活性劑對水下航行體減阻特性的影響

張孝石，王 聰，曹 偉，許 昊

(哈爾濱工業大學 航天學院，哈爾濱150001)

活性劑對水下航行體減阻特性的影響

張孝石，王 聰，曹 偉，許 昊

(哈爾濱工業大學 航天學院，哈爾濱150001)

為減小水下航行體的阻力，研究通活性劑溶液的水下航行體湍流減阻的流動特性.通過從航行體頭部向航行體邊界通活性劑溶液的方法，分別對不同質量濃度和不同速度情況進行減阻實驗研究，并分析了不同攻角下活性劑溶液對阻力和升力的影響.實驗中活性劑溶液質量濃度分別為200、400、600、800和1 000 mg/L，流速為4～10 m/s，對比分析了阻力系數.實驗結果表明：在活性劑溶液質量濃度為200 mg/L時航行體減阻效果較弱，當活性劑溶液質量濃度增加到1 000 mg/L時，減阻百分比高達40.8%；在活性劑質量濃度為1 000 mg/L時，當水流速度從4 m/s逐漸增大到10 m/s，減阻百分比在12.5%和40.8%之間變化；活性劑對有攻角的航行體仍然有減阻效果并且對升力產生較小影響.

水下減阻；活性劑；航行體模型；水洞實驗；升力

水下運動體受到的流體黏性阻力約占其總阻力的70%左右，對于管道液體輸送黏性阻力幾乎占總阻力100%左右[1].減小摩擦阻力可以提高水中航行體速度，增強水下航行體攻擊能力，因此了解水中航行體阻力產生的原因，研究其減阻機理意義重大.

目前減阻方法主要有：空化減阻、主動通氣減阻、柔性波減阻、微溝槽減阻、表面涂層減阻、高分子聚合物減阻等.高分子聚合物減阻是通過聚合物分子變形的有序性產生兩種作用：1)通過阻礙漩渦的產生降低渦旋的發生頻率；2)通過降低已經形成漩渦的轉動速率.這兩個效果減小了高分子溶液的猝發周期，從而達到了湍流減阻效果.文獻[2]首次發現在水中添加少量的高分子聚合物可以使湍流阻力大幅降低，當高分子聚合物溶于水后，在一定的溫度和質量濃度條件下會形成鏈式分子聚合體，由于此類分子聚合體可以伸縮、彎曲并隨流體一起流動，從而可以吸收并緩沖湍流脈動動能，降低湍流強度并達到降低阻力的效果.文獻[2]首次發表水中添加高分子聚合物可以達到減阻效果后，學者們開始廣泛、深入和細致地研究添加劑減阻問題，并得出在流體中加入特定添加劑，例如高分子聚合物、表面活性劑等物質，則流體變為非牛頓流體，流體的壁面摩擦阻力最大可降低80%.大量研究表明, 高分子聚合物存在抗剪切性能、易降解、受溫度影響大等缺點，在受到湍流流動的高剪切力或在高溫狀態下，分子鏈易斷裂并降低或者失去減阻能力[3].

