條紋溝槽表面減阻效果的實驗研究

條紋溝槽表面減阻效果的實驗研究

減少中斷技術(shù)不僅具有很高的軍事價值，而且具有很高的經(jīng)濟價值。根據(jù)理論推算,在動力和能源一定的條件下,假如將阻力減小10%,則巡航速度和航程可以同時增加大約3.57%。另一方面,即使只能獲得少量的減阻效果,每年也可以節(jié)約大量的能源,這對緩解我國目前日益嚴(yán)峻的能源危機極為重要。鑒于減阻技術(shù)的研究潛力巨大,各國都在積極開展這方面的研究工作。目前常見的減阻方法有:外形優(yōu)化設(shè)計、聚合物涂層(或噴射)、邊界層吸入、柔性壁面、壁面加溫及氣幕屏蔽等方法。這些方法雖然在機理上可行、減阻效果也比較明顯,但是在水下航行器上應(yīng)用時技術(shù)難度很大,有的需要較大地改變結(jié)構(gòu)、外形,有的需要一些特殊的輔助設(shè)備,這使得不僅在現(xiàn)有水下航行器上難于實現(xiàn),而且在設(shè)計新型水下航行器時也將遇到同類難于解決的技術(shù)困難。條紋溝槽表面減阻技術(shù)是近年來興起的一種新的減阻方法,該技術(shù)具有很好的減阻效果。條紋溝槽表面的減阻原理主要是“第二渦群”論和“突出高度”論。近十年來,國外對條紋溝槽表面減阻研究已經(jīng)有了重大突破。從當(dāng)前掌握的有關(guān)國外研究的資料表明,該項技術(shù)在國外已投入了實際應(yīng)用。例如,空中客車將A320試驗機表面積的約70%貼上條紋溝槽薄膜,達(dá)到了節(jié)油1%～2%的效果。而國內(nèi)目前對條紋溝槽減阻領(lǐng)域的研究還處于探索階段。本文所做的實驗研究主要針對回轉(zhuǎn)體表面條紋溝槽減阻特性開展,重點研究回轉(zhuǎn)體表面條紋溝槽減阻性能與條紋尺寸、航行速度及姿態(tài)等因素的關(guān)系(考慮到模型的對稱性,變攻角和變側(cè)滑角對減阻性能的影響相同,因此只進(jìn)行變攻角實驗研究)。通過水洞實驗研究探索回轉(zhuǎn)體采用條紋溝槽表面減阻技術(shù)的可行性,同時也促進(jìn)其在船舶與水下航行器設(shè)計行業(yè)中推廣應(yīng)用。1實驗設(shè)備和實驗?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計1.1流體動力特性分析本文的實驗研究在西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院高速水洞實驗室完成。該水洞的洞體為一個充滿水的不銹鋼封閉循環(huán)管道,在軸流泵的驅(qū)動下,水沿管道循環(huán)流動,從而在工作段內(nèi)形成一個穩(wěn)定的均勻流場。水流的速度和壓力可以按照相似條件的要求進(jìn)行調(diào)節(jié)并保持穩(wěn)定。實驗?zāi)Ｐ椭糜诠ぷ鞫蝺?nèi)并與測試儀器相連,以測定模型的流體動力特性。圖1所示為水洞實驗裝置示意圖,其中:1.天平2.模型3.工作段4.調(diào)壓室5.除氣塔6.過濾器7.水泵8.真空箱9.真空泵10.加壓筒11.壓氣機12.軸流泵13.直流電動機。1.2實驗設(shè)計模型在綜合考慮國內(nèi)外相關(guān)理論計算結(jié)果和實際的實驗條件等方面因素后,作者自行設(shè)計了本次實驗所用模型。模型線型由頭產(chǎn)中曲線段、圓柱中段、尾部曲線段和尾錐段四部分組成,頭部采用雙參數(shù)平方根圓頭曲線線型,尾部曲線采用雙參數(shù)尖尾曲線線型,模型為實心一體結(jié)構(gòu)。本次實驗?zāi)Ｐ凸灿兴臈l,包括三條條紋溝槽模型(條紋溝槽尺寸分別為:0.06mm、0.1mm、0.2mm)和一條光體模型。圖2為模型表面條紋溝槽示意圖,圖3為回轉(zhuǎn)體模型在水洞內(nèi)的照片,從照片上可以看到模型表面的條紋溝槽。2處理實驗結(jié)果的方法(1)u3000出口電壓差值的計算Cx=Nx?g12ρU2∞S1Ix,Cy=Ny?g12ρU2∞S2Iy,Cz=Nz?g12U2∞S2Iz(1)Cx=Νx?g12ρU∞2S1Ιx,Cy=Νy?g12ρU∞2S2Ιy,Cz=Νz?g12U∞2S2Ιz(1)式中Ix,Iy,Iz分別為天平x,y,z方向的靈敏度;Nx,Ny,Nz分別為天平在x,y,z方向上的電壓變化量(即各方向上U∞和零速度下的輸出電壓差值);U∞為平流速度,S1為沾濕面積;S2為最大橫截面積;g為重力加速度;ρ為水的密度。