非光滑疏水表面的微气泡减阻技术研究

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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、1。喷射区：当v／u≥lO时，喷气口的气体流速比来流速率大的多，喷射气泡形成的时间比液体流过微孔的时间长的多。微气泡的大小由喷射气体的脉动性决定。根据Rayleigh的不稳定性理论，脉动波长是喷射直径的6．48倍。Silberman[44】给出了此时气泡大小的计算式：r=1．z40．／1】(2．14)微气泡的形成过程中不同速度分布条件下，影响微气泡大小的主要因素有：喷射孔径d、来流速度11和气体喷射速度v等。2。2。4微气泡的受力微气泡发挥减阻作用时，喷气口形成的微气泡在壁面边界层运动的过程中，必然会受到各种力的作用。显然，由于微气泡与液体介质的密度不同，必然会受到浮力的作用，且气泡尺寸越大受到的浮力作用也会增大。由于浮力的作用会使微气泡更容易贴附于船底表面，改变边界层流动状态增加减阻效果。 非光滑疏水表面的微气泡减阻技术研究微气泡在粘性流体中运动时会受到与其运动速度成正比的粘性阻力。一般而言，由于微气泡非常小，,--fDA估算微气泡的雷诺数Re。远小于1，因此，可以应用小雷诺数绕流的阻力系数公式：Cf一24／Reb(2．15)微气泡在流体介质中运动过程中，除了受到粘性阻力作用外，还会由于周围流体的旋转运动而使得微气泡受到侧向升力作用。微气泡受到的相间升力计算复杂说法不一，但该力在预报相分离及其分布时显得尤其重要。液体中形成的微气泡必然会受到液体压力的作用，微气泡与液体介质形成的界面张力由气泡内部压力和周围流体压力共同决定，这也在一定程度上影响了微气泡的尺寸大小。微气泡的相问压力系数一般有三种形式：常系数，c口=0．25(2．t6)线性关系，c。=0．25·五(2．17)菲线性关系，C口=0．25(1÷≤)《2(2．18)此外，喷射气体形成的气液两相流中微气泡还会受到其它力的作用，如相间虚质量力㈣、Basset力‘461、Saffman力‘471等。各种力的综合作用结果决定了微气泡的运动形式、微气泡间的聚并以及破裂等，最终影响微气泡在壁面边界层的减阻作用效果。2．2．5微气泡的浓度分布船底表面通入微气泡时壁面附近的微气泡浓度分布对微气泡的减阻性能有重要的影响作用。由于船底表面造型复杂不易计算，为了便于分析研究，首先假设船底表面为光滑平板。在充分研究平板表面微气泡减阻作用机制的基础上再将其拓展至复杂船型表面。假设平板表面宽度方向(Z)上微气泡浓度分布相同，沿船长(x)方向逐渐减少。则某一时刻微气泡浓度C是x，Y的函数。平板表面微气泡的扩散方程可以表示为：％篆¨爹=导(观篆)-F导(％爹)仫㈨一16 零褰◆妥““驯荭葫“茯悉，边界层厚度为：～．啪一流状≥罴三霄：．甲2·l船底表面边界层R921Tbeb。undai：焉：薯啪儿(2．21)(2．22)层黼 非光滑疏水表面的微气泡减阻技术研究由边界层理论知，当粘性流体流过船底表面时会在壁面形成界层。虽然界层厚度6极小，但界层内流体速度的变化梯度很大。由牛顿内摩擦定律知，表面的摩擦切应力t为：{=p妻ly：。(2．23){2p磊ly=o(2·n¨’整个壁面上所受到的摩擦阻力琦应是所有摩擦切应力沿整个表面s的积分：Rf2J。司s(2·24)则壁面的平均摩擦阻力系数Cf可以表示为无量纲形式：ee2Rf／刍l岬=2b和x／三1puZ-2bx(2．25)其中，b为壁面宽度。由式2．24、2．25可知，壁面所受的摩擦阻力取决于摩擦切应力T。由式2．23可知，T和壁面边界层内的速度分布有关系。壁面边界层在层流和湍流状态时，界层内的速度分布有较大不同。一般而言湍流状态下，壁面的摩擦切应力大于层流情况。当壁面边界层处于湍流状态时，液体介质速度分布较层流时速度梯度较大且互相撞击产生动量交换，所以其摩擦切应力必然较层流情况大。1908年勃拉齐根据层流边界层微分方程给出了层流状态下壁面摩擦阻力系数的计算式：Cf：士-1．328他{(2．26)二pu2S2。当壁面边界层为湍流状态时，即使对于平板壁面摩擦阻力系数也无理论上的精确解。一般的近似计算方法的基础是卡门界层动量积分方程式。根据牛顿第二定律，单位时问内壁面边界层平板上所受的摩擦阻力等于流体介质的动量损失，而流体介质的动量损失率等于X处流出的流体质量(pudy)与速度损失(U-u)的乘积。即单位宽度平板由前端至x处的壁面摩擦阻力可表示为：足=J。pudy(v一“)(2．27) 大连理工大学硕士学位论文C=2吼!pDz￡×l三2’(2．28)其中，1)为边界层外的速度，u为边界层内的速度，口=r詈(1一詈)d)，称为动量损失厚度。2．4气液两相流控制方程在自然现象和工程实际中多数流体流动现象都是多相混合流。混合流中相被定义为“一种对其浸没其中的流体及势场有特定的惯性响应及相互作用的可分辨的物质”。多相流中以两相流最为常见，一般由一种连续介质和其它不连续介质或两种连续介质组成。依据数学计算方法和物理方法原理不同，多相混合流流动的理论计算方法可以分为：经典的连续介质力学方法和建立在统计分子动力学基础上的分子动力学模拟方法。其中以连续介质力学方法在工程中应用最多主要有：单相流体模型、多流体模型和颗粒动力学模型等。多流体模型在求解时可以把混合流中的各相分别看成独立的连续性介质，并利用各独立相的体积分数描述其分布规律，进而导出各相的连续性守恒方程，再引入本构关系使方程组封闭进行求解。在研究气液两相混合流时，假设两相均匀混合，同时考虑气泡与水之间的相互作用，可以建立数学模型的控制方程。(1)混合流体的连续性方程票+div(pu)=0(2．29)at其中，P为混合流体的密度，u为混合流质量平均速度。(2)混合流体的运动方程掣+div咖iu)=div(ttgra电)一詈(2．30)其中，i为X、y、z方向，Ui为U在i方向的分量，“为混合流体的粘性系数，P为混合流体的压强。(3)混合流体体积含气率方程 非光滑疏水表面的微气泡减阻技术研究掣+div(喂％u)=div(Dsgrad(Ⅸ瞻))(2．31)其中，q为气相空隙率，D。为气相在液体介质中的扩散系数。(4)气液两相间的滑移速度方程Vs=售一暑)幽等地亿32，其中，B为截面含气率。