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硕士学位论文非光滑疏水表面的微气泡减阻技术研究TheStudyofDragReductionofMicrobubblesonNonsmoothSurfacewithHydrophobicProperty学号:21004057完成日期:窒Q!墨生墨旦大连理工大学DalianUniversityofTechnology 大连理工大学学位论文独创性声明l{UlIIIIIIIIII11111IIlY2415076作者郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知,除文中已经注明引用内容和致谢的地方外,本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果,也不包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处。本人愿意承担相关法律责任。攀堂正鲨盟竺 大连理工大学硕士学位论文摘要在船舶运输和管道输运等流体减阻领域中,壁面摩擦阻力在总阻力中占有较大比例。如何减小固体壁面与流体介质间的摩擦阻力提高能源利用效率,一直是大量学者研究的热点。微气泡减阻技术能有效的减小固体壁面与流体介质之间的摩擦阻力,其基本作用原理是将气相介质引入固体表面,在近壁区形成气液两相混合流,降低壁面边界层附近的流体密度改变流体的流动状态,将部分固液界面转变为无剪切应力的滑移气液界面,从而降低固体壁面的摩擦阻力。本文将凹坑型非光滑表面和低表面能疏水壁面减阻方法与微气泡减阻技术相互结合,充分利用非光滑表面的微观结构和壁面的低表面能疏水特性,改善微气泡减阻稳定性问题,使微气泡能够长久稳定的吸附、停留在具有特殊形态的固体表面提高微气泡减阻效率。本文利用数值模拟及实验测试的方法对特殊壁面状态下的微气泡减阻性能进行了研究分析。通过Fluent软件中气液两相流模块对管道及船体模型进行了微气泡减阻性能的数值模拟,分析了特殊壁面凹坑微结构、低表面能疏水特性及主流速度等因素对微气泡减阻性能的影响规律,并利用壁面摩擦阻力、边界层空隙率及阻力系数等参数表征了微气泡的减阻效果。在实验测试方面,本文在压差减阻测试平台的基础上对试验设备进行了简单改进,同时利用低表面能疏水涂层在模型底面制备了凹坑结构及疏水效果,实现了对微型船体模型特殊壁面条件下的微气泡减阻性能测试。其中在数值模拟和实验测试条件下模型最佳减阻效率分别为54.5%和18.1%。研究过程中实验测试结果与模拟分析相互吻合均表明:微气泡减阻技术可以显著降低流体中固体壁面所受的摩擦阻力;减阻效果与主流速度和微气泡的通入量有很大关系;凹坑型微结构表面及低表面能疏水特性的引入在相同边界条件下可以增加壁面边界层空隙率提高微气泡减阻效果。壁面的疏水特性越强越有利于促进微气泡减阻效率的提升,但随着凹坑尺寸的增大对流场的扰动作用增强减阻效果下降。本文将微气泡流体减阻技术与疏水性凹坑型壁面减阻方法相结合,利用壁面的凹坑型微结构及低表面能疏水特性,明显改善了微气泡减阻过程中微气泡在壁面减阻效果的稳定性问题,提高了微气泡的减阻效率促进了微气泡减阻技术的发展。关键词:流体减阻;微气泡:非光滑表面;低表面能疏水 非光滑疏水表面的微气泡减阻技术研究TheDragReductionofMicrobubblesonNonsmoothSurfacewithHydrophobicPropertyAbstractInthedragreductionfieldofnavigationandpipelinetransport,thefrictionalresistanceaccountforalargeproportionofthetotalresistance.Howtoimproveenergyefficiencyandreducethefrictionalresistancehasbeenattractedalargenumberscholarsathomeandabroadfortheindefatigableeffort.Thedragreductiontechnologyofmicrobubblescaneffectivelyreducethefrictionalresistancebetweenthesolidwallandfluidmedium.ThebasicprincipleiStoleadairintobottomsurfaceandformmixingtwophaseflowofairandwateratthebottomsurface,whichmayreducethevicinityfluiddensityandchangetheflowstructurewithintheboundarylayer.Themicrobubblescanconvertapartofthesolid-liquidinterfacetotheshear-freeair-waterinterface,therebyreducingthefrictionalresistanceofthesolidwaltandthenconservingenergy.Thispapercombinemicrobubbledragreductiontechnologyandnonsmoothsurfacewithhydrophobicpropertytechnology.Thespecialsurfaceisbenefitofretainingmicrobubblesintheboundarylayerandthespacesofmicrostructures.Itwilltakefulladvantageofmicrostructureofnonsmoothsurfaceandlowenergyproperty.ofhydrophobicsurface,toimprovethestabilityandefficiencyofdragreductionpropertyofmicrobubblesatthebottomsurface.Inthispaper,thenumericalsimulationmethodandexperimentaltestareappliedtoresearchandanalyzethedragreductionperformanceofmicrobubbleswiththespecialsurface.Thepipeflowandhullmodelarebuildtosimulatethedragreductionefficiencybyusingthegas—liquidtwo-phaseflowmoduleofFluentsoftware.111esimulationanalyzetheinfluencesbetweenthedragreductionperformanceandfactorsofmicrostructureofthespecialsurface,thelowenergypropertyandmainstreamvelocityet.a1.Theeffectoffactorsarecharacterizedbytheparametersofskinfriction,voidporosityoftheboundarylayeranddragcoefficient.Duringtheexperimentaltesting,theequipmentisimprovedbasedonaplatformofpressuredrop.Wetestthedragreductionperformanceofmicrobubbleswiththespecialsurface,onwhichthepitstructureandhydrophobiceffectaremadebasedonthelowenergyhydrophobiccoming.Inthecourseofstudytheexperimentalresultsmutuallycoincidewiththesimulationanalysis.Itshowsthatthedragreductiontechnologyofthemicrobubbletailsignificantly—I工 大连理工大学硕士学位论文reducefrictionalresistanceofthesolidwallinthefluid.Themainstreamvelocityandventilationpressurehavegreatinfluenceonthedragreductioneffect.Inthesameboundaryconditions,thedimplestructureandthelowenergypropertyofhydrophobicsurfacecallincreasethevoidfractionneartheboundarylayerandimprovetheeffectofmicrobubbledragreduction.Thedragreductioneffectisenhancedbyincreasingcontactangleofhydrophobicsurfacebutthelagerdimplecausestrongerturbulenceandlossmoreenergy.Thispapercombinemicrobubbledragreductiontechnologyandnonsmoothsurfacewithhydrophobicpropertytechnology.Ittakefulladvantageofmicrostructureofnonsmoothsurfaceandlowenergypropertyofhydrophobicsurfacetoimprovethestabilityandefficiencyofdragreductionpropertyofmicrobubblesandpromotethegrowthofmicrobubbledragreductiontechnology.KeyWords-DragReduction;Microbubbles;NonsmoothSurface;LowEnergySurface..III.. 非光滑疏水表面的微气泡减阻技术研究目录摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯IAbstract..................,......⋯⋯⋯,⋯⋯⋯..⋯.⋯................,⋯.,.....⋯⋯.⋯⋯..⋯,⋯⋯⋯..........II1绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.11.1引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.11.2国内外流体减阻技术研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.21.2.1微气泡减阻技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.21.2.2非光滑表面减阻技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一61.2.3疏水表面减阻技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.81.3本文的研究目标和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..102微气泡减阻技术基本理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯,122.1微气泡减阻机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..122.2微