水炮系統添加劑減阻分析及方案設想

林芃，高一民，蔡偉華，陳軼君，陳紅超

1 中國艦船研究設計中心，上海201108

2 哈爾濱工業大學能源科學與工程學院，黑龍江哈爾濱150001

0 引 言

水炮系統作為公務執法船水面對抗系統的主要配置，使用頻率高，其射程及流量在沖突對抗過程中起著決定性的作用。以7XX 和8XX 公務執法船為例，該船水炮系統的射程可達到150 m，流量達1 500 m3/h；水炮系統消耗功率約750 kW，通海管徑DN400，為獨立柴油機驅動或主機齒輪箱自由端驅動。受總體及設備能力的限制，要想在此基礎上繼續增加水炮的射程及流量，會非常困難。水炮系統的射程及流量是公務船在執法對抗中取得優勢的關鍵，因此，迫切需要在現有水炮系統的基礎上通過新技術進一步提高打擊能力。

在液體的湍流流動過程中添加少量添加劑可極大地降低湍流阻力［1］。采用具有較長分子鏈的高分子聚合物添加劑，以及具有膠束結構的表面活性減阻劑，可以減小流動系統的能耗，增加流速，該現象被稱為Toms 效應或添加劑湍流減阻效應。目前，很多學者從理論、實驗和數值模擬的角度對此效應開展了大量研究［2-6］。Luchik 和Tiederman［7］應用二維激光多普勒測速儀（LDV）對槽道湍流高分子聚合物減阻流動進行研究，發現了減阻湍流中的雷諾剪切應力減小、流向的能量向法向方向的轉移受到抑制等現象。Zakin 等［8］針對添加了表面活性劑的減阻溶液進行了流變學特性、表面活性劑分子結構等一系列研究，并提出了表面活性劑溶液的最大減阻漸近線。Li 等［9-10］對槽道內十六烷基三甲基氯化銨（CTAC）減阻水溶液進行了實驗研究，結果表明CTAC 水溶液具有較好的減阻效果，并得到了能夠有效實現減阻的溫度范圍及濃度范圍等結論。目前，該項技術發展迅速。日本神戶大學在空調循環水系統中采用了該項技術，其平均運行減阻率為30%，循環水泵的能耗顯著降低［1］；國內青島某小區在集中供熱系統中也采用了減阻劑［11］，在投入運行的首年減阻效率理想，但之后出現了減阻衰減效應。隨著該項技術的不斷進步，在集中供冷/供熱領域將具有廣泛的應用前景。

減阻技術一方面可以減少流體機械的輸送能耗，另一方面，在確定的泵功耗情況下，能夠起到增加流量及揚程的作用；同時，水炮系統僅在沖突對抗時短時使用，因此不用擔心減阻劑長期使用時的失效問題［12-13］。可見，將添加劑減阻技術應用于水炮系統對抗領域具有良好的應用潛力。

本文將基于表面活性劑對粘彈性流體湍流流動過程的減阻效應，采用合適的減阻劑并設計合理的注入系統，充分降低水炮中海水從通海閥箱至水炮噴口過程的湍流流動阻力，完成典型減阻劑的海水驗證實驗，完成管網的模型建模與性能預報分析以及工程方案設想，從而驗證水炮系統“興奮劑”強化的可行性。

1 添加劑減阻技術簡介

通常，減阻劑可以分為2 大類：高分子聚合物和表面活性劑。

圖1所示為高分子聚合物減阻機理示意圖［14］。高分子聚合物的分子量通常需要達到百萬量級，分子量越大，減阻效果越好。分子鏈呈直線結構，且主鏈越長、支鏈越少，減阻效果就越顯著。這主要是因為分子鏈的支化降低了高分子聚合物的減阻效果。