(5)气相漂移流率方程jD=(圣一曲业訾(2．33)(6)气泡滑移速度与质量平均流速之间的关系方程V。=警a他34，其中，r为微气泡半径，‰。为液相对微气泡的拖拽力。2．5本章小结本章简单阐述了微气泡减阻的基本原理分析了气液两相混合流的两种理论模型，简化应力模型和混合长度模型。指出微气泡减阻的基本原因是由于微气泡改变了气液两相流的局部有效粘度和密度以及流体在壁面边界层的流动结构。介绍了与气液两相混合流减阻作用相关联的主要因素，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。本章简要总结了微气泡减阻形成的气液两相混合流在数值求解、理论计算和计算机模拟过程中需要考虑的基本控制方程等。 大连理工大学硕士学位论文3微气泡减阻的数值模拟微气泡减阻技术是被人们普遍认可的一种船舶减阻方法，它可以明显的提高船舶航行速度，降低能源消耗。如何改善微气泡的稳定性问题以及获得更大的减阻效率是微气泡减阻技术研究的一个方向。本章主要利用流体模拟软件Fluent将非光滑表面和疏水壁面引入到微气泡减阻技术中，通过建立管道和船舶两种模型研究了主流速度、壁面接触角和表面粗糙度等参数与微气泡减阻效率的影响规律，以求改善微气泡在壁面的稳定性问题提高减阻效率。3．1FIuent软件应用简介计算流体力学CFD(ComutationalFluidDynamics)是上世纪60年代起伴随着计算机技术迅速崛起的科学，是用来进行流场分析、计算和预测的专用工具，几乎所有的流体计算问题都可以利用它进行解算。Fluent软件具有丰富的物理模型和先进的数值算法以及强大的前后处理功能；针对每一种流动的物理问题特点，Fluent软件采用适合的数值解法，在计算速度、稳定性和精度等各方面达到最佳[481。同传统的CFD计算方法相比，Fluent软件具有许多优点包括：(1)算法稳定性好，Fluent经过大量算例考核，同实际符合较好。(2)计算结果精度高，可达二阶精度，满足求解需求。(3)适用范围广，Fluent含有多种传流体模型，可应用于从可压到不可压、从单相流到多相流、气固混合等几乎所有与流体相关的领域。Fluent软件在多相混合流计算方面，提供了多种计算模型。其中VOF(Volumeofnuid)模型是在整个计算域内对互不相容流体求解同一个动量方程组并追踪每种流体的体积分数来模拟多相流t491。VOF模型对于引入模型的每一相都有一个称为单元相体积分数的变量，在每个控制容积中，所有相的体积分数之和为l。只要在计算域内每一点中各相的体积分数已知，全部变量和物理性的场都由各相共享并代表了体积平均值。VOF模型还可以计入沿两相界面的表面张力效应以及包括流体相与壁面的接触角的影响。在实际流场中湍流现象是一种高度非线性的复杂流动。为了使数值模拟方法的求解结果与实际相吻合，满足不同问题的求解需求，Fluent软件提供了多种求解湍流控制方程的求解模型：大涡模拟模型(LES)、Reynolds应力模型、零方程模型、一方程模型、标准k吨模型、RNGk．￡模型等。各湍流模型均有一定的适用范围和限制条件。在两方 非光滑疏水表面的微气泡减阻技术研究程涡粘性湍流模型中，k-coSST壁面加强模型综合了k．∞模型和k-e模型的求解优点，既能够模拟远离壁面充分发展的湍流区域又能够准确求解各种压力梯度下的壁面边界层问题。微气泡减阻技术研究主要是探索微气泡对壁面边界层的粘性、密度和湍流结构的影响，同时又对远离壁面的湍流区域有一定的求解需求。k_∞SST湍流求解模型可以充分满足求解需求，是微气泡减阻技术数值模拟研究中的最佳选择。对流体力学相关问题的进行求解计算时，由于边界条件各异及流体力学问题的复杂性对所建立的各种控制方程一般很难直接求解，需要对求解区域进行离散化处理。二阶迎风格式是Fluem软件提供的高阶离散格式的一种，它不但考虑了离散界面的流动方向还引入了更多的相邻节点，保证了离散方程求解的稳定性降低了扩散误差。Fluent软件对离散化的控制方程提供了多种求解算法。SIMPLEC算法是由VanDoormal和Raithby提出的SIMPLE改进算法之一。它使得求解过程中压力分布方程和假设的速度分布方程相互协调，可以不对压力修正值进行欠松弛处理，从而提高整个速度场迭代的收敛速度而不影响收敛精度。边界条件设置是求解CFD问题的基础。所谓边界条件，是指在求解域的边界上所求解的变量或其一阶导数随地点和时间变化的规律146,47]。只有给定了合理的边界条件才可能对计算流体力学问题进行求解。Fluem软件提供的流体边界条件设置有：流体进口边界、流体出口边界、壁面边界、对称边界等。对计算流体区域进行合理的边界条件设置是正确求解流体模型的关键。3．2模型建立及求解设置微气泡减阻技术是在壁面通入微气泡以达到减小摩擦阻力的作用。微气泡与流体介质相互作用形成的气液两相流是一个非常复杂的流动过程，期间包括主流与喷气口相互冲击形成微气泡、微气泡运动受到的各种力、微气泡的聚并和破碎、微气泡在壁面的吸附和滑移以及微气泡对壁面边界层流体流动状态的改变等许多己知和未知问题。要想充分考虑微气泡减阻过程中的各个方面对减阻效果进行模拟几乎是不可能的事情。因此本章在充分考虑实际情况确保模拟结果与实际情况相差不多的前提下，对微气泡沿壁面的流动过程作以下条件假设：(1)液体介质水为连续相。(2)气液两相在运动过程中互不相容，以满足VOF模型计算需求。(3)不考虑自由界面的影响，用对称边界条件进行简化。(4)不考虑微气泡运动过程中尺寸的变化以及气泡之间的聚并和破裂现象，忽略 大连理工大学硕士学位论文由此产生的动量交换和能量损失。(5)整个流场是定常、不可压缩流动。3．2．1模型建立为了充分反映非光滑表面和疏水壁面在不同条件下对微气泡减阻性能的影响，本章建立了管道和船体两种模型对微气泡减阻问题进行模拟，如图3．1所示。模型喷气采用缝喷方式，主要参数如表3．1和3．2所示。表3．1管道模型主要参数Tab．3．1Knownparametersofchannel表3．2船体模型主要参数Tab．3．2Knownparametersofship图3．1管道模型流体计算域和船体模型Fig．3．