近年來大量研究表明，相比高分子聚合物表面活性劑在應用于流體的減阻過程中不但可以克服不穩定、易降解、不可控等缺點，而且表面活性劑的減阻性能比高分子聚合物好.文獻[4]通過實驗對比分析了同一流道分別加有CTAC溶液與高聚物無溶液的減阻和傳熱效果，實驗結果表明，CTAC溶液有更好穩定性的同時減阻效果要比相同條件下的高聚物溶液好，而兩種溶液的傳熱性能基本相同.文獻[5]進行了表面活性劑CTAC溶液的封閉水循環實驗，在系統中加入40 mg/L的表面活性添加劑CTAC可使循環系統達到60%的減阻率；并利用PIV觀察到通道內湍流的近壁擬序結構的發生頻率和強度都有降低，從而摩擦系數的湍流項降低，即發生湍流減阻.文獻[6]研究了水平管內空氣和表面活性劑水溶液的兩相流流動特性，研究結果表明，由于表面活性劑水溶液表面張力下降導致在較高的氣體流速范圍內光滑分層流轉變為波狀分層流，這一現象歸因于液體表面張力的下降.文獻[7]通過實驗和數值仿真進行了CTAC表面活劑溶液減阻機理研究，CTAC溶液中產生了彈性應力并增加了摩擦阻力，同時抑制了湍流漩渦的產生并降低了湍流剪切應力，從而減小了摩擦阻力，整體呈現為減阻效果.文獻[8]通過實驗研究了不同雷諾數條件下表面活性劑質量濃度對管道湍流影響，表面活性劑溶液中，由于過渡區和黏性底層的厚度增加導致速度脈動的峰值遠離壁面，黏性剪切應力占主導作用，雷諾剪切應力在壁面處有大幅減小，此時減阻率最大約為63%.文獻[10]通過實驗研究了不同質量濃度CTAC溶液管內流動的減阻效果，發現在雷諾數范圍為7 000～18 500，表面活性劑質量濃度為30、70、80、90 mg/L這4種溶液相對應的減阻效果分別達到7%、30%、50%和55%.文獻[11]通過粒子圖像測速系統，觀察水和CTAC表面活性劑溶液的瞬時速度分布.在實驗中發現由于湍流能量產生和湍流擾動，使得低速流體區域向高速流體區域滲透，近壁面處的漩渦波動消失，并且添加活性劑主流中的湍流脈動更小.文獻[12]進行了不同表面活性劑減阻的實驗研究，實驗結果表明，在溫度為50℃～60℃范圍內時，當CTAC水溶液質量濃度在1 000～2 000 mg/L范圍內時，減阻率達到60%～80%.但是隨著溫度的升高，當溫度在70℃～80℃范圍內的時候，只產生較弱減阻效果.活性劑減阻潛在的應用場合有減小原油輸送的泵功耗、降低遠距離流體供熱供冷的功耗等[13-14].大量的研究主要針對活性劑對流道中液體的減阻，物體在活性劑液體中的減阻研究等，所以可以通過對水下航行體表面通活性劑的方法進行航行體減阻研究.本文主要針對水下航行體從頭部設計的縫中向外通有表面活性劑溶液開展減阻實驗研究，在原有水下通氣航行體實驗臺的基礎上對設備進行了升級，設計加工了在航行體頭部通活性劑的裝置，該設備可通過實驗臺把活性劑液體以一定速度通入到航行體頭部縫處，從航行體頭部縫處流出包裹在整個航行體周圍，并對表面活性劑的減阻機理進行了一定的探討.

1 實驗設備及方法

實驗主要依托哈爾濱工業大學循環式高速通氣空泡水洞進行，實驗系統包括水洞如圖1所示.控制系統，水洞工作段的長度為1 m，橫截面為260 mm×260 mm的正方形.為便于觀察工作段上下部及前后側面裝有透明的有機玻璃.航行體模型、流體力測試系統、通溶液控制系統、光學測試系統和其他輔助系統如圖2所示.

圖1 水洞示意

圖2 水洞實驗示意

圖3給出了改變模型攻角示意圖，從圖3中可以看出模型與水洞工作段的連接支撐結構，通過調節螺栓可以使支撐板轉動，模型由連接支撐結構與支撐板連接進而隨之轉動，模型攻角發生改變.實驗的航行體模型，材質為鋁合金，水下航行體模型長為L，直徑為D，如圖4所示.圖4中模型內部裝有六分力天平、通活性劑溶液管和數據線.航行體模型通活性劑溶液角度可以通過更換不同的頭部調節，通活性劑的角度與為航行體中軸線夾角，分別為：35°、45°、90°.

圖3 模型攻角改變示意

圖4 航行體模型

在不同工況的水洞實驗中，研究通有不同質量濃度的活性劑溶液水下航行體的流體動力特性，通過使用通活性劑溶液控制系統實現相同流量不同質量濃度的實驗；研究不同流速下通活性劑方式對水下航行體流體動力特性影響；通過調節模型與水洞工作段連接支撐結構實現模型攻角改變，研究不同攻角下通活性劑溶液對水下航行體流體動力特性影響.

實驗的基本方法概述如下：將配置好的特定質量濃度和配比的溶液均勻混合，在一定的流速范圍和恒定的溫度下，利用通活性劑控制系統控制溶液的流量保持在恒定的速度通入不同質量濃度的溶液，調節水洞的流速并改變攻角，測量流動過程中航行體受到的力情況.本實驗將使用易溶于水的十六烷基三甲基氯化銨(CTAC)為減阻劑，其化學分子式為C16H33N(CH3)3Cl，分子量為160.為得到一定的質量濃度和配比的溶液，首先將預先配比好的對應質量分數為99.99% CTAC放入燒杯，根據需要配置的溶液，把水加入到燒杯指定液面高度.CTAC用電子天秤稱得，其精度為±0.001 g.每種配制溶液單獨使用一個杯子，溶液配置完成后，檢查系統各個設備是否正常，然后將模型調整到一定攻角，并調整好水洞來流速度，同時觸發通活性劑系統和天平測力系統，通活性劑系統以10 mL/s的速度向航行體通入活性液體持續10 s，同時記錄10 s的天平測力數據，結束后關閉通活性劑系統并保存數據，準備下一個實驗工況.實驗分別開展不同通活性劑和通活性劑質量濃度為200、400、600、1 000 mg/L，水洞中水流速度為4、6、8、10 m/s和模型攻角為0、6°的不同實驗工況.