圖1 高分子聚合物減阻機理［5］Fig.1 Drag reduction mechanism of high molecular polymer［5］

圖2 所示為表面活性劑減阻與高分子聚合物減阻機理的對比［15］。表面活性劑溶液在湍流減阻流體流動中產生減阻效應的因素是溶液流動內部生成的微觀結構，即所謂的剪切誘導結構。如圖2所示，減阻效應取決于溶液內部是否能夠形成剪切致棒狀，繼而形成網狀的微觀結構，而這類微觀結構歸根到底是由表面活性劑小分子形成的膠束結構。

上述2 種減阻添加劑的抗剪切和抗高溫能力均較差，不過表面活性劑具有“自恢復”功能，在高剪切力或高溫作用消失后可以自行恢復減阻功能，而高分子聚合物一旦被破壞，就無法再進行減阻。所以，高分子聚合物減阻多用于一次系統，表面活性減阻劑則多用于有驅動泵的液體循環系統。在水炮系統中，由于無需過多考慮減阻劑的時效性，因此這2 種減阻劑均具有實際的應用潛力。本文將圍繞表面活性減阻劑展開進一步的論述。

圖2 表面活性減阻與高分子聚合物減阻機理對比［15］Fig.2 Comparison of drag reduction mechanism between surfactant additive and high molecular polymer［15］

2 表面添加劑減阻技術的海水管路實驗驗證

圖3 圓管海水湍流減阻測試實驗臺Fig.3 Experimental prototype of seawater tube turbulence drag reduction

目前，圍繞減阻劑減阻效果的研究主要聚焦在原油輸送、樓宇空調循環水、集中供熱等油類及淡水領域，針對海水領域的目前尚未見到報道。為了驗證減阻劑應用于水炮系統的設想，首先需確定典型減阻劑在海水系統中是否同樣有效。圖3所示為減阻流動測試實驗臺。在該實驗臺的基礎上，完成以十六烷基三甲基氯化銨和水楊酸鈉（CTAC/NaSal）作為添加劑的圓管海水湍流減阻實驗測試。圖4 所示為圓管海水湍流減阻實驗效果圖。圖中，ΔP為壓力損失，DR為減阻率，Q為體積流量。實驗中，雷諾數最高可達5×104，與真實水炮管路系統中的流動雷諾數相差較大，但本文的目的主要是首先驗證CTAC/NaSal 海水溶液是否具有減阻效應，從而為其今后在真實水炮管路系統中的應用提供重要的理論支撐。

圖4 采用CTAC/NaSal作為添加劑的圓管海水湍流減阻試驗數據Fig.4 Experimental data of seawater tube turbulent drag reduction of CTAC/NaSal as additives

實驗表明，在海水圓管流動中添加CTAC/NaSal溶液有明顯的減阻效果，減阻率最高可達60%，與CTAC/NaSal 淡水溶液的減阻效果相當，可基本確定將典型減阻劑應用于海水同樣具有良好的減阻效用。同時，實驗還發現：在CTAC/NaSal 質量分數為200×10-6和500×10-6海水溶液工況中，同樣存在最佳減阻率。這主要是因為流量越大，流動剪切力越大，從而引起CTAC/NaSal 的剪切誘導結構被破壞，使得減阻效果下降。

3 某公務執法船水炮系統及水力建模

3.1 某型公務執法船水炮系統

圖5 所示為國內設計的7XX 公務執法船水炮系統原理圖。圖6 所示為水炮外形圖（圖中數值單位：mm），其中消防炮為SS300EL 型，柱噴嘴1500-13 型。水炮系統設計流量為1 500 m3/h，射程為150 m，功率約750 kW，進口壓力為1.3 MPa。水炮系統管路的組成相對簡單，是從海底通海閥經過濾器，配合水炮水泵變徑，然后通過水泵輸入能量以后，再經管路繼續上升至羅經甲板。海水管路通徑為DN400，在羅經甲板分成兩舷，縮徑為DN200，連接水炮裝置，兩舷水炮通常不同時使用；在整套管路上配置必需的閥門，通常采用的是流動阻力較小的蝶閥形式。

圖5 7XX 公務執法船水炮系統原理圖Fig.5 Schematic diagram of water cannon system of 7XX law enforcement vessel