1Computingmodelofchannelandthemodelofship计算时为减少计算时间充分利用了模型的对称性，对圆形管道模型取1／12截面进行计算，对于船体模型则以中间对称面选取l／2模型进行计算。其中，船体模型的流体计算域为30×60×300mm，如图3．2所示。 非光滑疏水表面的微气泡减阻技术研究图3．2船体模型流体计算域Fig．32Computingmodelofship3．2．2网格划分网格划分就是将流体计算区域离散化，是流体控制方程数值离散的基础，在很大程度上决定了数值模拟的准确性和发散性。本文建立的模型在网格划分时，利用CFX软件前处理功能Mesh模块，对流体计算区域划分出适合Fluent软件求解的网格。由于在求解设置时采用了增强壁面函数法且着重考虑微气泡对壁面边界层影响，因此需要对近壁区网格进行细化处理，以使第一层网格与壁面距离Y+值小于4～5。网格划分时采用Inflation法对喷气口后方近壁区网格进行加密处理。利用Fluent自带的检测功能，测得壁面值Y+分布如图3．3所示。1．4410·●O'’．20e-t-011．00“．01WalI8．000400Yplus(mixture}6．00e．t-004．0004．002．∞●+OO0．OOe．*00O5’O’52025303S404SPosition(mm)图3．3壁面Y+分布Fig．3．3ThedistributionofY+ 大连理工大学硕士学位论文3．2．3边界条件设置合理设置边界条件是正确求解流动控制方程的基础。本文两组模型的边界条件设置基本相同，包括入口边界、出口边界、固定壁面和对称面等。在设置速度入口边界条件时要充分考虑流体的湍流特性，为使流体计算域处于充分发展的湍流区域要对入口边界设置合适的湍流强度和湍流动能等。入口边界条件湍流强度估算式：I=0．16Re-t／8(3．1)湍流动能估算式：k=3／2“I)2(3．2)模型各边界条件设置如下：(1)流体介质主流入口，设置为水流速度入口并依据估算式3．1和3．2计算入口的湍流强度和湍流动能。(2)喷气口，设置为空气速度入口同样计算入口湍流强度和湍流动能。(3)出口，设置为压力出口P=Po，Po为参考压力。(4)管道壁面和船底表面，设置为壁面条件并设置合理的壁面接触角和表面粗糙度等参数。(5)对称界面和自由液面，设置为对称面以简化计算。(6)流体计算域底部，设置为无滑移固体壁面。3．3模拟结果与分析本文将凹坑型非光滑表面和疏水壁面的因素引入到微气泡减阻研究中，利用专业的流体分析软件FlueIlt中气液两相流模块，研究了凹坑大小、主流速率、壁面接触角和表面粗糙度等因素对微气泡减阻效率的影响规律。其中，各数的数值变化范围为：主流速度l一8m／s、凹坑大小0．3～lmm、壁面接触角30-150。、表面粗糙度3．2～50(Ik)，喷气口喷气速率约为进口主流速度的1／10。 非光滑疏水表面的微气泡减阻技术研究3．3，1主流速度的影响03瓤垛R区蹈捌牡12345678水流速度V(m／s)图3．4管壁总阻力系数随水流速度变化关系图Fig．3．4ThecurvesoftotalresistantcoefficientCtVeI'SIISflowvelocityV图3．4为壁面粗糙度Rz=45pm、疏水接触角为120。、壁面凹坑尺寸分别为9009m、6009m、4009m和无凹坑时，壁面总阻力系数随入口水流速度的变化关系图。在进口水流速度较低时，壁面总阻力系数均较大。分析原因主要是：入口水流速度较小不能在喷气口处对空气进行有效冲击，不能形成具有减阻作用的微小气泡。其次由于水流速度较小和气泡尺寸较大等因素使得气泡不能稳定的分布在湍流边界附近，而是在整个管道内上下波动，增大了管道的湍流扰动强度，增加了湍流能量耗散，减阻效果不佳。当水流速度增大时，水流对喷气口的冲击作用增强，通入的气体在强烈的水流冲击下能够形成具有减阻作用的微小气泡并比较稳定的分布在壁面边界层附近，减阻作用较好。在水流速度为4～5m／s时，4种条件下的阻力系数均达到较低水平，并且400tun和6001am的凹坑壁面阻力系数均明显小于无凹坑壁面的阻力系数，而9009m凹坑的壁面阻力系数却略大于相同条件下无凹坑时的壁面阻力系数。分析原因为：水流速度增大后通入的气体受到的冲击作用增强，气体分散成尺寸微小的微气泡并分布在壁面附近。由于边界层微气泡的减阻作用相比水流速度增大而引起的湍流强度增加作用更明显，因而水流速度增大总阻力下降。400p．m和6009m的非光滑壁面凹坑能够使分布在壁面的气体更好的吸附停留在壁面，使壁面附近的空隙率增加，并能够稳定的维持在较高水平减857565453O7O605O4O3O0．0．O．0．0．0．O．O．0．O．0O0 大连理工大学硕士学位论文阻作用增强。当时当凹坑直径增大到9001ma时，由于水流速度较大边界层厚度减小，同时凹坑尺寸较大，壁面附近的气体在凹坑中停留的同时，液相流体也受到凹坑的作用使得边界层受到影响，流体在凹坑中形成较大漩涡，管道的湍流扰动增加，气相的减阻作用降低。如图3．5所示，水流速度对不同壁面条件下的空隙率分布影响效果图。当入口水流速度继续增大时900inn、6009rn和光滑壁面的总阻力系数均有增大的趋势。分析原因为：水流速度增加较大，管道的湍流强度变强，管道内液相的扰动增加，对壁面边界层的冲击扰动作用增强。同时水流速度增加管道内的压力也增加较大，壁面的边界层进一步变薄，因而凹坑对液相的扰动作用开始显现，凹坑对壁面气体的保护维持作用减弱。壁面或凹坑内的微小气泡因水流的扰动作用增强不能稳定的停留在壁面边界层或壁面凹坑内，因而随着水流速度的增加，大尺寸凹坑的减阻作用降低。(a)光滑壁面v=lm／s；豁￡j’2O*们斟墓。(c)400lxm凹坑v=lm／s(d)400pro凹坑v=8m／s 非光滑疏水表面的微气泡减阻技术研究攀攀嚣搿蕤。嚣：；蛳瓣4CO(．-01黼：：麓(e)9001．tm凹坑v=lm／s(f)900Hm凹坑v=8m／s图3．5水流速度对壁面空隙率分布的影响Fig．3．5Voiddistributionnearthewallofdifferentflowvelocity3．3．2凹坑大小的影响0．0080．007／--x0．006U。0．005辍嫌0．004R雹0．003涵陶0．002创0．001O1000900800700600500400300无凹坑大小(1U11)(a)壁面总阻力系数C。