2 結果分析

2.1 通活性劑溶液角度對減阻率的影響

為了研究通活性劑溶液角度對航行體減阻特性的影響，本文對通活性劑溶液角度分別為35°、45°、90°時的減阻效果進行實驗研究.圖5為0°攻角條件下不同角度的阻力系數的對比，從圖5中可以看出，在相同流速和攻角條件下，不同通活性劑溶液角度減阻效果基本一致，因此通活性劑的角度對溶液減阻的影響可以忽略.

圖5 不同角度阻力系數對比

2.2 航行體減阻實驗分析

通活性劑溶液航行體的減阻效果是與溫度、活性劑種類、活性劑溶液質量濃度和來流速度有關的函數，在相同溫度和流速下無表面活性劑和不同質量濃度表面活性劑溶液進行對比，阻力系數定義為

式中：F為軸向力；ρ為流體密度；V∞為來流速度；A為航行體橫截面面積.為了便于比較CTAC水溶液的減阻效果，減阻百分比DR定義如下:

式中：CD1、CD2分別為無活性劑條件下和不同質量濃度活性劑條件的阻力系數.從而可以計算出質量濃度為 200、400、600、800、1 000 mg/L的CTAC水溶液在相同溫度下的減阻百分比，不同條件下航行體阻力系數對比如圖6(a)所示，不同條件下的CTAC水溶液減阻百分比如圖6(b)所示.

表面活性劑CTAC溶液的質量濃度對航行體阻力有較大影響如圖6(a)所示，相同流速條件下，航行體的減阻百分比隨著活性劑溶液質量濃度的增高而增大.質量濃度為200,400 mg/L的CTAC水溶液只會產生較弱的減阻效果；水下航行體在相同流速下的減阻效果隨著CTAC溶液質量濃度的增加而增強；當溶液質量濃度增加到800、1 000 mg/L時，航行體的減阻百分比分別達到36.2%和40.8%, 如圖6(b)所示，這兩種不同質量濃度溶液的減阻百分比相差較小，說明當溶液質量濃度增大到一定值后減阻百分比會趨于穩定.

對于通有CTAC溶液的航行體阻力系數明顯減小，這是由于表面活性劑分子在溶劑中達到一定質量濃度后單個膠束會聚合成球狀膠束；質量濃度進一步增加時，多個球狀膠束再匯合成兩端為半球形的桿狀膠束.在一定的剪切力作用下，桿狀膠束會相互纏繞并沿流場方向排列形成高次膠束結構[15]，對航行體壁面紊流的形成和發展形成抑制，通有CTAC溶液的航行體出現減阻效果.

圖6 不同速度條件下阻力隨著質量濃度的變化

通表面活性劑溶液航行體的減阻效果跟速度的大小密切相關如圖7(a)所示，隨著速度的增加航行體的阻力系數逐漸增大，對于相同質量濃度的CTAC溶液航行體的阻力系數仍然隨著速度的增加呈現增長趨勢，減阻效果表現在一定的速度范圍內.在低速情況下隨著CTAC溶液質量濃度的增加，通活性劑溶液航行體減阻效果明顯，減阻率達到40.8%，如圖7(b)所示，這是因為剪切應力使篩網結構發生傾斜和拉伸，但由于表面活性劑溶液的黏彈性作用，這種變化在一定剪切應力范圍內可以受到束縛，減阻流體的流動性能隨速度的增大而增大，最后達到最大減阻效果；當速度增大時，減阻效果增長幅度下降.這主要是因為在較高速度下，壁面的剪切應力增大，從而對 CTAC水溶液產生更大的剪切，從而導致減阻效果變緩.當速度達到一定值后，在高剪切應力的作用下，篩網結構發生集中斷裂，表面活性劑溶液表現出和溶劑相似的特性，減阻現象消失[4].

圖7 不同質量濃度條件下阻力隨著速度的變化

實驗結果表明不同質量濃度CTAC水溶液對航行體減阻效果有較大影響.這是由于隨著CTAC水溶液質量濃度的增大棒狀膠束長度逐漸增大，從而使得膠束沿著流動方向延伸并抑制了航行體近壁面處的湍流流動，降低了航行體壁面與流動的流體之間的表面摩擦阻力；同樣隨著CTAC水溶液質量濃度增大，棒狀結構也會越大，從而產生更高的減阻百分比[15].