圖6 水炮外形及出口尺寸圖Fig.6 Dimension drawing of water cannon's outlet and configuration

水炮的功率較大，約為750 kW，因此通常無法采用輔助柴油發電機供電的型式，需要利用主機齒輪箱自由端，通過軸帶泵的型式，或者是采用獨立水炮柴油機直接驅動。如果通過增大原動機的型式來提升水炮能力，柴油機、水炮水泵、油柜等設備的增大將會極大地增加總體布置的負擔；另一方面，若不增加海水管路的通徑，流動阻力的增加將會極大地抵消原動機的能量，而若增大海水管路通徑，無論是在布置上還是重量上都會進一步增大總體布置的難度。

通常水炮對抗過程作用時間較短，故在流量和射程方面占劣勢的一方會主動退出。因此，通過添加具有減阻效果的物質在短時間形成“興奮劑”效果，以提高水炮射程和流量是一種具有潛力的發展方向。

3.2 水炮系統水力建模

因水炮系統的實驗系統龐大，同時耗資較大，故可先通過模擬的形式分析系統效能。通過FLOWMASTER 軟件建立水炮系統水力模型。根據水炮系統原理圖及實際放樣情況，對每段管段的長度和通徑賦值，并添加局部阻力件（閥門、彎頭、漸變徑），設定水泵元件流量及揚程，建立水炮系統管網模型。模擬的基本思路是：通過對7XX公務執法船水炮管路的設計，賦值各水力環節，驗證水炮系統的設計性能是否符合實船要求，進一步將減阻劑的減阻效果賦值，然后利用實驗中測得的沿程阻力、局部阻力減阻效果，再次進行模擬，對比減阻劑添加前后水炮的性能，從而對減阻劑水炮系統的減阻增效效果進行預報。

3.3 局部阻力處理

已通過圓管管路海水減阻實驗驗證了CTAC/NaSal 減阻劑對于海水的有效性。管路阻力損失由沿程阻力及局部阻力2 部分組成。其中沿程阻力為長直圓管流動阻力，局部阻力由彎頭、變徑、三通和閥門等局部構件產生，在流動過程產生的阻力中，這些局部構件有著不可忽略的占比，在水炮系統的管路阻力中，局部阻力同樣為系統管網阻力的重要組成部分。

研究表明，表面添加劑作為減阻劑，對于沿程阻力有非常好的效果，對于局部阻力也有一定的效果，但相比沿程阻力其效用還有一定的差距［15］。由于局部阻力的減阻效果有限，同時，海水與淡水的減阻效果基本相當，因此，在本模型中，綜合考慮尺度放大問題，利用淡水的局部阻力數據為管段賦值，推斷本水炮系統的減阻增效能力。在90°彎頭和變徑管內的流動減阻實驗中，采用CTAC/NaSal質量分數為800×10-6的淡水溶液（CTAC 與NaSal的質量比為1∶1），溶液溫度14 ℃［16］。圖7 所示為加入添加劑前后90°彎頭內的靜壓壓力損失結果［16］。結果顯示，“D=40 mm，ξ=0.01”（D 為管路通徑，ξ為表面粗糙度）工況下的減阻效果要優于“D=20 mm，ξ=0.01”工況，這充分說明減阻效果不僅和雷諾數Rew有關，還和管道尺寸存在一定的關聯，該現象稱為“管徑效應”。然而，水炮系統的管道彎頭直徑要遠大于圖7（b）中實驗所用的彎頭直徑，其流動狀態改變不劇烈，類似于緩慢變化的直管段，故添加劑作用于水炮系統彎頭上應同樣具有一定的減阻效果。

圖7 實驗所測不同規格90°彎頭加減阻劑前、后靜壓損失（局部阻力）［16］Fig.7 The static pressure loss with and without drag reduction additive of 90°elbow bend for experimental measure（local resistance）［16］