28一嘲鞲二二㈠=；幽■啊刖引引■ 大连理工大学硕士学位论文0．0030．0025nU巅o．002垛_R0．0015四翟0．001陶剞0．00050．00800·007L)、一0．006赣嗡0．005R商0．004鬟0．003量o．0020．001O01000900800700600500400300无凹坑大小(_Ilm)(b)壁面压差阻力系数Cp1000900800700600500400300无凹坑大小(1m1)(c)壁面摩擦阻力系数Cf图3．6凹坑尺寸与壁面阻力系数关系图Fi93．6TheCILrVCSofdragcoefficientversusthedimple’ssize图3．6(a)为入口水流平均速度分别为2m／s、5m／s和8m／s时，壁面不同凹坑尺寸与壁面总阻力系数的变化关系图。图3．6(b)、图3．6(c)分别为管道壁面压差阻力系数和摩擦阻力系数变化关系。如图3．6(c)所示，不同流速条件下，管道壁面的摩擦阻力与凹坑尺寸的变化关系不大，但均小于无凹坑时的壁面摩擦阻力系数。壁面凹坑对管道内压差阻力系数的影响表现为：在凹坑尺寸较大时，压差阻力变化不大，维持在较高水平。在凹坑尺寸小于800pm时，压差阻力随着凹坑尺寸的减小迅速下降。无凹坑管道壁面压差阻力约为0值。将管道壁面的压差阻力与摩擦阻力相叠加，得图3．6(a) 非光滑疏水表面的微气泡减阻技术研究所示的管道壁面总阻力系数变化关系图。如图3．6(a)所示，入口流速2m／s时，凹坑型表面的阻力系数均小于无凹坑壁面的总阻力系数。当水流速度较高时，大尺寸凹坑的壁面阻力大于无凹坑壁面的阻力系数。凹坑尺寸为600urI卜400斗m时，壁面总阻力系数明显小于无凹坑壁面的阻力系数，有明显的减阻作用。本文分析曲线变化规律认为：凹坑型结构对壁面的摩擦阻力有明显的减阻作用，主要是由于凹坑增加了物体表面，增大了疏水性表面与气相的接触面积，并且由于凹坑对壁面气相的存储、保留作用使得壁面无剪切应力的气液滑移界面大幅度增加，壁面摩擦阻力降低。不同凹坑尺寸下摩擦阻力系数的波动主要是因为，管道内流体的湍流扰动作用强瞬时量变化大，对数据检测有一定的影响，但在均值方面影响不大。壁面压差阻力的产生，主要是由于凹坑形特征引起管道壁面的形状变化。凹坑尺寸小即壁面的形状突变小，由流体粘性作用和形状变化引起的壁面压差阻力也较低。在凹坑尺寸较大时，壁面的压差阻力也相对较大，但由于影响因素较多情况较复杂，阻力变化规律有所波动，具体变化规律还需进一步分析。300扯m凹坑形表面的阻力模拟结果变化情况与曲线变化趋势相差较大，主要是由于凹坑尺寸较小，模型建立较困难，软件计算结果误差较大引起的。从图3．6(a)所示的各尺寸凹坑型表面的总阻力系数在不同流速下的变化规律分析，在凹坑尺寸为600～400lxm时，凹坑表面对气泡的存储、保留作用使得壁面的摩擦阻力明显小于无凹坑表面的摩擦阻力，并且由于凹坑尺寸较小，凹坑引起的表面压差阻力也维持在较低水平，从而表现出优良的减阻性能，具有很大的研究意义。本章在数值模拟分析时针对600～4001un凹坑表面的粗糙度系数、疏水接触角和水流速度等因素对壁面阻力系数的影响规律进行细致的分析。图3．7壁面气相孔隙率分布图Fig．3．7Voiddistributionnearthewall(b) 大连理工大学硕士学位论文图3．7为入口流速为8m／s时，不同管壁凹坑大小，壁面气相孔隙率分布图。由图可以明显看出，壁面不同尺寸凹坑对壁面气相孔隙率含量的影响。图3．7(a)中凹坑尺寸为400“m，壁面边界层处气相分布均匀、孔隙率大，气相所占比例约为55％，微气泡的减阻效果明显，壁面总阻力系数Ct约为0．0039。图3．7(b)中凹坑尺寸为900肚m，壁面边界层处气相虽然分布较均匀，但气相所占比例减少约为35％，气相孔隙率含量与400pm凹坑相比明显减少，微气泡的减阻作用降低，壁面总阻力系数C。约为0．0062。3．3．3表面粗糙度的影响0．∞530．∞SIo0．0049Uo0．0047熏o．004sR0．0043襞o．o呲恒0．0039笥5I|o．003T0．0035丁Z5．31Z5ZS45，U壁面粗糙度(Rz)图3．8600Fro凹坑壁面壁面粗糙度Rz与总阻力系数的变化关系曲线Fig．3．8ThecllrvesoftotalresistancecoefficientCtversuswallrougIlIlessRz图3．8为壁面凹坑大小为600l上m时不同入口水流速度条件下，壁面粗糙度Rz变化引起的壁面阻力系数变化关系图。如图所示：入口速度为2m／s条件下，壁面粗糙度小于259m时，壁面阻力系数几乎无变化，当壁面粗糙度继续增加时，壁面阻力系数降低。当水流速度为5m／s时，壁面粗糙对阻力系数几乎无影响。当水流速度增加至8m／s时，壁面粗糙度大小对阻力系数有较大影响，随着壁面粗糙度增加壁面总阻力系数明显增大，当粗糙度大于25岬时，阻力系数几乎维持稳定值不变。图3．8所示的变化关系曲线作者分析原因主要是：当入口水流速度较小时，水流对喷气口处的冲击作用也相对较弱，形成的微气泡的尺寸较大，气泡的减阻作用较小。所以当水流速度为2m／s时，壁面的总阻力系数均维持在较高水平。但是，当壁面粗糙度增加至459m左右时，壁面阻力系数略有下降。主要是因为水流速度较小，形成的微气泡尺寸较大，当壁面粗糙度增加时，有利于微气泡停留在管道壁面，增加气液界面的接触面积，减小阻力系数。另一方面，由于水流速度小，湍流雷诺数较低，壁面湍流边界 非光滑疏水表面的微气泡减阻技术研究层的粘性底层厚度较大，壁面粗糙峰的高度完全在粘性底层厚度范围之内，粗糙度的增加对壁面湍流区域内的流体流动无影响，因而粗糙度的增加不会引起阻力系数的增加。当入口水流速度变为5m／s时，由于水流速度较大，水流在喷气口处对气体的冲击作用较强，产生的微气泡尺寸较小，并且较大流速使得气泡主要分布在近壁区，气泡的减阻作用明显增强。与2m／s的入口流速相比，壁面总阻力系数有明显降低。但是，粗糙度大小的变化并未引起壁面阻力系数的大幅改变。主要是由于，粗糙度增加对微气泡的吸附作用和粗糙度增加引起的湍流扰动作用大小相当，两者共同作用使得粗糙度的变化并未引起壁面阻力大小产生较大变化。当入口水流速度增加至8m／s时，水流对喷气口气体的冲击作用进一步增强，产生的微气泡尺寸更小，微气泡的减阻作用更强。