船體流動減阻方法研究綜述

張弛 劉林

摘 要：近年來，關于船體減阻的實驗和研究比較多，取得了許多相關的資料和數(shù)據(jù)。在目前湍流理論有了相當?shù)陌l(fā)展之后，我們對原理的研究有了一些進步。目前在減阻的方式上，人們已經(jīng)發(fā)明了肋條減阻（溝槽法）、聚合物添加劑減阻法、柔順壁減阻法、氣泡減阻法、仿生減阻法、壁面振動減阻法、超疏水表面減阻法等。文中將就上述減阻方法的原理做一個簡要的介紹。

關鍵詞：流體；阻力；船體減阻

1 柔壁減阻法

上世紀60年代，科學家們發(fā)現(xiàn)“人造海豚皮”的減阻效果，柔壁減阻開始得到人們的重視。柔壁減阻法的一般做法是在固體壁面上覆蓋上泡沫塑料，往固體內(nèi)部水或油等液體后，在外面蒙一層不滲透或者半滲透性的薄膜，這樣泡沫塑料就能產(chǎn)生一定彈性。柔順壁的作用使粘性底層變厚，邊界層上流速梯度減小，就此減小了邊界面上剪力，同時也減小了因剪力做功而發(fā)散的能量，實現(xiàn)了減阻。

在雷諾數(shù)較大的環(huán)境下，粘性作用在邊界層內(nèi)。所以減阻的關鍵在于如何使邊界層平順流動減少損失。由于海豚皮膚有很好的彈性，可以隨水流呈波浪狀起伏，形成了柔順壁。水流原本就是一種湍流運動，綜合海豚表皮的擾流運動，很容易在表皮邊界層內(nèi)產(chǎn)生擾流，由此產(chǎn)生的紊流，增加了游動摩擦阻力。而當擾流發(fā)生在邊界層內(nèi)時，海豚的皮膚產(chǎn)生的波動，抵消了擾流并減少了晃動，延遲了邊界層的轉捩，以此保持邊界層層流的流動。

當我們從邊界層穩(wěn)定性因素考慮時，可以更加深入的了解減阻的機理。影響層流運動穩(wěn)定性的主要因素包括壁面粗糙度和來流紊流度。壁面的粗糙增加了對流動的擾動，合理的利用該擾動有很好的減阻效果。目前對柔順壁減阻相對一致的觀點是，壁面壓力梯度緩解了壓力釋放，因此造成邊界層層流向湍流轉捩的后移。海豚表皮的“非光滑”柔順壁可順應水流而流動，減少湍流流動，延遲邊界層轉捩，增加邊界層穩(wěn)定性，因此能夠高效降低其在水中的阻力。

2 溝槽減阻法

上世紀70年代，蘭利研究中心發(fā)現(xiàn)，順流向微小肋條的表面能有效降低壁面摩阻。該發(fā)現(xiàn)是對減小表面粗糙度來達到減阻目標手段的一個創(chuàng)新，它是通過改變邊界層底層的流動結構從而達到減阻目的的。

為了最大限度地達成減阻目的，科學家對肋條形狀進行了很多實驗研究和設計優(yōu)化。德國科學家對各種肋條表面，包括對三角形、半圓形、刃形以及三維肋條進行了研究。通過實驗比對發(fā)現(xiàn)凹形具有尖峰的形狀減阻效果最好。

這些年來，學界對肋條減阻機理的研究很多。大多數(shù)觀點認為達成減阻的主要原因是粘性底層厚度增加。反向旋轉的流向渦與肋條尖頂作用的二次渦的互相作用，二次渦減弱了與低速帶條相關系的流向渦，并在肋條之間的溝槽內(nèi)保持低速流體。順流向的渦對與條紋尖端相互作用，產(chǎn)生第二渦群，降低了順流向渦對強度，一直流向渦對展向集結能力，減小了低速帶條的數(shù)目，控制了近壁面區(qū)動量交換。狹窄V形肋間溝槽的溝谷保持有低摩阻的低速安靜流，從而降低了總阻力。