圖8 顯示了加入添加劑前、后變徑管內的流動減阻效果［16］（圖中，d 為變徑管通徑）。結果顯示，在這2 種規格的突縮管內均存在較強的減阻效果。在水炮系統中，變徑管均為漸變變徑，相對于突變變徑其可以有效減小變徑帶來的局部阻力系數。已通過實驗得到突變變徑在一定濃度減阻劑下的減阻效果，這對水炮系統所用漸變變徑在減阻劑作用下的減阻效果具有一定的指導作用。水炮系統的變徑較長，近似直管，故認為加入添加劑后具有一定的減阻效果。

水炮系統中閥門多為蝶閥，由蝶閥的原理可知，在閥門開度全開的情況下，流體經過蝶閥的流動可近似為碟片兩邊的局部變徑或分叉流動，局部阻力較小，同時由于作用時間較短，添加劑對蝶閥的減阻效果不明顯。

圖8 實驗所測不同規格和類型的變徑管加減阻劑前、后靜壓壓力損失（局部阻力）［16］Fig.8 The static pressure loss of variable diameter tube with and without drag reduction additive for experimental measure（local resistance）［16］

通過以上對于水炮系統沿程和局部阻力的分析，下面將對水力模型賦值，模擬研究水炮系統減阻增效的效果。

4 水炮系統減阻增效預報結果

首先，通過水力模型分析原始水炮系統各環節的流動及阻力情況，其結果如表1～表4 所示。彎頭局部壓損在管路阻力損失中占比最大，局部阻力損失是水炮管網的主要矛盾。如前所述，減阻劑更擅長在沿程阻力中發揮效用，不過在局部阻力部件（例如，大管徑彎頭等）中，也具有一定的減阻效果。

表1 系統添加減阻劑前的管道壓力損失Table 1 Frictional resistance without surfactant additives

由表1～表4 的統計可知，水炮系統的壓力損力總計約746.2 kPa。在流速為5.2 和16.2 m/s 管段，阻力的占比最大，且這2 個流速出現在2 個不同的連續區域，因此，提出分段式添加劑加注方法。各管段內添加劑的減阻性能與該管段內的速度有關，而添加劑兩級加注系統就是為了使各管段內的表面活性劑濃度達到與其主流速度相對應的濃度。經計算，得出系統內流動損失占比較大的管段流速分別為5.2 和16.2 m/s，為此，主要針對這2 個流速區添加相應濃度的表面活性劑，并采用兩級加注方案，注入點分別為水炮水泵之后的位置以及DN400 主管變為2 只DN200 管的位置。由于存在管徑效應，不同管徑下的最佳表面活性劑濃度不同，同時，類似于水炮系統的此類高雷諾數減阻實驗也未曾嘗試過，因此，2 個目標速度下的添加劑濃度均按經驗給出，且主要用于壁面減阻。經計算，得5.2 m/s 流速對應的表面活性劑的質量分數為1 400×10-6，16.2 m/s 流速對應的表面活性劑的質量分數為2 500×10-6。

表2 系統添加減阻劑前的彎頭局部壓力損失Table 2 Local drag without surfactant additives（elbow）

表3 系統添加減阻劑前的蝶閥壓力損失Table 3 Local drag without surfactant additives（butterfly valve）

表4 系統添加減阻劑前的變徑壓力損失Table 4 Local drag without surfactant additives（variable diameter）

在此添加劑濃度的基礎上，基于管網模型，利用減阻劑沿程阻力及局部阻力試驗數據，修正管網各環節的阻力系數，從而模擬添加了減阻劑后水炮系統的水力性能。模擬結果表明，系統管路的總阻力可減小約25%～40%。

圖9 所示為加注不同濃度減阻劑工況（分別為未加注減阻劑，以及加減阻劑后減阻效果為20%，25%，30%，35%和40%）下的管路沿程水頭曲線。水炮系統管路尺寸較大，由于存在管徑效應，相同的表面活性劑減阻溶液在不同尺寸管路系統中得到的減阻效果不同，因此，添加了減阻劑的管路其減阻效果存在±10%的不確定度。總而言之，添加減阻劑后，減阻效果在20%～40%之間是比較有把握的。表5 詳細列出了減阻能力為20%～40%時水炮系統出口工況及垂直射程。