但是，水流速度的增加，管道内的湍流雷诺数大幅增加，管壁的湍流粘性底层厚度进一步变薄，小于粗糙壁面的粗糙峰高度，粗糙度的增加对管道内流体的湍流扰动作用显著增强。由图中的关系曲线可以看出，当壁面粗糙度增加至6．31an时，继续增加粗糙度值，引起壁面总阻力系数的大幅度增加。这主要是由于，入口流速较大形成的减阻微气泡尺寸很小。在壁面粗糙度较低时，粗糙峰之间的凹谷也能够起到存储保留微气泡的作用。当粗糙度值增加较大时，虽然对微气泡的存储保留作用改变不大，但是大尺度的粗糙峰沿伸到了湍流边界层粘性底层之外，使得粗糙峰对湍流区域的扰动作用增强，进而壁面减阻作用降低，壁面总阻力系数增加。，、0．005U燃0．0045黼螓S0．004四珀喧0。0035制0．0033．26．312．5254550壁面粗糙度(Rz)图3．9入口流速为5m／s时壁面粗糙度Rz与总阻力系数的变化关系图Fi93．9ThecurvesoftotalresistancecoefficientCtversuswagroughnessRz 大连理工大学硕士学位论文图3．9为壁面不同尺寸凹坑在入口水流速度为5m／s时，壁面粗糙度Rz与壁面阻力系数的变化关系图。图中各曲线层次分明，主要是由于凹坑大小对壁面阻力系数影响较大。如图所示，900pro凹坑的阻力系数曲线明显处于较高水平：6009m和4009m凹坑的阻力系数在不同壁面粗糙度条件下，均小于无凹坑的光滑壁面；9009m和600pro凹坑的阻力系数随壁面粗糙度值增加几乎无变化；4001,rn和无凹坑光滑表面的壁面总阻力系数，在壁面粗糙度增加至25pro左右时，随着粗糙度增加壁面总阻力系数有所增大。分析曲线形成原因主要是由于：9009m凹坑间距尺寸大、凹坑深度深，凹坑对壁面形貌改变较大，对管道内流体的流动状态产生较大影响，使得壁面粗糙度的增加对阻力系数的影响效果表现不明显；6009m凹坑大小对流体流动状态的影响较9009m凹坑有所减弱，凹坑对微气泡的存储和停留作用有所体现，使得6009m凹坑壁面的减阻作用较无凹坑光滑表面有所下降，且由于凹坑尺寸相对壁面粗糙度相差较大，粗糙度的改变对壁面总阻力系数的影响体现不明显；当壁面凹坑尺寸缩减到400pm时，减阻效果最显著，并且当粗糙度增加至451mi左右时，壁面总阻力系数有上升的趋势。凹坑尺寸减小更有利于壁面停留的微气泡保持稳定状态而不会被水流冲走，使得壁面整体减阻效果表现优异。且由于流速较大，形成的微气泡尺寸很小，当壁面粗糙度较小时就能满足微气泡停留所需的空间空隙，当粗糙度增大到451,m左右时，粗糙峰对水流湍流区域的扰动作用开始显现，使得壁面总阻力系数略有增高。对于无凹坑光滑表面，由于没有凹坑对壁面微气泡的存储和停留作用，因而气泡不容易在壁面停留，不能形成稳定的气液减阻界面，因而管道壁面的整体减阻效果较600pro和400pm凹坑效果差。且由于没有凹坑的存在，使得壁面粗糙度的影响因素能够体现的较明显。在壁面粗糙度增加至25pm开始，随着粗糙度的增加，壁面总阻力系数明显增大。主要是由于壁面较光滑，湍流粘性底层较薄且比较平坦。当增加粗糙峰高度超过粘性底层厚度时，湍流扰动作用增强，减阻效果降低。3．3．4壁面接触角的影响壁面凹坑直径d=600微米表面粗糙度Rz=25时，不同水流速度条件下，壁面疏水接触角模拟计算的的阻力系数如表3．3所示。可以看出，随着壁面疏水接触角增大，壁面阻力系数逐渐降低。其中水流速度为2．,／s时，阻力系数变化明显，水流速度增加，疏水接触角对壁面阻力系数的影响越弱，变化趋势越平缓。由表3．3壁面阻力系数的变化关系可知，在水流速度较大时，壁面疏水接触角的变化对壁面总阻力系数的变化影响不显著，但阻力系数均维持在较低水平。壁面疏水接触 非光滑疏水表面的微气泡减阻技术研究角在低流速状态下对阻力系数有较大影响，当疏水接触角达到150。时，壁面阻力系数能够达到高流速时的阻力系数水平。表3．3壁面阻力系数变化表Tab．3．3Thecoefficientofthesurfaceunderdifferentconditions文章分析其变化原因是：一，壁面疏水接触角增大使得壁面与流体介质水的粘附作用减小同时增加了壁面微观几何结构对边界层内微小气泡的吸附、保存作用。在减小壁面固液接触界面的相互剪切力的同时增加了无剪切力的滑移气液界面面积，因而随着壁面疏水接触角增大阻力系数变化曲线逐渐降低。二，水流速度大小是壁面流体流动状况产生变化的主要影响因素之一。流速为2m／s时，形成的微气泡尺寸较大，气泡不容易在壁面停留，较大的疏水接触角有助于气泡停留在壁面的微观结构内部。同时由于水流速度较小，壁面的粘性底层较厚，水流的湍流扰动作用较小，在壁面吸附的微小气泡能够长时间停留在壁面起到减阻作用。水流速度增大时，喷气口处形成的微气泡尺寸较小，能够停留在壁面微观结构形成的凹谷中，同时小尺寸的微气泡对改变壁面边界层内的流体属性和改善流体的流动状态都会有一定的作用。另一方面，当壁面流动速度为Sm／s 大连理工大学硕士学位论文时，流体的湍流扰动作用增加较大，水流介质对壁面边界层的冲击作用也较强，使得壁面吸附的微小气泡不能够长时间的停留，因而当流体流速很大时，壁面的阻力系数反而有所增大。由表3．3中的壁画压差阻力变化关系可以看出壁面疏水接触角对凹坑型壁面的压差阻力系数有较大影响。分析原因主要是由于，壁面的疏水接触角增大使得壁面的表面能减小，从而引起固液界面的粘性吸附力降低。从而使得凹坑型结构上流体介质由于粘性吸附作用而产生的壁面压差阻力降低。0．00600．0055D=0．005*瓯唑o．0045叶、雩0．004瑚旧0。0035糊0．003306090120150壁面疏水接触角(。)图3．i0不同凹坑壁面条件下壁面疏水接触角与壁面阻力系数变化曲线图Fig3．10Thecur'vesoftotalresistancecoefficientCtversuscontactan百e图3．10为水流速度为5m／s时，不同壁面凹坑条件下壁面疏水接触角大小与总阻力系数C。的变化关系曲线图。由图中曲线可以看出。随着壁面疏水接触角增大，壁面总阻力系数逐渐下降。凹坑型表面的阻力系数随疏水接触角的增大变化较缓。光滑表面的壁面阻力系数对壁面疏水接触角的变化反应较强烈，随着接触角的增大曲线有明显的下降趋势，且变化较均匀。