气泡基本参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..142.2.1空隙率⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯142.2.2主流速度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯142.2.3微气泡的形成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯152.2.4微气泡的受力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯152,2.5微气泡的浓度分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..162.3边界层厚度及摩擦阻力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..172.4气液两相流控制方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..192.5本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.203微气泡减阻的数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.213.1Fluent软件应用简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯213.2模型建立及求解设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..223.2.1模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯233.2.2网格划分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.,243.2.3边界条件设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯253.3模拟结果与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..253.3.1主流速度的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯263.3.2凹坑大小的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯283.3.3表面粗糙度的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.,31 大连理工大学硕士学位论文3.3.4壁面接触角的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯333.4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.364微气泡减阻实验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯-374.1微气泡减阻实验方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..374.1.1船体模型的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯384.1.2喷气压力和水流速度的调节⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯394.1.3船模阻力的测量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯394.2船模底面涂层性能的测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯404.4实验测试与结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..424.5本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.465结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯475.1研究结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.475.2微气泡减阻研究展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一48参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯50攻读硕士学位期间发表学术论文情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯53致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.大连理工大学学位论文版权使用授权书⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5455 大连理工大学硕士学位论文1绪论1.1引言随着世界各国科学经济快速迅猛发展以及世界能源危机问题的日益凸显,各行各业都在试图寻求可持续发展路线。降低燃油消耗,提高能源利用效率一直是交通运输业,尤其是船舶输运行业所面临的巨大挑战。降低船舶航行时的阻力,可以有效地提高船舶航行速度,增加能源利用效率。船舶、舰艇及水下航行器等在航行过程中受到的阻力主要有三种:粘性阻力、压差阻力和兴波阻力。粘性阻力的大小主要取决于固液介质问的接触面积以及接触面处流体的速度梯度,其本质是由流体的内摩擦力引起的。