2.3 不同攻角減阻實驗分析

航行體在水中航行時受到橫流作用在俯仰方向會產生偏轉，為研究對通有活性劑溶液對有攻角的航行體的影響，進行了6°攻角實驗研究，并得到了不同速度條件下的阻力系數，并分析了0°和6°攻角的升力系數.

圖8為6°攻角條件水下航行體在不同質量濃度活性劑溶液條件下的阻力系數的變化，在速度為6 m/s時，隨著通活性劑溶液質量濃度的增大阻力呈現減小趨勢；當速度增大到8 m/s時，隨著活性劑質量濃度的增大，航行體減阻效果逐漸減小；當速度達到10 m/s時，隨著活性劑質量濃度的增大，有攻角時減阻不受到通活性劑的影響.

圖8 6°攻角下阻力系數隨質量濃度的變化

Fig.8 Drags coefficient change with concentration at 6 degree angle of attack

圖9為0°和6°攻角條件水下航行體在不同質量濃度活性劑條件下的升力系數的對比，隨著水下航行體攻角的變化航行體的俯仰力逐漸增大，0°和6°攻角時通活性劑航行體對升力未產生明顯的影響.

圖9 不同攻角下升力系數

3 結 論

1)隨著CTAC水溶液質量濃度的增加，水下航行體的減阻效果逐漸增強，當CTAC水溶液質量濃度為200 mg/L時，減阻百分比為3.2%，產生較弱的減阻效果；隨著CTAC水溶液質量濃度的增加，在相同流速下減阻效果會呈現增強趨勢，當水溶液質量濃度為800 mg/L時，減阻最大百分比達到36.2%；當水溶液質量濃度增大到1 000 mg/L時，減阻最大百分比為40.8%，相比水溶液質量濃度為800 mg/L減阻百分比變化較小，隨著質量濃度的繼續增大減阻效果趨于減阻上限.

2) CTAC水溶液在一定流速范圍內對航行體有較好的減阻效果，當流速超過一定值時，減阻效果減弱，這主要是因為在較高速度下，航行體壁面的剪切應力逐漸增大，從而對CTAC水溶液產生更大的剪切，導致減阻效果減弱.當流速達到一定值時，高剪切應力導致CTAC水溶液表現出和水相似的湍流特性，減阻效果逐漸消失.

3)對于不同攻角條件下，CTAC水溶液對航行體的減阻效果仍然和速度的大小有關系，低速時有一定減阻效果，當流速達到10 m/s時，減阻效果消失；不同攻角時，通活性劑航行體升力未發生明顯改變.

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(編輯 張 紅)

Influence of surfactant on drag reduction characteristic of an underwater vehicle

ZHANG Xiaoshi, WANG Cong, CAO Wei, XU Hao

(School of Astronautics, Harbin Institute of Technology， Harbin 150001, China)

To reduce the drag of underwater vehicle, experiment is carried out to study the turbulent drag-reducing of underwater vehicle injected with surfactant in a water tunnel. For the experimental work presented here, surfactant is injected from the head of the vehicle. The drag reduction (DR) of surfactant as a function of fluid velocity and surfactant concentration are investigated. The influences of the surfactant on the lift-force and drag-force with different attack angle are analyzed. Surfactant solutions at different concentrations, namely 200, 400, 600, 800 and 1000 mg/L, are used to examine the influence of surfactant on drag coefficient. The flow velocities are set between 4 and 10 m/s. The present results show the DR effect is weak when the surfactant concentration is 200 mg/L. With the increase of the surfactant concentration to 1 000 mg/L, the drag coefficient is reduced by about 40.8%. The DR ratio ranges between 12.5% and 40.8% at all flow velocities up to 10 m/s from 4 m/s when the surfactant concentration is 1 000 mg/L. With the increase of surfactant concentration, the drag coefficient of the vehicle with angle of attack is also reduced and there is slight effect on the lift-force coefficient.

drag reduction; surfactant; vehicle model; tunnel experiment; lift-force

10.11918/j.issn.0367-6234.201511112

2015-11-30

黑龍江省自然科學基金(A201409)

張孝石(1987—)，男，博士； 王 聰(1966—)，男，教授，博士生導師

王 聰，alanwang@hit.edu.cn

TV131.32

A

0367-6234(2017)04-0137-05