分析曲线形成原因主要是由于：第一，凹坑尺寸为600和400“m的凹坑型壁面，在水流速度为5m／s时，能够较为有效的保留、存储，喷气口处水流冲击形成的微小气泡，形成大面积的气液滑移界面，从而使壁面摩擦阻力系数保持在较低水平。9001zrn的凹坑型壁面由于凹坑尺寸较大，对壁面形貌的该变较为明显，引起壁面秸性压差阻力较大，同时较大的凹坑也会引起壁面流体流动状态的改变，而产生较大的能量消耗。第二，无凹坑型光滑壁面在壁面疏水接触角较小时，壁面粗糙峰形成的凹谷空隙不容易保留微气泡。并且壁面没有凹坑结构，微气泡不能够停留在固体表面，因而壁面阻力系数较大。 非光滑疏水表面的微气泡减阻技术研究随着光滑壁面的疏水接触角增大，壁面粗糙峰之问的凹谷保存微小气泡的能力迅速增大，形成较大面积的气液滑移界面，使得壁面摩擦阻力系数迅速降低。3．4本章小结非光滑疏水表面的微气泡减阻技术能够显著地改善壁面的流体摩擦阻力状况，提高船舶和水下航行器等的航行速度。虽然模拟计算结果与实际情况有一定的差异，但作为综合减阻技术的新探索，研究结果仍有其应用价值。本章简单阐述了流体模拟软件Fluent在计算气液两相流时的基本方法。并综合了微气泡减阻技术和非光滑疏水壁面减阻技术，构建了圆形管道和船舶模型进行微气泡减阻方面的研究。本章主要研究了流体流速大小、非光滑表面凹坑尺寸、壁面疏水接触角和表面粗糙度等因素与壁面阻力系数之间的相互变化规律。通过分析计算结果得出以下结论：(1)水流速度越大，喷气口处形成的微气泡尺寸越小，气泡减阻作用越强。但水流速度增加也会加剧流体的湍流扰动强度。(2)非光滑表面凹坑大小与壁面的流体减阻效果有较大影响。大尺寸凹坑对壁面的形貌改变较大，减阻效果比小尺寸凹坑弱。(3)相同条件下，壁面减阻效果随疏水性能的增加而增强。在低流速时，这一变化规律更明显。(4)表面粗糙度的影响规律较复杂，与流体流速有较大关系。粗糙峰之间的凹谷与粗糙峰伸出粘性底层的高度共同作用，相互影响壁面的流体减阻效果。 大连理工大学硕士学位论文4微气泡减阻实验研究船模实验是微气泡减阻性能研究的一种重要手段。与数值模拟方法相比船模实验不需要对流场的流动形式进行各种条件的假设并且包含许多数值模拟方法所忽略的影响因素。实验船模的微气泡减阻性能研究主要是利用试验的方法对实际船舶的微气泡减阻应用进行模拟，在实验过程中通过精确控制各微气泡减阻因素研究分析船模减阻效果，并与数值模拟结果相互对比进一步明确各微气泡减阻因素的作用规律。实验船模的测试结果对微气泡减阻技术在提高实际船舶的航行速度等方面的应用更有实际意义。4．1微气泡减阻实验方案本文是在已有的管道式压差减阻测试平台的基础上对试验装置进行改进，制做了可进行微气泡船模减阻性能测试的实验装置。要实现对微气泡船模进行减阻性能的实验测试，需要考虑的实验因素主要包括：船模的设计和制作、微气泡的喷气方式、水流速度和喷气量的调节与控制以及船模所受流体阻力的测量等方面。图4。l徽气泡减阻测试装置不蕙图Fig．4．1Theschematicofmierobubbledragreduetiontestdevice图4。1为微气泡减阻测试装置基本原理图。如图所示，利用压差减阻测试平台的水流控制装置提供流速稳定的主流循环水。将原压差式管道测试部分由明流水槽取代，在明流槽的水流中放置特殊制作的底部具有窄缝的船体模型。利用弹性元件将船体模型与搭接在槽壁上的固定支架相连。并将弹性元件的尾端固连到自制的激光转角测力计的反射镜摆臂上，通过弹性元件的伸长带动反射镜旋转放大检测精度。在微气泡产生方面， 非光滑疏水表面的微气泡减阻技术研究利用小功率的空气压缩机作为气源，并经气压调节阀调整到适当压力后通过柔性软管连矮到船体模型的进气口处。船体模型进气口进来的压缩空气经模型气体缓冲室缓冲后作用在船模底部的窄缝处喷出。喷出的空气在水流冲击下形成微气泡分布在船模底部起到减阻作用。根据实验方案在船体模型底部制作不同参数的测试涂层。在水流和微气泡的作j=|=j下，船体模型所受阻力通过弹性元件的伸长转变为反射镜的转角摆动．利用光杠杆豪哩放大弹性元件的变形量，并由标尺读出船体模型所受的阻力值变化大小。通过测试不同参数条件下的模型阻力研究分析各因素对微气泡减阻效果的影响规律。4．1．1船体模型的设计船体模型的设计应在满足测试条件和测量准确性的基础上，尽可能选着尺寸较大的船体模型，以确保制造精度和减少测量时的相对误差。本章实验船体模型的设计制作过程中由于考虑到可循环水槽的实际功率和明流槽宽度等实验条件的限制，设计制作了如图4．2所示的小型船体模型，其中喷气窄缝宽度d=O．2叫。为方便制造模型选材为木制材料，并且为了比较长久的保持模型不变形，材料经过充分干燥并在模型表面涂有一层防护涂层。在模型进气口处连接有柔性通气软管，为防止进气口压缩空气流速过大不能在底部窄缝处形成均匀空气流场，影响气泡产生效果。制作过程中在气体缓冲室中填充了类海绵状的气流缓冲材料，使压缩气流在船模底部窄缝处形成均匀气泡。进气口、／厂矧竹室＼麓爿／。∽i＼loo{图4．2船体模型平面图Fig．4．2Theplanofhullmodel ～——_逛塑巡k：．4，l·2喷气压力和水流速度的调节臻麟一瓣篙漂燕雾翳鬻麓嚣耄嚣鬻纂麓减燕襄◆：嚣6=A,staO(4．1)矗L2珏汹球一‰(2＆～e)～荀) 非光滑疏水表面的微气泡减阻技术研究=型tana(卜磊4-击"tajn20(4-2)=一Il一一lI4．yJ、1tana7因为转角0很小，可以近似认为sinO≈tan0，且sin2e≈o。则：tan20=罴≈羔≈2sin。=2熹(4．3)：悔式4．3代入△L中得：△L=警ta(1一去tatla(4．4)na。A+Z·o’其中，入射角度眠SO距离A和QD距离H，均为已知量。标尺上的投影变化距离△L为S点变化距离6的函数。图4．3为ct=15。、A=20mm、H=200mm时，6与△L之间的对应关系图。船体模型所受流体阻力F为弹性元件劲度系数k与位移6的乘积。试验过程中利用标准砝码对弹性元件劲度系数进行了定量测量。砝码质量m=20．079，弹性元件伸长51mm，计算得劲度系数k约为3．86N／m。即标尺投影移动100ram时，模型阻力变化约为20．5mN。会善V{粤睾制蓝司6的燹化佰(1run)图4．