压差阻力是由于流体的粘性作用及物体的形状变化,使得在流体中运动的物体前后侧面受到的压力不同而产生的阻力。压差阻力的影响因素主要为物体的运动速度并与其平方成正比。在物体前进的时候,从能量减少的角度认为物体将一部分能量传递给流体并随着波浪向外传播。能量在振动的过程中逐步减少等价于物体运动过程中受到水的阻力引起能量消耗,通常将这种阻力称为兴波阻力。为了减少兴波阻力,一些大的船舶将船体吃水线下方部分做成球形的鼻子状。其作用是在船舶等行驶过程中,水面上下部分的船体产生相干波浪。它们相互叠加时互相抵消、减弱,使得水面平静、减少能量损失,从而减小船舶的兴波阻力。由于流体介质的粘性所引起的阻力在船舶航行过程中的总阻力中占有较大比重【n。对于低速低速船只,粘性阻力占总阻力的80%一90%;在高速状态下,也约占到总阻力的60%。因此,如何减小粘性阻力一直是研究者们关注的焦点。物体的粘性阻力可以分为摩擦阻力和形状阻力(压差阻力)。目前,在形状阻力(压差阻力)方面,主要通过设计新型的优良船型,通过优化船舶的线性来推迟层流边界层向湍流边界层的过渡,以减小形状阻力的影响。但船舶外形优化经过数十年的研究发展,优化船型减阻的发展空间已经很有限。经过人们对流体介质阻力原理和作用机制的不断深入研究,认识到通过研究物体壁面形态与粘性流体之间的作用关系,改变流体介质在近壁区的运动和动力学特性,减少粘性流体的内摩擦力,将是流体减阻领域发展的必然方向。经过国内外学者几十年的不懈努力,固体壁面在流体介质中减小摩擦阻力的方法已经有了很大的发展。目前比较成熟的流体减阻方法主要有:疏水壁面减阻、非光滑表面减阻、微气泡减阻、柔性壁面减阻、高分子聚合物减阻等。其中,微气泡减阻方法作为一种主动减阻技术,相比其它流体减阻技术有着明显的高效性和可控性。微气泡减阻技 非光滑疏水表面的微气泡减阻技术研究术的基本工作原理可以认为是将空气介质或废气引入船底表面,形成气液两相混合流,取代近壁区单纯的液体介质,降低边界层的流体密度,将部分固液接触界面转变为无剪切应力的气液滑移界面,改变壁面湍流边界层的流动状态,从而降低固体壁面在流体介质中相互运动的壁面摩擦阻力。微气泡减阻技术由于其特殊的工作原理而具有很大的减阻效率。在喷气口后方的局部区域减阻效率可以到达70%.90%,在较远的区域减阻效率也有不同程度的提高。此外,由于微气泡喷射特性的可控性,相比其它被动减阻技术,在船舶等航行器更加广泛的速度变化范围内微气泡减阻技术都可以发挥其显著地减阻效果。1.2国内外流体减阻技术研究现状上世纪60年代,Savms发现树脂、有机皂等自然物质在湍流状态下可以减小流体的摩擦阻力,首次将“减阻DragReduction”一词引入到科学研究领域【2l。目前,国内外比较成熟的流体减阻技术主要为:微气泡减阻技术、仿生非光滑表面减阻技术、柔性壁减阻技术、疏水性壁面减阻技术以及聚合物减阻技术等。1.2.1微气泡减阻技术微气泡减阻技术就是利用气体介质与液体介质之间在密度和粘度等方面的属性差异,在壁面边界层附近连续不断的喷射微小气泡,形成气液两相混合流,将部分流体与壁面隔离,以气液界面取代固液界面,从而达到减小摩擦阻力的作用。目前,国内外有关微气泡减阻技术的研究基本还处于试验阶段,研究大多针对平板表面、回转体模型和船舶模型等,研究方法主要采用粒子成像测速、总阻力压差测量、应力检测和数值模拟等研究手段。微气泡减阻的试验研究最早开始于1973年,McCormick等【3l利用电解产生氢气的原理,研究了表面缠有铜电极的回转体模型微气泡减阻效果。但是由于试验条件和缠绕导线的影响使得试验过程中,在流体流速较高时回转体表面易产生分离现象而影响试验测试结果。最终,试验研究结果表明:在低速条件下,由于微气泡的作用可以使回转体的摩擦阻力减小50%。俄罗斯学者Dunischev[41和Bogdevich[5l等利用多孔不锈钢板喷气的方法,研究了平板表面微气泡减阻性能。试验过程中喷气孔直径为卜100l_un。实验结果表明:喷气孔直径对微气泡的减阻效率有很大影响。当气孔直径大于50I.un时,微气泡几乎没有减阻效果;平板表面产生的微气泡主要分布在边界层附近,在紧贴壁面处及边界层外侧微气泡浓度几乎为零。试验测试结果同时指出:喷气流量是摩擦阻力减少的主要影响因素,在2 大连理工大学硕士学位论文喷气流量达到饱和值以前,增大喷气流量摩擦阻力的测试结果减小,此后增大喷气流量摩擦阻力几乎无变化。在喷气出口处的紧后方,壁面局部摩擦阻力的减少量最大约为90%,并且沿着去流方向,局部摩擦阻力减少量下降直到失去减阻效果。1986年,Detusch掣6J对平板表面和回转体表面的微气泡减阻效果进行了试验研究。图1.1为测试平板表面微气泡减阻性能装置示意图。实验过程中不仅考虑了主流速度和喷气量等因素对减阻效率的影响规律,还分析了不同气体类型对微气泡减阻效果的影响。实验结果表明:微气泡减阻效果不仅与喷入气体的浓度和速度有关,气体在液体介质中的溶解度也会影响微气泡的减阻效率。研究结果还指出,微气泡对平板表面和旋成体的最佳减阻速率有很大不同。平板表面在低速5m/s时,减阻效果最佳,而旋成体的最佳减阻速率则为17m/s。水洞上壁水流三一⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一影⋯,门⋯⋯舅i\I永滴下壁I,册)\。翼气入口一≥天平安法水的目l力平衡器≮一测试部分(254朋朋)鬟▲_.-;|||l102,托,竹t图1.1平板表面微气泡减阻装置示意图Fig.1.1TheschematicofmierobubbledragreductionplatformofplanPal等阴对微气泡在平板表面的减阻特性进行了细致的试验研究,并着重分析了平板边界层中微气泡的形态特征和运动轨迹。研究结果表面:微气泡的大小与喷气速率和主流速度有较大关系,较大尺寸的微气泡依然具有较强的减阻性能,且在平板下面并未观测到无气泡区。在喷气口后方微气泡会发生不同程度的聚并现象,文章分析认为这主要是由于湍流扩散作用使得微气泡扩散逃离边界层。