微气泡减阻喷气参数换算关系研究

摘要

近二十年来，随着我国经济的持续快速发展，船舶航运业得到了极大的增长，船舶油运能源消耗逐年增高。再加上世界能源需求的日益紧张，新型节能方式的研究受到各国的广泛关注。其中微气泡减阻是一种前景非常光明的节能方式。
　　 微气泡减阻通过微气泡改善边界层结构进而达到减小船舶的摩擦阻力。大量文献报道微气泡减阻效果明显，日本学者曾在一艘7800t的海船上进行试验，取得了绝对减阻率5.44％的减阻效果。然而各国学者虽然在船舶微气泡减阻研究领域取得了一些成果，但是除少数实船应用实例以及部分以实船为对象的实验性质的研究外，大多数成果仍然停留在实验室阶段，无法应用于工程实际。
　　 制约微气泡减阻技术应用于实船的一个非常重要原因就是，减阻效果所依赖的因素太多，特别是模型实验的结果与实船之间的相似关系没有解决，即优秀的模型喷气参数无法通过简单的缩尺比换算到实船上。
　　 模型实验与实船之间的相似关系在武汉理工大学陈克强老师的《863高速气泡船船型研究报告》中有过初步的探讨，但是其相似关系并不完善。本文通过系列简化模型进行数值模拟，找出不同模型(Fr相同、Re不同)之间喷气参数的数值关系，由此来验证并进一步探讨其对应关系，为微气泡实船预报提供理论依据。
　　 本文的研究对象为4个模型，分别是2m、4m、6m、8m四个尺度，对每个尺度的模型都使用喷气参数组合来进行数值模拟，从而可以清晰地发现喷气参数对船舶阻力的影响规律。数值计算中不计算自由面影响。本文中考察的喷气参数有三个：①喷气流量Q、②喷气缝的大小b、③喷缝上缘距船底的垂直距离h。
　　 通过数值模拟计算，并对计算结果进行，本文得出以下结论：
　　 ①.当模型尺度和来流速度大小确定时，减阻率随着喷气流量的增加而增大，当喷气流量达到饱和后，再增大喷气流量，减阻率变化不大。
　　 ②.本文计算的四个模型在饱和喷气流量下，摩擦阻力减阻率都达到了40％以上，绝对减阻率也均在10％以上，由此可见，微气泡的减阻效果和应用前景十分可观。
　　 ③.微气泡减阻不仅减小船舶的摩擦阻力，还会影响船体表面的压力分布减小艏艉压力差，进而减小船舶的粘压阻力。
　　 ④.当来流速度一定时，喷缝处的喷气速度对微气泡在船底的运动速度影响很小。即微气泡在离开喷缝后很短的距离内其速度会降低到与来流速度一致(相近)。
　　 ⑤.当模型尺度、来流速度和喷气流量确定后，喷气参数h和b对船舶阻力的影响很小，故在微气泡减阻相似换算时h和b值可以不考虑换算。
　　 ⑥当模型尺度和来流速度大小确定后，喷气流量在达到饱和前对船舶阻力的影响很大。傅汝德相似的模型之间饱和喷气流量换算关系为：q1\q0=λ1.7·1\√λ·ω1\ω0·κ1\κ0=λ1.2·ω1\ω0·κ1\κ0