4微位移6与投影距离△L的对应关系Fig．4．4Thecorrespondingrelationofmicrodisplacement6andprojectiondistanceAL4．2船模底面涂层性能的测试微气泡减阻是利用微气泡与液相流体在船底壁面附近形成气液两相混合流来减小摩擦阻力。研究过程的凹坑型非光滑表面是在微气泡减阻的基础上利用壁面的微小凹坑结构使壁面的微小气泡更容易吸附、保留在壁面形成滑移气液界面取代船模的固体壁面直接与流体接触减小摩擦。加∞o 大连理工大学硕士学位论文实验过程中由于需要测量不同凹坑大小和表面疏水接触角的壁面对微气泡减阻性能的影响。实验测试前在船模底面喷涂经氟树脂改性的低表面能疏水涂层并在涂层表面加工了不同尺寸的凹坑结构。依据实验计划安排变更船模底面涂层的疏水接触角大小和加工后的凹坑尺寸以满足不同参数的试验测试需求。在船体模型底部喷涂了不同疏水接触角的低表面能涂层，随着涂层稀释剂的挥发，涂层由粘性液体逐渐转变为固体性质。本章船模底面凹坑型结构的制作是在涂层表干一段时间之后利用模压的方法，通过不同尺寸的球形压头在表干后的涂层表面加工出各类凹坑大小、分布方式不同的非光滑表面。在实际船体表面也喷涂有各类防腐防污涂层以增强船舶使用寿命。本章在凹坑型结构的制作方面，由于考虑到船模底面的实际工作情况及粘性底层厚度等数值的数量级均与凹坑加工精度及弹性变形程度等加工误差大的多。因此在凹坑型结构表面减阻性能测试时基本忽略表面的加工误差对微气泡减阻性能的影响。壁面疏水接触角是本文研究微气泡减阻性能时引入的又一重要参数，船体模型底面疏水性能主要是通过喷涂经氟树脂改性的低表面能涂层获得的。通过调节氟树脂的用量和其它控制因素可以在模型底面形成不同疏水性能的涂层表面，从而研究壁面疏水性能对微气泡减阻效果的影响规律。图4．5为试验过程中利用SL200B标准型光学接触角仪对实验过程中不同涂层的接触角测量结果。(a)接触角a=50。(b)接触角a=l12。 非光滑疏水表面的微气泡减阻技术研究口厂lL—一(c)接触角Ct=121o(d)接触角d=130。图4．5不同涂层的接触角测量Fi94．5Contactanglemeasurementsofdifferentcoating低表面能涂层由于具有特殊的疏水性能，涂层表面除了具有表面能低的特性外涂层表面还具有一定类荷叶的微观结构以增加涂层的疏水性能。图4．6为高倍显微镜观测的具有a=1200疏水接触角的涂层表面微观形貌，放大倍数为10×5×2。图中可以观测到类荷叶的突起，这些突起对壁面微气泡的减阻作用有较大的影响。图4．6涂层表面形貌Fig．4．6ThemorphologyofcoatingSI．Lrface4．4实验测试与结果分析实验设计的微气泡减阻测试装置如图4．7所示。其中船体模型在循环水槽中所受的阻力包括摩擦阻力、粘压阻力和兴波阻力等。激光转角测力计是对模型所受总阻力的测量，不能单独精确测量出微气泡对船模底面摩擦阻力的影响大小。为了分析不同条件下船体模型的减阻效果，实验过程中首先要测量普通光滑壁面在无微气泡通入的条件下模42 大连理工大学硕士学位论文型所受的阻力大小＆，并以此作为0参考值通过调节弹性元件固定端的位置，使标尺上的激光投影投射在0刻度处。在通入微气泡后，标尺上激光投影的变化值即为微气泡下对模型壁面摩擦阻力的影响值，并以此表征不同条件下微气泡的减阻效果。图4．7微气泡减阻测试装置Fig．4．7Microbubbledragreductiontestsystem实验过程中设计了正交实验对不同条件下微气泡的减阻效果进行测试和分析，表4．1为实验测试结果与分析。表4．1试验结果与计算分析Tab．4．1Thetestresultsandtheircalculatedanalysis 非光滑疏水表面的微气泡减阻技术研究通过上表极差分析计算可知，模型入口压力具有最大的极差RA-----15．2，且极差大小顺序为Rx>Rc>RB，说明影响船体模型摩擦阻力的最主要因素为通气压力，其次为涂层疏水性，而底面涂层加工的凹坑大小对试验测试结果影响最小。故实验条件的最优组合为A482C4。由表4．1绘制的模型阻力变化值随凹坑直径d及涂层疏水性能间的变化关系如下图所示。其变化趋势与本文第三章对管道模型气液两相流的模拟计算结果基本相同表明非光滑凹坑型表面及疏水涂层的引入对微气泡减阻机制有积极的促进作用，有利于改善微气泡减阻研究中微气泡不能在壁面稳定保持的实际问题。25．0备22。0皿919．0—a《16．o詈强。辎●◆——。．弋★、’0．40，60．81．01301109070涂层凹坑直径dhmn)涂层疏水接触角n(。)图4．8模型阻力与试验因素的变化关系Fig．4．8TherelationshipsbetweentestfactorsandmodelresistanceO0O巧砼埒坫B∞ 大连理工大学硕士学位论文模型进气口通气压力P{kPa)图4．9模型阻力与通气压力的变化关系Fig．4．9Therelationshipbetweenmodelresistanceandventilationpressure图4．9为实验过程中测试的模型阻力变化与进气口通入压缩空气的压力之间的曲线图。如图所示，通入压缩空气后模型所受的阻力明显发生变化，随着进气口压力的增加所测量的模型阻力变化值增大。即模型进气口通入压缩空气后在船体模型底面形成了微气泡减阻效应，降低了模型底面与水流的摩擦阻力，且随着进气口压力的增大，模型底面产生的气泡量也相应增加，底面近壁区的空隙率增大减阻效果增强。实验测得的曲线变化关系与前人研究的空隙率对微气泡减阻效果的影响规律基本相同，进一步验证了壁面空隙率增加微气泡减阻效果增强这一基本规律。上图还显示了不同模型底面涂层对微气泡减阻效果的影响。具有凹坑型结构的疏水涂层做模型底面时，在各压力条件下其阻力变化值相比无涂层喷附时均有明显改善。实验测试结果表明，在模型底面喷涂疏水涂层并加工出非光滑结构能够增强相同条件下的微气泡减阻效果。这一实验测试结果与本文第三章的数值模型结果基本相同。分析其原因主要是：在模型进气口通入压缩空气后，模型窄缝处形成微气泡并随水流运动分布在模型底部发挥减阻作用。在微气泡的运动过程中，不间断的发生气泡之间的聚并、碰撞、破裂并由于浮力的作用逃出模型底面。