微气泡的减阻作用主要发生在边界层附近,扩散逃离壁面边界层的微气泡会失去减阻效果。KimISl和Seok等19】对滑行艇微气泡减阻模型进行了水池拖拽试验,研究了拖车速度、喷气流量和喷气压力以及模型断阶形式等主要参数对微气泡减阻效果的影响规律。试验滑行艇模型长1.275m、宽o.25m,拖车速度1.16.2.99m/s,喷气量0-250Umin。试验结果 非光滑疏水表面的微气泡减阻技术研究表面:通气后模型的粘性阻力和压差阻力都有不同程度的降低,且具有断阶的滑行艇有更佳的减阻效果。文章分析认为,断阶可以在滑行艇底面形成空穴减少浸湿面积是滑行艇阻力减小的一个重要因素。国内学者在微气泡减阻方面也进行了充分的理论研究和试验分析。蔡红玲等【10J利用Huent软件模拟的方法,研究了船舶模型在不同喷气量和喷气速度与壁面摩擦阻力和气泡浓度分布之间的相互关系。船舶计算模型水线长35。535m、宽6.2m、吃水1.2m,计算过程中取模型航速16—22海里每小时、喷气量15—24n一/h。计算结果表明:在船舶底部通入微气泡后,增大微气泡的喷气量平板表面的摩擦阻力减阻率增加,但减阻率的增加幅度变小;当喷气量不变对,增加船舶航行速度,减阻率降低。杨新峰等【1ll利用超声空化产生微气泡的原理进行了微气泡减阻试验。通过测量微气泡产生前后转盘的阻力矩,研究了转盘转动过程中微气泡的尺寸大小和分布密度与其减阻效率之间的联系。试验过程中,通过控制信号源的频率和幅值可以改变空化产生微气泡的尺寸大小和浓度。试验测试了微气泡尺寸为201am、8.71am和49m时,转盘的减阻效果。试验结果表明:在不同转速下,超声空化产生的微气泡具有10%~16%的减阻效果,且旋转速度高时减阻效果比低速时好。微气泡的尺寸大小对减阻效果也有一定程度的影响,其中换能器空化频率与微气泡大小的关系式为:R3m;n+薏‘R备tn一舅‘看蒜一o∽t,其中,Rmin为气泡半径,Po为液体静压,o为气泡表面张力系数。郭峰【12】和吴乘胜【13】等分别利用软件模拟的方法,研究了回转体表面喷入微气泡时表面的阻力系数与相对喷气速度、喷气角度、气泡尺寸和空隙率等参数之间的关系。计算模型总长490ram、直径50ram、喷气口宽度lmm位于平行中段首端。计算过程中分别设定不同主流流速、喷气速度和微气泡尺寸等边界条件,二者的计算结果略有出入。郭峰的计算结果表明:微气泡大小的变化对回转体减阻率的影响并不大,较大尺寸的微气泡对减小回转体表面的摩擦阻力更有效。同时文章指出,喷气角度对减阻率的影响很小,相对喷气速率是影响回转体表面微气泡减阻效率的主要因素。吴乘胜的研究结果表明:气泡直径较小时,微气泡能够均匀、稳定地附着在模型的表面,微气泡减阻效果较好。同时文章指出,增加主流速度可以使微气泡集中在模型表面,增大壁面边界层空隙率,提高微气泡减阻效率。文章分析认为:摩擦阻力主要由船舶湿表面积及周围流体特性和流动状态所决定。由于船舶等的固有属性其湿表面积一般难以改变。因此,降低船舶摩擦阻力主要是通过减小船体壁面边界层附近流体介质的粘性系数和密度以及改变船体 大连理工大学硕士学位论文壁面附近的流动状态即边界层的湍流结构。在模型底面通入微气泡,气相与流体介质相互作用形成气液两相混合流,降低壁面附近流体的密度,且流体介质的湍流粘性、湍流动能的生成和耗散也随之减小,使得流体介质对模型底面的摩擦阻力减低。王家楣等【14】利用水池内拖拽平底型船模的方法,研究不同拖拽速度、喷气量和喷气形式条件下的微气泡减阻效果。试验船模水线长2.5m、宽0,4m,船模首部和中部各有一喷气口,喷气装置由多孔硅板制成如图1.2所示。研究结果表明:在船首和中部同时喷气的减阻效果要明显优于仅在船首施加微气泡的作用效果。微气泡作用最佳条件下,船模总的减阻率可达32.8%。进气孔图1.2平底拖拽船模示意图Fig.12Theschematicofflatbottomvesselmodel欧勇鹏等lI,j运用混合多相流模型对平板微气泡减阻效果进行了数值模拟,研究主要分析了平板微气泡的喷气速度与主流速度之比、微气泡大小、壁面微气泡的孔隙率分布等因素与平板微气泡减阻效率的影响规律。平板模型长700ram、宽300mm、喷气板面积60mm2,气液流速比变化范围o.05.1.5。模拟结果表明:微气泡的引入可以明显减小平板的摩擦阻力;减阻率为喷气速度与主流速度比值的增函数,但变化率随比值增大明显减小:微气泡主要集中在紧贴表面约lmm厚的边界层内。文章结果还表明当气泡直径较大超过100“m时,相邻的气泡很容易聚集形成气团。因气团受到的浮力作用较大,会迅速逃离边界层使得微气泡减阻效果降低。宋宝维116]和黄衍顺【l7】等分别利用模型试验和数值模拟的方法,研究了湍流状态下平板表面的微气泡减阻性能。两人分析结果相互吻合,研究结果表明:微气泡主要分布在壁面附近的边界层中,使得壁面附近的空隙率较高,随着与壁面距离的增加,空隙率急剧减小。研究同时指出,湍流边界层中的微气泡减阻作用互不相同,其中分布在过渡层和对数律层的微气泡减阻效果最显著。且宋保维的试验研究结果表明,在高雷诺数条件下,平板自由来流速度的变化对微气泡作用时壁面摩擦阻力的减低影响不大。毕毅等[18】运用混合多相流模型的数值模拟方法,研究了主流速度和喷气流量与运动平板的微气泡减阻效率的影响规律。平板计算模型长2m、宽o.5m,微气泡狭缝宽0.1m。 非光滑疏水表面的微气泡减阻技术研究分析结果表明:在特定主流速度条件下对应最适合的喷气速率使减阻效果最佳。文章还根据等效流理论给出了微气泡减阻率的预报公式:T121一(1-器.)-lf跌ReL×lgRe蒯L-2—21(1.2)公式表明减阻率仅与主流雷诺数ROL和孔隙率p有关。对减阻率求偏导数可得,减阻率为主流雷诺数的减函数,为孔隙率的增函数。通过减阻率预报公式可以粗略的预测不同条件下的微气泡减阻效果。白莉等1191利用表面旋涡流动导致局部空化产生微气泡的原理,研究了具有微结构的旋成体模型在高流速条件下的减阻效果。模型表面微结构为0.1mm量级的梯形或三角型截面形貌。实验研究认为:在高流速条件下,微结构表面由于流动分离产生负压梯度形成空化作用产生微气泡,降低壁面附近流体粘性系数减小摩擦阻力。