圖9 添加減阻劑后水炮管路沿程水頭曲線Fig.9 Waterhead of water cannon pipeline with drag reduction additive

表5 減阻能力為20%～40%時水炮系統出口工況及垂直噴射距離Table 5 Outlet condition and vertical spray distance of water cannon system while 20%-40% drag reduction occurs

由以上結果可以看出，通過增設表面活性減阻系統，水炮系統出口處的垂直射程得到了明顯增加。即使系統減阻率取模擬結果的下限，即20%，系統出口處的垂直射程也增加了15 m，效果非常顯著。以30%的減阻率作為本方法及模擬研究的標準工況與結論，此時水炮的垂直射程為127.7 m，水炮射程增加了約20%，流量增加了8%，水炮系統打擊力顯著增強，可取得局部對抗優勢。

5 水炮系統減阻增效添加劑注入方案

各管段內添加劑的減阻性能與管段內的主流速度有關，如前所述，添加劑兩級加注系統就是為了使各管段內的表面活性劑濃度達到與其主流速度相對應的濃度。通常，水炮對抗時間較短，設定水炮強化增效工作15 min，總流量為500 m3，一級加注需要表面活性劑700 kg，二級加注需要表面活性劑550 kg。若整個系統都達到目標減阻濃度，因加注量非常大，故只能考慮采用狹縫注入和同步配置溶液的方式。本文擬在一級注入系統處沿管件環狀開10 個狹縫篩孔，采用柱塞泵壓力注入方式注入表面活性劑溶液，以盡量提高注入溶液濃度，從而保證溶液儲罐較小。

由于采用標準濃度溶液儲罐的形式將占據非常大的艙容，故采用了濃溶液儲罐。首先通過全船冷卻海水系統引入海水，然后采用攪拌器同步配置溶液至指定濃度，進而通過泵注入水炮管路系統。具體實施方式擬定為每一級加注使用2 個容積為1.0 m3的儲罐交替注入和配置。具體配置時間視攪拌效率而定，若攪拌效率高，可進一步減小儲罐容積。二級加注系統方案與一級加注系統方案相同，同樣為2 個容積為1.0 m3的儲罐。鑒于對溶液儲罐容積及防腐的要求，需采用不銹鋼制儲罐。考慮到要維持溶液的有效性，采用柱塞泵來實現對配置后減阻劑濃溶液的系統加注。具體實現型式的原理圖如圖10 所示。

6 結 語

1）水炮系統作為公務執法船水面對抗系統的主要配置，使用頻率高，其射程及流量在執法對抗中起著決定性的作用。圓管海水湍流減阻試驗表明，典型的減阻添加劑對于海水管路系統同樣有效，將添加劑減阻技術應用于水炮系統對抗領域的創意具有良好應用潛力。

2）基于表面活性劑對于粘彈性流體流動過程的減阻效應，模擬研究表明，系統能夠在15 min的效用強化期內使水炮射程增加約20%，流量增加約8%，實現了水炮系統短時間“興奮劑”的強化效用。

3）對水炮減阻增效系統方案進行了設想，即利用4 個1.0 m3的溶液儲罐，采用兩級減阻劑夾縫篩孔自動注入系統，生成/注入交替進行。在水炮系統運行過程中，利用柱塞泵伴隨添加相應流量的減阻劑，可降低海水—管路湍流流動阻力。

4）目前，典型水炮系統在雷諾數下的海水流動沿程、局部阻力實驗數據還不完整，并且尚未開展典型的活性劑海水—空氣摩擦阻力實驗研究。同時，還應注意尺度效應及尺度放大方法對數值模擬預報結果準確度的影響。下一步，將在縮比實驗研究的基礎上進一步修正模擬方法，測試流動阻力數據，進一步論證加注實現型式。

圖10 基于添加劑減阻技術的水炮系統原理圖（兩級添加）Fig.10 Schematic diagram of water cannon enhancement system with two-stage drag reduction additive injection