，減阻率DR定義為

(3)

式中：C0為無(wú)通氣條件下的阻力系數(shù)。

圖7給出了不同質(zhì)量濃度的聚合物溶液對(duì)微氣泡減阻效率影響。從圖7(a)中可以看出：當(dāng)來(lái)流流速u(mài)為6 m/s時(shí)，隨著通氣量增加，不同濃度聚合物溶液的減阻率均逐漸增大，但不同濃度聚合物溶液間的微氣泡減阻率差異逐漸減小并最終趨于一致；聚合物濃度對(duì)微氣泡減阻效率有較大影響，隨著聚合物溶液質(zhì)量濃度增加，在相同通氣量下微氣泡減阻效率逐漸增大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于，在較低通氣量下，由于產(chǎn)生的微氣泡量較少，微氣泡產(chǎn)生的減阻效果較小；但由于聚合物的存在，相比于純水中航行體所受的阻力，隨著聚合物濃度增加，航行體所受的阻力均大幅度減小，在二者聯(lián)合作用下，聚合物的減阻率貢獻(xiàn)占優(yōu)，因此在較低通氣率下航行體的減阻率受聚合物濃度影響較大。隨著通氣量增加，微氣泡的減阻效果逐漸增大，當(dāng)通氣量增加到一定值后航行體完全被微氣泡所包裹，其所受的阻力中由沾濕引起的摩擦阻力貢獻(xiàn)減小，而聚合物對(duì)阻力特性的影響主要通過(guò)對(duì)水介質(zhì)屬性的影響產(chǎn)生，因此聚合物濃度對(duì)減阻率的貢獻(xiàn)減小，不同濃度聚合物溶液間航行體的減阻效率逐漸趨于一致。從圖7(a)也可以看出，在未通氣狀態(tài)下，對(duì)于聚合物減阻而言，隨著質(zhì)量濃度增加，減阻效果隨之增大。

關(guān)于微氣泡減阻機(jī)理，尚無(wú)公認(rèn)理論可以解釋。目前認(rèn)可度較高的微氣泡減阻機(jī)理如下：對(duì)于水下航行體，其表面所受的黏性阻力與航行體壁面附近湍流渦結(jié)構(gòu)及湍流猝發(fā)頻率密切相關(guān)，特別是近壁面處流向方向上渦結(jié)構(gòu)對(duì)水下航行體壁面所受的黏性阻力有很大影響[29-30]。微氣泡注入后可以顯著減小近壁面處的湍流強(qiáng)度及湍流的猝發(fā)頻率[14]，進(jìn)而減小近壁面處的雷諾切應(yīng)力及渦量，最終降低水下航行體所受的黏性阻力。本文中航行體受到的阻力包括黏性阻力和壓差阻力。由于繞流存在，航行體尾部附近區(qū)域存在低壓區(qū)。與通氣之前相比，微氣泡流的存在提高了航行體尾部區(qū)域附近低壓區(qū)的壓力，減小了航行體頭部和尾部的壓力差，即減小了航行體受到的壓差阻力。即微氣泡的注入不僅減小了水下航行體受到的黏性阻力，而且減小了其壓差阻力。

當(dāng)來(lái)流速度分別取值8 m/s和10 m/s時(shí)，從圖7中可以看出，不同質(zhì)量濃度的聚合物溶液對(duì)微氣泡減阻效率影響規(guī)律與來(lái)流速度u為6 m/s的情況類(lèi)似，差別在于隨著來(lái)流速度增加，在相同通氣量下不同質(zhì)量濃度的聚合物間微氣泡減阻差別效率逐漸減小。當(dāng)來(lái)流速度u為8 m/s時(shí)，濃度分別為10×10-7和5×10-7兩種聚合物溶液，在相同通氣量下的微氣泡減阻效率基本一致，但大于濃度為2×10-7聚合物溶液內(nèi)的減阻率；當(dāng)來(lái)流速度增加至10 m/s時(shí)，不同質(zhì)量濃度的聚合物溶液間減阻效率差別進(jìn)一步減小，但相同通氣量下均顯著大于濃度為0×10-7聚合物溶液的減阻率。從圖7(b)和圖7(c)也可以看出，在未通氣狀態(tài)下，對(duì)于聚合物減阻而言，隨著來(lái)流速度增加，不同質(zhì)量濃度的聚合物對(duì)減阻效率影響逐漸減小，即隨著來(lái)流速度增加，在較小聚合物濃度下即可實(shí)現(xiàn)較大的減阻效率，持續(xù)增加溶液中的聚合物濃度并不能提高減阻效果。

圖8給出了不同質(zhì)量濃度的聚合物溶液對(duì)微氣泡減阻效率影響。從圖8中可以看出：隨著通氣量的增加，不同聚合物濃度下的航行體微氣泡減阻率隨著通氣量增加而增大，并最終逐漸穩(wěn)定；在來(lái)流速度u為6 m/s條件下，各不同質(zhì)量濃度下的微氣泡減阻率穩(wěn)定值隨著質(zhì)量濃度增加而減小。

聚合物減阻機(jī)理涉及到流變學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)、聚合物的物理化學(xué)等學(xué)科，迄今為止尚無(wú)一個(gè)有說(shuō)服力的理論對(duì)該減阻現(xiàn)象做出合理解釋。目前已知的是，聚合物減阻的基本思想與微氣泡減阻方式類(lèi)似，均是對(duì)湍流脈動(dòng)產(chǎn)生抑制作用，即降低湍流的猝發(fā)頻率和湍流強(qiáng)度。高分子聚合物利用自身具有的黏彈性反向扭矩抑制湍流漩渦的旋轉(zhuǎn)翻騰，進(jìn)而降低湍流強(qiáng)度，減小雷諾應(yīng)力及其對(duì)黏性阻力的貢獻(xiàn)，最終減小流動(dòng)阻力[31]。

3 結(jié)論

本文基于水洞試驗(yàn)開(kāi)展了不同流速和通氣量下微氣泡流形態(tài)及聚合物與微氣泡減阻特性的試驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：

1)基于微孔材料航行體的微氣泡流均勻分布在航行體表面；隨著通氣量增加，微氣泡流的密度和厚度也隨之增大；隨著微氣泡流向模型尾部運(yùn)動(dòng)，其上漂現(xiàn)象愈發(fā)顯著，且上漂的微氣泡始終為離散形態(tài)。

2)對(duì)于未通氣狀態(tài)下的聚合物減阻，相同來(lái)流速度下，隨著聚合物質(zhì)量濃度增加，減阻效果隨之增大，但存在聚合物飽和效應(yīng)，且飽和聚合物質(zhì)量濃度值隨著來(lái)流速度增加而減小。

3)聚合物和微氣泡聯(lián)合減阻效率大于單獨(dú)一種減阻方式；當(dāng)來(lái)流速度較小時(shí)，隨著通氣量增加，不同質(zhì)量濃度聚合物溶液的減阻率均逐漸增大，但不同質(zhì)量濃度的聚合物溶液間微氣泡減阻率差異逐漸減小，并最終逐漸趨于一致；當(dāng)來(lái)流速度較大時(shí)，相同通氣量下不同質(zhì)量濃度的聚合物間微氣泡減阻效率差異逐漸減小。

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