具有凹坑型结构的疏水涂层底面由于其特殊的表面结构和疏水特性，有利于使模型底面的微气泡吸附、停留在凹坑型结构中或由于涂层的疏水性而增加微气泡逃逸壁面所需的能量，即增加了模型底部的空隙率含量使空隙率维持在较高水平。如站∞坫∞9管II)‰靼罩钒R四斟塔50 非光滑疏水表面的微气泡减阻技术研究4．5本章小结本章主要是利用了实验的方法验证了微气泡减阻的实际效果与第三章的数值模拟结果相互对照。首先是在压差减阻测试平台的基础上进行实验装置的改进，实现对微气泡减阻性能研究的试验测试。在试验过程中由于船体模型尺寸微小，模型底面微气泡的摩擦阻力减阻效果也不易测量，因此实验装置借助光杠杆原理，通过自行设计的激光转角测力装置实现了对模型微小阻力的测量。同时利用氟树脂改性的低表面能涂层喷涂在模型底面并通过模压的方法加工出微小凹坑结构，利用涂层的疏水特性及凹坑的储气效果改善微气泡减阻的稳定性问题提高减阻效率。本文在试验过程中利用正交实验研究了模型迸气口压力、涂层疏水性能和底面凹坑大小等因素与微气泡减阻性能之间的影响规律，试验测试结果与软件模拟结果基本一致。模型底面涂层接触角为130。、通气压力为70kpa时，模型减阻率最佳约为18．1％。试验结果表明壁面非光滑结构及疏水特性对微气泡减阻效果有积极的促进作用。 大连理工大学硕士学位论文S结论与展望5．1研究结论本文总结并分析了国内外有关微气泡减阻、凹坑型非光滑表面及疏水性壁面等减阻技术的研究成果，并以微气泡减阻技术为微气泡减阻技术为基础，结合凹坑型表面及疏水壁面减阻技术，研究特殊壁面特征参数对微气泡减阻性能的影响规律提高减阻效果。本文对微气泡减阻技术的作用机理在总结前人研究成果的基础上做了初步分析，并阐述了影响微气泡减阻性能的基本技术参数及理论计算时所必须考虑的气液两相流控制方程等基本理论。在特殊壁面条件下微气泡的减阻技术研究方面，本文主要应用了数值模拟及模型试验的方法对凹坑型结构及低表面能疏水壁面与微气泡的减阻作用规律进行了详细的研究和分析。在数值模拟方面，本文建立了管道及船体两种模型，对主流流速、喷气速率、凹坑大小、壁面接触角及表面粗糙度等因素与壁面阻力之间的作用规律进行了详细的研究和分析。在模型试验方面，本文在压差减阻测试平台的基础上，利用简易的实验设备对数值模拟的研究结果进行了验证性的试验。数值模拟结果与试验数据分析共同表明：(1)在固液接触面通入微气泡可以明显改变近壁区边界层的流体粘度和密度及流体的流动状态。微气泡的引入在很大程度上改善固体壁面的摩擦阻力，相比其它流体减阻技术有明显的减阻优势。(2)微气泡的通入量是影响壁面减阻效果最显著的作用因素对近壁区空隙率的含量有很大影响。微气泡减阻效果与壁面边晃层的空隙率有直接关系，空隙率越大减阻效果越显著。(3)凹坑型非光滑表面及低表面能疏水壁面可以明显改善徽气泡在壁面的稳定性问题。特殊壁面的凹坑型结构及疏水特性可以稳定的存储、保留壁面附近的微气泡，增加近壁区空隙率含量提高微气泡减阻效果。(4)主流流动速率是微气泡减阻效率的重要影响因素之一。主流速率在很大程度上决定了微气泡的形成尺寸和分布及近壁区空隙率大小等减阻因素。数值模拟的计算结果表明，在流速较高时微气泡的减阻效果更显著。当主流速度为Im／s时，壁面的阻力系数均在0．055以上。当主流速度提升到4-8m／s时，壁面阻力系数普遍降低于O．05，具有特殊形态的壁面在主流速度影响下减阻效果更显著。47 非光滑疏水表面的微气泡减阻技术研究(5)表面凹坑型结构是本文研究微气泡减阻技术中引入的新参数，在壁面加工出凹坑型结构有利于改善壁面微气泡的附着性问题，为微气泡提供良好的存储空间。凹坑型结构内存储的微气泡使得固体壁面与液体水流间的接触表面积减小，同时在一定程度上增加了壁面的边界层厚度，减缓了近壁区流体介质的速度梯度变化。凹坑型结构的引入对微气泡减阻效果有很大的促进作用，此外数值模拟结果表明，凹坑结构对壁面的压差阻力有较大影响，随着凹坑尺寸的减小壁面压差阻力降低。(6)具有低表面能的疏水壁面对微气泡减阻效果有显著的促进作用。壁面的疏水特性可以与微气泡的减阻机理协同作用，壁面的疏水性能有利于吸附微气泡增加微气泡逃逸壁面所需的能量。凹坑结构及疏水壁面吸附的微气泡与液体介质直接接触形成无剪切应力的滑移气液界面取代粘性水流与固体壁面形成的固液界面，无剪切应力的滑移气液界面使得边界层流体介质的速度梯度降低摩擦阻力减小。(7)壁面粗糙度对微气泡减阻效果的影响规律与主流流速有较大关系。主流速度会影响湍流边界层壁面粘性底层的厚度，当粗糙峰值Rz小于粘性底层厚度时，粗糙峰之间的凹谷有利于吸附和保留壁面上的微气泡，增加粗糙峰高度有利于稳固的吸附微气泡降低壁面摩擦阻力；当粗糙峰高度伸出粘性底层时，进入流场中的粗糙峰会增加流体的湍流扰动作用，此时粗糙峰值的增加不利于壁面的减阻效果的提升。5．2微气泡减阻研究展望本人在研究微气泡减阻技术的过程中收集整理了较多的相关文献，对微气泡减阻技术的普遍研究方法有了一定的了解并对其进行了分析和比较。在研究过程中，通过引入凹坑特性和低表面能疏水特性壁面有效的改善了微气泡减阻技术中的稳定性问题。但由于时间和精力有限，本文在研究中一定还存在一系列的问题和不足。结合研究结果和实验经历，作者认为在微气泡减阻技术中以下几个方面还需进一步研究：(1)总结前人研究经验对微气泡减阻技术的理论分析还不够完善，提出切实的减阻理论并通过实验验证和理论推导得出相应的计算公式是今后微气泡减阻领域内一项十分重要的研究内容。 大连理工大学硕士学位论文非光滑表面形态结构众多，本文仅尝试了凹坑型结构并未研究其它形态的非光滑表面及微结构的分布排列等因素对微气泡减阻性能的影响。丰富微结构形态探索最佳的壁面形貌有利于促进微气泡减阻技术的发展。本文在数值模型及模型试验等方面对众多条件下的微气泡减阻效果进行了模拟研究和测试分析。但由于计算机性能及试验条件限制，建立的模型尺寸偏小不方便实际测量，在流速波动较大时容易产生较大误差，对测试结果有很大影响。建立国家标准模型及实体测试是本文后续研究的发展方向。在壁面微气泡减阻性能测试方面，如何实现对壁面近壁区各流场因素的实时观察和动态测量是微气泡减阻技术研究发展过程中要解决的问题之一。49、』、，、，234Q@ 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