实验估计模型减阻效果最大可以达到19.6%。1.2.2非光滑表面减阻技术仿生学研究发现,鲨鱼为适应在水下的生活而进化出有利于其高速游动减小阻力的体表结构,即体表顺流向排列的微沟槽结构。生物界存在的天然减阻表面引起了国内外学者的广泛关注。1982年,Walsh最先进行了表面具有微沟槽结构的平板湍流减阻研究。试验结果表明,具有V型结构的平板微结构表面减阻效果最佳。此后,各国学者依据仿生学原理,针对不同形式的仿生非光滑表面做了大量研究工作[20,21]。目前,非光滑表面的减阻理论主要有两种,一是从流体粘性理论出发的“突出高度论”。非光滑表面相对于等价光滑表面下方的空间区域由粘性流体填充,由于流体的粘性阻滞作用,相当于增加流体边界层的粘性底层厚度,降低边界层内流体介质的平均速度梯度,从而减弱了壁面边界层附近流体介质间的摩擦阻力。另一是从湍流产生机理提出的第二涡群论。在非光滑表面的微结构内会形成反向旋转的流向涡,减弱与低速带相联系的流向涡,使得速度较低的流体能够停留在微结构内,降低湍流边界层流体的湍流摩擦阻力,减少湍流能量耗散。王绍敏阱】指出根据流体摩擦阻力产生的机理分析,即牛顿内摩擦定理:T—p嚣‘1·3’壁面流体的摩擦阻力主要与壁面边界层附近的流体运动粘性系数和速度变化梯度有关。因此减小摩擦阻力主要有两种途径,一是减小壁面边界层附近流体的粘性系数。二是减 大连理工大学硕士学位论文小壁面边界层流体的速度梯度。仿生非光滑表面减阻技术主要针对第二种方法,其具有增加流体边界层中粘性底层厚度,降低速度变化梯度减小摩擦阻力的作用。HermannLienhart掣冽通过非光滑管路试验和数值模拟的方法研究了非光滑凹坑平板表面的传热和减阻性能。试验最小凹坑直径d=15ram、深度h=0.75mm如图1.3所示,试验段长度为6000mm,试验过程中利用压力测试探头测量壁面不同位置的压力值。试验研究和数值结果表明:凹坑表面与光滑表面相比在传热方面有很大的提升,然而在减阻方面试验数据结果显示非光滑凹坑表面沿流向压力降的减阻效果并不显著。图1.3凹坑型非光滑表向Fig.1.3ThedimplestructureofnonsmoothsurfaceBearman等1241研究发现,当雷诺数范围在4x104-3x105时,微小凹坑结构可以减小旋成体的壁面摩擦阻力。Sun等【25】利用数值模拟的方法,研究了空气中具有非光滑凹坑结构的柔顺平板表面在湍流状态下的减阻性能。试验来流马赫数为0.35和1.5。研究结果表明:由于柔顺壁的凹坑型形变,使得平板表面沿主流方向上的速度梯度降低,湍流波动减弱,从而引起表面摩擦阻力降低了12%-15%。Tian等【26】利用CFD软件分析模拟了具有非光滑凹坑结构的旋成体表面在流场中的受力情况。计算模型长505.4ram、直径62.5mm,凹坑直径lmm、深0.5m分布在旋成体底部50m范围内,整个流体计算区域为1600×300×300mm。计算结果表明:非光滑凹坑的减阻机理主要是,第一旋成体表面的凹坑结构降低了表面粘性介质的流动速度,降低了速度变化梯度,使得模型底部的压降平缓,能量损失减少。第二旋成体表面凹坑结构在表面形成了许多微小的旋涡,而大尺度旋涡减少,使得旋涡造成的能量损失减少。张成春、任露泉等【27】利用数值模拟的方法,对表面有凹坑和表面光滑的旋成体进行了对比研究。计算模型长517.5mm,凹坑直径2mm,间距8mm交错点阵排列。研究结果飘圈 非光滑疏水表面的微气泡减阻技术研究表明:有凹坑的旋成体在来流马赫数为0.4时,壁面的摩擦阻力减小了8.05%,总阻力减小了6.24%。此后作者又进行了类似的试验研列28,291,且试验结果与软件模拟结果相似。作者分析了凹坑减阻的原因,认为凹坑减小了流体在壁面附近的速度梯度和湍流强度,以及凹坑内部的低速旋转流体形成了内部流体与外部流体之间的同相介质接触而取代了粘附力比较大的流体与固体界面相互接触,从而使壁面摩擦阻力和总阻力减小。封云【30】利用Fluent软件模拟的方法研究了具有沟槽型仿生非光滑表面在液体介质中的减阻性能。并从壁面剪切应力、速度分布流场、边界层流体介质的湍流强度和湍流耗散等方面对计算结果进行了分析总结,从湍流逆序结构、边界层厚度和二次涡等角度对模拟结果进行了减阻机理的解释和分析。并提出了优化沟槽形态和减阻性能的设计准则。1.2.3疏水表面减阻技术在经典流体力学中,由于液体介质的粘性作用和液体分子与固体壁面的吸附作用使得紧贴固体壁面的液体介质流动的可能性极小。近几百年来,人们普遍认同Bernoulli提出的无滑移壁面边界条件(No.slipBoundaryCondition)。但这一经验条件至今也无法从流体力学角度进行证明。经过人们对固液界面边界条件的不泄研究,1823年Navier提出了滑移假设边界条件,并引入了滑移长度理论指出滑移速度正比于流体在固液界面处的剪切速率:Us=k。罢|y:o(1.4)其中,Ls即为滑移长度或滑移系数。普通固体壁面由于残余很强的化学活性键,使得表面能较大,流体分子因化学活性键的作用而牢固的吸附在其表面,很难产生滑移流动。疏水或超疏水性表面由于其特有的微观结构形貌和低表面能特性,当液体会质流过时,可以产生明显的滑移现象。流体边界层壁面滑移理论对流体力学理论、管道减阻、空气减阻和舰船航行等领域有重要影响。目前理论计算和试验研究表明壁面滑移长度大约为209m。产生壁面滑移的主要原因是:壁面的化学成分和流体介质之间的相互作用力关系以及壁面微观结构两个方面,其中,微观结构对疏水接触角和壁面滑移等的作用效果更为显著。RomanS.等[31l用数值模拟的方法,通过控制原子间相互引力大小的和原子振动半径以及环境温度改变疏水接触角,研究了疏水接触角和壁面滑移距离之间的关系。研究结 大连理工大学硕士学位论文果表明:并非接触角越大滑移距离就增加,滑移长度还与密度比和振荡半径比等因素有关。MichaelB.Martell掣32】对超疏水表面的壁面减阻效果进行了数值模拟研究。研究结果表明:疏水表面的减阻效果并非只与无剪切力的面积大小有关,还与疏水表面的特征尺寸大小有很大关系,在相同条件下,较大的特征尺寸有利于减阻率的提高;与肋条表面相比柱状表面增加了疏水表面微小特征结构之间的间隙,因而有更好的减阻效果。