3 高聚合物添加劑減阻法

高聚合物添加劑減阻法是這幾年減阻研究的一個重點，這種方法是通過在流體中溶入少量長鏈高分子聚合物來達成減阻目的的。該方法在液體內(nèi)部邊界創(chuàng)造條件以達到減阻，它們的共同的特點是分子量的量級都達到百萬。聚合物添加劑由于可以影響流向渦的強度，增大低速帶條間距，因此減小湍流的剪切力從而實現(xiàn)了減阻。

目前，盡管對這種方法已有了較深入的研究，但由于湍流問題的復雜性，聚合物在湍流中產(chǎn)生減阻的原因至今還未弄清楚。雖然科學家基于實驗提出了一些假設和分析，但還沒有出現(xiàn)一種理論能完美的解釋該問題。但由于該方法比較容易實現(xiàn)并且效果很好，在很多領域得到了廣泛應用。

4 氣泡減阻法

氣泡法是通過在物體表面上造成氣泡，利用氣泡的小摩阻性和易變形等特點來調(diào)節(jié)底層流動結構來達到減阻的目的。通過計算邊界層中的微氣泡對平板表面摩擦阻力的影響，得到減阻率在60%左右的結論。氣泡法減阻一般分為大氣泡減阻法和微氣泡減阻法。

大氣泡減阻是利用空化理論，在船底設計一個人造空腔，將氣體通入空腔中，形成一個與水分離的大氣泡，以達到減阻的目的。

微氣泡減阻是在運動的船體表面和水之間注入氣體，形成氣液混合物薄層，改變邊界層的內(nèi)部結構，使摩擦阻力減小。由于位于邊界層內(nèi)的微氣泡具有變形能，它把剪切力作用于流體的部分功轉為變形能儲存起來，從而減少能量損耗，實現(xiàn)了減阻目的。

但此方法最大的缺點就是氣泡不穩(wěn)定，一旦減阻氣泡破裂將產(chǎn)生更大的阻力和噪聲；而如果氣泡太小又達不到減阻效果，因此要注意氣泡的產(chǎn)生和消除。這也是氣泡減阻法下一步研究的重點方向。

5 壁面振動減阻法

壁面振動減阻法的基本思想是壁面振動可以減小湍流表面摩擦力。靠近振動壁面處湍流邊界層的平均速度將梯度減小，湍流強度依次減弱，因此驗證了壁面振動能減小湍流邊界層表面的摩擦阻力。

目前針對振動減阻法的研究文獻很多，關于其機理的分析有兩種說法：一是認為減阻與振動壁面上周期性順翼展方向的渦旋狀態(tài)有關，因為它在粘性底層減少了平均流速梯度，從而影響了邊界層的剖面，近壁區(qū)流向渦也順翼展方向重新排列，從而減弱了橫向邊界層的流向渦的波動強度。第二種說法認為，在湍流邊界層存在準流向渦再生循環(huán)現(xiàn)象，壁面湍流是靠它來維持的。所以準流向渦是產(chǎn)生湍流表面磨擦力的主要原因，而壁面振動干擾準流向渦的再生循環(huán)實現(xiàn)了減阻目的。

6 超疏水表面減阻法

超疏水表面減阻受到水滴在荷葉上滾動而不沾濕荷葉的啟發(fā)。荷葉表面有微米級的乳突和蠟狀物，微米乳突上還有納米結構，對水具有排斥作用。

目前較普片的認為疏水表面減阻的機理是“滑移長度”理論。認為水流經(jīng)疏水表面時產(chǎn)生壁面滑移，使邊界面上的速度梯度減小，從而剪切力減小，推遲了層流附著面的轉變，使層流流態(tài)更穩(wěn)定。

7 結束語

文章對船體減阻的原理、方法和意義進行了較為全面的總結。從以上的減阻方法中，我們可以看到很多的減阻概念是源于自然界生物或者自然現(xiàn)象的啟發(fā)，因此這些減阻技術的發(fā)展離不開仿生學和新材料學的發(fā)展。

目前，非光滑表面減阻技術和超疏水表面減阻技術在實船上已有所應用，氣泡減阻技術主要運用于船模實驗中，實船上鮮有運用。想要將這些減阻技術在船舶實際工程中得以廣泛和普及的應用，還有很多的技術難關需要攻克。

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作者簡介：張弛（1987，10-），男，湖北省武漢市（籍貫）；現(xiàn)職稱：助理工程師；學歷：本科；研究方向：船舶制造。