(2)dr的計算DR=(1?cdcd0)×100%(2)DR=(1-cdcd0)×100%(2)其中cd0表示光體模型阻力系數(shù),cd為有條紋溝槽模型阻力系數(shù)。(3)修正摩擦阻力cf對于一般水下航行器,摩擦阻力在總阻力中所占用的比例大于80%,因此本文在無因次化處理時,采用總阻力Cx(代替時利用修正因子進(jìn)行修正)代替摩擦阻力Cf,具體轉(zhuǎn)化公式如下S=νU∞2Cf??√S+=LS+Re2kCx???√(3)S=νU∞2CfS+=LS+Re2kCx(3)因此S+=S?ReLCx2k???√(4)S+=S?ReLCx2k(4)式中S表示溝槽寬度,U∞為來流速度,Re為雷諾數(shù),L為模型長度,k為總阻力Cx的修正因,本文取k=0.8。3結(jié)果與分析3.1不同尺寸溝槽模型減阻量變化經(jīng)整理計算,減阻實驗結(jié)果如下:表1為不同尺寸條紋溝槽模型變水速實驗結(jié)果,表2為不同尺寸條紋溝槽模型變攻角實驗結(jié)果,圖4為條紋溝槽模型與光體模型阻力實驗結(jié)果對比曲線,圖5和圖6為0.06mm條紋模型變攻角實驗結(jié)果(考慮到各條紋模型變攻角實驗規(guī)律一致,這里只給出0.06mm的實驗結(jié)果)。由表1和圖4可見,S=0.06mm的溝槽模型在水速為11m/s時減阻量最大,其最大減阻量6.34%,此時的無因次溝槽長度S+為25.7;S=0.1mm的溝槽模型在水速為8m/s時減阻最大,其最大減阻量為5.79%,此時的無因次溝槽長度S+為30.9;S=0.2mm的溝槽模型在水速為6m/s時減阻量最大,其最大減阻量為4.03%,此時的無因次溝槽長度S+為46.3。并且三種不同尺寸溝槽減阻量變化趨勢均為先增大后減小(流速從低到高變化)。由表2可知,在實驗水速為8m/s,攻角變化范圍為-3°～3°時,S=0.06mm的溝槽模型的減阻量基本穩(wěn)定在4.7%～5.89%。根據(jù)圖5、6可見,光體模型和有條紋模型的阻力和或力隨攻角變化的規(guī)律是一致的,且在小攻角范圍內(nèi)(-3°～+3°)減阻量基本穩(wěn)定不變。3.2溝槽表面模型減阻量計算西北工業(yè)大學(xué)石秀華等人在1997年做過平板條紋溝槽貼膜對比實驗,其所做的條紋溝槽貼膜實驗結(jié)果與本次實驗結(jié)果進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn):(1)回轉(zhuǎn)體表面直接加工條紋溝槽與平板表面粘貼條紋溝槽膜均有較好的減阻效果,但所測得的最大減阻量存在一些差異。平板實驗中,S=0.06mm的條紋溝槽的最大降阻量約為11.4%,S=0.1mm的條紋溝槽的最大降阻量約為9.1%;在本次實驗中,S=0.06mm的溝槽表面模型的最大減阻量約為6.34%,S=0.1mm的溝槽表面模型的最大減阻量約為5.79%,而S=0.2mm的溝槽表面模型的最大減阻量約為4.03%。分析其原因可能與回轉(zhuǎn)體表面流場存在壓力梯度有關(guān),另外,條紋溝槽形狀、尺寸的加工誤差也是一個重要影響因素。(2)兩次實驗所得到的減阻規(guī)律基本一致。對于不同尺寸的條紋溝槽,具有減阻效果的速度范圍不同,且具有最佳減阻性能的速度也不相同。對于S=0.06mm的條紋溝槽減阻速度范圍約為6～13m/s,S=0.1mm的條紋溝槽減阻速度范圍給為6～10m/s,而S=0.2mm的條紋溝槽減阻的速度范圍給為4～7m/s。(3)減阻量不但隨條紋溝槽寬度S變化,而且隨來流速度U∞變化,即與S+存在著一定的關(guān)系。從圖5的擬合曲線可以看到,兩次實驗中存在減阻效果的S+范圍基本重合,即S+介于10～60之間,可見,S+值是決定有無減阻效果和降阻量大小的重要因素。4溝槽表面微織構(gòu)與s+2面c本文在條紋溝槽表面減阻理論分析的基礎(chǔ)上,對條紋溝槽表面回轉(zhuǎn)體進(jìn)行了水洞實驗研究。從實驗結(jié)果分析可得以下結(jié)論:(1)條紋溝槽表面回轉(zhuǎn)體在一定的速度范圍內(nèi)存在很好的減阻效果,且在小攻角范圍內(nèi)減阻量基本穩(wěn)定,對回轉(zhuǎn)體升力特性也沒有影響;(2)降阻量不但隨條紋溝槽寬度S變化,而且隨來流速度U∞變化,即與無因次溝槽寬度S+(文中取S+=S?ReLCf2k???√)S+=S?ReLCf2k)存在著一定的關(guān)系。對于V型條紋溝槽具有減阻效果的S+的范圍在10到60之間;(3)