Ybert.C.等【331研究认为超疏水表面减阻的原因是由于:第一,超疏水表面水的接触区域减小,从而减小固液之间的接触面积。第二,超疏水表面的粗糙峰之间的凹坑区域会形成气液接触界面代替液固界面。气液界面之间液体存在速度滑移,且气液界面处可认为无剪切力,因而具有减阻作用。且试验结果表明:超疏水表面粗糙峰之间的气液界面由于压力和表面张力的作用形成弯液面。当界面弯曲高度与粗糙峰之间的宽度之比小于20%时,减阻效果较好。RobertJ.等【34】利用粒子图像速度测量和压降测量的方法,研究了具有周期性微结构的超疏水表面在湍流模型中的流体减阻效果。试验采用的超疏水表面是利用光刻技术,在聚二甲硅氧烷上制作微观疏水结构如图1.4所示,其特征尺寸脊宽609m、间隔601am连接长度为lm。研究结果表明:在湍流状态下,超疏水表面同样具有减阻效果。在表面微结构的两峰之间可以形成无剪切应力的气液滑移接触界面。实验发现减阻率和壁面滑移速度随着雷诺数的增大而增加,当雷诺数达到一定时减阻性达到平衡。而且在保持无剪切应力区域面积比不变的情况下,增加粗糙峰之间的间距会增加减阻性能。实验结果指出,存在一个临界雷诺数,当粘性底层的厚度达到表面微特征的尺寸范围时疏水表面才会有减阻性能。Wzaer·一蠢—叫..·一M}—+;AifAir弦Air}Supe惫ydrophobicSu.,face图1.4超疏水表面微观结构示意图Fig.1.4Themicrostructureofsuperhydrophobiesurface 非光滑疏水表面的微气泡减阻技术研究OuJia等135]通过硅烷化处理矩形微通道金属壁面使其具有超疏水性能,利用照相平板技术研究了其表面的流体减阻性能。实验结果表明:壁面无量纲压降比超过40%流体介质滑移长度超过20um。试验结果证实了超疏水表面上确实存在无剪切应力的滑移气液界面,从而减小了固液界面的接触面积,降低摩擦阻力发挥减阻作用。国内学者在疏水壁面的减阻性能研究方面也有不少贡献。叶霞等[361利用AR-G2流变测量仪,研究了不同粘度的甘油溶液与具有微细结构的疏水表面的减阻性能影响规律。试验过程中利用激光飞秒加工技术在K9玻璃表面加工微细光栅结构,并进行硅烷化处理使其具有疏水特性。试验结果表明:疏水微结构表面相比光滑表面有更明显的流体减阻作用,且具有微细结构的疏水表面减阻效果随着流体粘度的增加而显著提高。余永生等【37】利用应变式单分量阻力天平技术和悬线位移阻力测量技术,在水槽中测量了层流状态下,不同试验材料的减阻效果。试验平板长950ram、宽392mm,主流速度小于0.7m/s。试验结果表明:在层流状态下,粗糙的疏水性表面具有明显的减阻效果。季曙明掣38】利用粒子图像速度场测试技术,在低速循环对疏水表面的减阻性能进行了对比试验研究。试验疏水玻璃片长250ram、宽150mm,主流速度保持为0.032m/s。试验结果表明:超疏水表面和荷叶表面均发生了速度滑移,导致壁面边界层速度梯度变小涡流量减小而具有减阻效果。邓旭辉等【391N用计算流体动力学方法,研究了圆管层流状态下的超疏水表面减阻规律。计算模型直径6mm、长50mm。研究结果表明:由于超疏水表面的无剪切应力气液滑移界面的存在使得模型具有减阻效果,减阻压降比可达19.2%;壁面滑移长度与流量和管道直径有较大关系,随着流量增加滑移长度呈指数规律下降,管道直径越大壁面滑移长度越小;超疏水表面微结构粗糙峰间距太大或流体与空气之间的压力较大时,气液界面不能保持平衡而破坏,超疏水表面将不再具有疏水减阻作用,而有可能引起流体运动阻力的增加。1.3本文的研究目标和意义随着科学经济的快速发展,能源动力问题也日趋紧张。在船舶运输、管道输运等流体减阻领域,如何减小固体壁面与流体介质之间的摩擦阻力,提高能源利用效率,降低能源消耗,已经是一个急需解决的科研问题。将气相介质引入固液界面处,在固体壁面近壁区形成气液两相混合流,降低壁面附近流体的密度,将部分固液接触界面转变为气液界面,改变壁面湍流边界层的流动状态,从而降低固体壁面在流体介质中相互运动的壁面摩擦阻力的微气泡减阻技术是一种行之有效的减阻方法。本研究在微气泡减阻技术 大连理工大学硕士学位论文的基础上,引入非光滑表面及疏水壁面减阻技术。利用数值模拟和试验研究的方法,验证了部分微气泡减阻理论并提出了新的壁面特性参数与减阻效率之问的关联程度,促进了微气泡稳定性问题的研究进展,为徽气泡减阻技术的研究指出了一定的研究方向。研究过程中得出的试验数据及分析结果为减阻理论的进一步丰富和完善提供了支持,为其它微气泡减阻性能研究提供了借鉴和参考,对微气泡减阻技术的实际应用也具有一定的理论指导和技术支持作用。在微气泡减阻方面,不少学者进行了大量的试验研究和理论分析,均在不同程度上取得了一定成果,明确有效地阐明或论证了微气泡减阻技术的某些影响因素和作用机理。研究成果指明,微气泡的大小对减阻效果有巨大影响;微气泡主要作用于近壁区流场,对边界层外侧流场的流动特性几乎没有影响;微气泡可以使近壁面处的流体密度显著下降,速度梯度降低摩擦阻力减小;微气泡的减阻作用范围有一定的局限性,喷气形式对减阻效率有较大影响。这些理论普遍被广大学者所接受或在不同程度上得到了实际验证。但微气泡减阻技术的发展速度仍十分缓慢,研究成果未能充分解决微气泡发展过程中遇到的实际问题。如何突破边界层内气泡需求量、改变气泡发展和气泡动力特性、稳定气泡沿船体表面“滚动”等技术问题,研究新型吸附气泡的表面材料和表面结构形式等关键技术将成为微气泡发展的有效动力。本文将凹坑型非光滑表面和疏水性壁面减阻技术与微气泡减阻技术有机结合,充分利用疏水型壁面对气液两相不同介质的亲疏特性、非光滑表面的结构特点和微气泡减阻技术的作用机理,使微气泡能够稳定均匀的吸附、停留在具有疏水性能的凹坑型表面微结构内,使固体壁面与液相流体相分离。在相同的输出功率条件下,通过各表面减阻技术的相互协调作用,尽可能的提高减阻效率,并分析研究表面特性参数与减阻效率的影响规律。 非光滑疏水表面的微气泡减阻技术研究2微气泡减阻技术基本理论2.1微气泡减阻机理十九世纪末W.Froude提出设想,在船底表面形成一层薄气层,将船底与水分离开来,从而降低船舶与水之间的摩擦阻力。这一设想被人们普遍接受,因为气体分子的粘性系数约为水分子粘性系数的1/56,当气体介质填充到船底表面取代水与固体壁面直接接触时,必然导致摩擦阻力的减小。例如,气垫船的发明。目前,气泡减阻技术的原理与此基本相似。利用气体介质与液体介质在密度和粘度等物理特性之间的差异,向船底表面喷射气泡,使原本的固液接触界面转变为气液固三相作用界面。利用气泡减小船底表面的湿面积,即将船底表面的部分固液界面由气液界面和固气界面取代。气泡相当于润滑的作用减少固液两相之问的摩擦阻力。也有学者认为,在紧贴壁面处存在一层无气泡层,气泡仅作用于液体边界层附近。气泡减阻的作用机理主要是:分布在近壁流体边界层中的微气泡与液体介质相混合,通过改变液体介质的粘度、密度和边界层的湍流结构而起到降低液体湍流摩擦阻力的作用。但各种气泡减阻理论到目前为止都没有经过完整的理论推导或完全的实际验证。由于气泡减阻机理分析和试验技术条件等方面的困难,真正意义上的气泡流体减阻技术研究始于上世纪60年代。微气泡喷入船底表面与流体介质相混合形成气液两相混合流,发挥减阻作用。但是由于气液两相混合流的计算相当复杂,人们还不能给出完整的两相流分析方法来进行减阻机理的理论推导。Sibree和Einstein认为微气泡改变了壁面边界层附近流体介质的局部有效粘度和密度或者是微气泡直接改变了边界层中流体的湍流流动结构,并在实验的基础上提出了微气泡减阻理论的简化应力模型和混合长度模型l柏1。在气液混合两相流介质的密度和粘度方面,Hartmut[411认为混合介质的局部密度可以用简化的线性关系式表达:p2伍pg+(1一砷融(2.1)其中,伍是气体的体积分数,P,瞻,P1分别是混合流体的密度,气体密度和液体密度。混合流体粘性系数的计算结果为:}王=沲/(1—1.09ctl/3)或者牡=池(1+2.5回(2.2) 大连理工大学硕士学位论文其中,肛,m分别代表混合流体的粘性系数和液相介质的粘性系数。由混合介质的粘性系数计算式可以看出,气相介质的引入并不是遵循一定减小的规律。研究分析认为,此混合相的粘性系数计算式仅针对气泡直径小于109in的微小气泡混合相。目前,微气泡减阻理论研究比较多的是混合长度理论的湍流单方程模型。其中气泡浓度分布采用简化的梯形分布模型。在忽略气泡动力学因素的条件下,将密度和粘性系数的变化方程代入边界层方程,通过计算湍流边界层的有效粘性系数求解边界层方程,从而分析微气泡对减阻效果的影响。湍流状态下边界层附近流体介质的有效粘性系数表示为:‰=p+p12lOu/Oy|(2.3)其中,1即为混合长度。它是离开壁面的无量纲距离和阻尼因子D的函数。1/6=Dk2tanh(kly/k2ls)(2.4)D=1一唧(一暑+《)汜5,其中,k。,k。,A+均为常数分别取值为0.4、0.108和26,Y为距离壁面的法向距离,6为边界层厚度,Y辜=∥i可蝴,t。为壁面摩擦阻力。Hartmut利用剪应力模型研究了二维状态下湍流边界层中注入微气泡后的减阻效果。湍流剪应力表示为:℃=}l圆一面(2.6)其中,u.V+=一qA(加朋y)为雷诺应力,酗是涡粘性,RoqA》巍,T为湍流剪应力。将微气泡引入船底壁面湍流边界层后,微气泡引起的密度和粘性变化改变了单相流体的湍流剪应力。且混合流密度和涡粘性减小的幅度远大于混合流体粘性系数增加的幅度,即湍流剪应力表达式中第二项减小的幅度远大于第一项增加的幅度,所以微气泡混合流的湍流剪应力减小。将混合流的密度和粘性系数计算式2.1和2.2代入公式2.6得混合流湍流剪应力并与单相液体的湍流剪应力相比得:三=瓦南+(1一曲芝KlZLl(2.7)在雷诺数约为8×106时,实验测试结果与2.7式计算的湍流剪应力之比相互吻合。 非光滑疏水表面的微气泡减阻技术研究郭峰研究了混合流中平板壁面的摩擦阻力计算式。假设平板壁面微气泡垂直喷入流体域并未影响流体水平方向的流速,且两相流体均匀混合。将式2.1和2.2引入单相流体壁面摩擦阻力计算式得:Rf—ip嵋s×西i0.=07j5F一0.0375融(1一回VFs/【培喙Rel)一2】z‘2·8’其中,s为平板表面积。则混合流体摩擦阻力减阻率T1为:r12q一1~(1--a)卜溉lgReIR--再2j泣9’由均匀混合流减阻率计算式2.9可知,平板微气泡壁面的减阻效果主要由壁面边界层附近微气泡的空隙率a和主流雷诺数Rel共同决定。对空隙率a和主流雷诺数酗求偏导数可知,空隙率Q和主流雷诺数Re,与减阻率T1均为增函数关系。即空隙率Q一定时,增加主流速度Ⅵ,平板微气泡壁面的减阻率q增加。2.2微气泡基本参数微气泡流是气体介质和液体介质的混合两相流动,要分析微气泡减阻作用必须要运用一些两相混合流的基本理论。在课题的研究过程中,经过对前人研究的分析总结和深入研究,对相关要素进行了简单概括,主要包括:空隙率、主流速度、微气泡的形成、微气泡受力、微气泡浓度的分布以及边界层厚度和摩擦阻力等。2。2.1空隙率空隙率表示气液两相混合流中某一区域范围内气相所占的比例。在许多微气泡减阻试验研究中,壁面边界层中气相空隙率的多少直接表征了微气泡的减阻性能。空隙率是计算微气泡减阻效率时的一个重要分析因素。空隙率堪的定义为气液两相混合流在任意流通区域内气相所占总体积的份额。饯=—■L(2.10)Vl+Vg其中,v暑,Ⅵ分别为气相和液相所占的体积份额2.2.2主流速度在气液两相混合流的研究过程中,主流速度是一个主要考虑的影响因素。根据两相流体动力学,混合流体的速度可以定义为: 大连理工大学硕士学位论文112:(Pgug+01u1)(2·11)其中,P为两相混合流的密度。由于%《融,上式可以简化为:U=Ul(2.12)2.2.3微气泡的形成对于多孔材料板喷气产生微气泡,可以根据喷气孔喷气速率和液体流速的不同,将微气泡的形成分为四个区,每个区域中微气泡的形态大小由不同因素决定。四个区域分别为:球形帽区、单气泡区、过渡区和射流区【42,431。球形帽区:一般v/u、
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