水下航行體減阻技術綜述

2023-03-27 01:36:32崔乃剛曹伽牧白瑜亮

宇航總體技術 2023年1期

崔乃剛，陳亮，曹伽牧，白瑜亮

(哈爾濱工業大學航天學院，哈爾濱 150001)

0 引言

空/水跨介質飛行器近期受到廣泛關注，飛行器經空中飛抵目標水域后高速入水，對目標實施快速打擊，可大幅提高攻擊隱蔽性，提升突防能力。水下航行過程中，航行體固/液界面阻力不僅嚴重影響航行速度，還可引發航行體迎、背水面側向力不平衡。兩側受力不均會使航行體質心之上產生側向合力并形成縱傾力矩，從而導致航行體失穩[1-2]。此外，在復雜來流環境下的固/液界面繞流流場變化劇烈，導致流體動力及載荷產生強烈變化，極易引起航行體結構破壞或姿態失穩。因此，減小航行體表面阻力干擾、繞流流場優化是保障水下高速穩定航行的關鍵[3-5]。研究表明一些減阻技術對于減小阻力及緩解航行體失穩具有明顯作用。深入研究水下固/液界面減阻技術對于提高水下航行體航行速度和穩定性具有重要意義。

為了探索可用于水下高速航行體的減阻方法，本文對微結構減阻、超疏水表面減阻、超空泡減阻和微氣泡減阻4種最具代表性的減阻方法進行了詳細的闡述，分析了各減阻方法的機理和應用可行性，探討了未來水下高速航行體減阻技術的發展方向。

1 微結構減阻

1.1 微結構減阻研究簡述

表面微結構減阻技術是一種憑借改變物體表面微結構形狀實現減阻的技術。微結構設計思路起初大多來自海洋生物表皮結構，人們通過觀察劍魚、鯊魚等能在水下快速移動的生物，發現它們的表面具有粗糙的特殊微結構。人們通過模擬這些生物皮膚表面的微結構實現固/液界面的減阻效果，進一步通過實驗和仿真對微結構的形態、分布、幾何參數以及相應減阻機理進行了大量的研究。20世紀80年代起，NASA以航空器為研究對象，通過大量的試驗研究解釋了突出高度理論等溝槽條紋減阻機理，并且得出了溝槽條紋最多可以產生約8%減阻效果[6]的結論。Bacher等先后在1985年和1997年提出了二次渦理論和肋條高度為相鄰肋條間距的1/2時有最佳減阻效果[7]的結論。隨著3D打印技術的興起，2014年，Lauder課題組利用3D打印技術復制了鯊魚皮結構并制作了一個含有打印鯊魚皮的游動裝置，并發現其游動速度相對于平常的游動裝置提升了6.6%[8]。

最典型的減阻結構是復制鯊魚表皮的齒結構，鯊魚體表的齒結構稱為盾鱗(placoid scales)。盾鱗的長度通常為100～200 μm，肋條間的寬度為50～100 μm。盾鱗上的這種肋條結構能夠優化鯊魚體表流體邊界層的流體結構，抑制和延遲紊流的發生，有效減小水體阻力[9]。這種齒結構由外層和內層組成：外層由琺瑯質構成，內層為堅硬的骨骼結構，共同構成一個復雜的脊狀3D系統[10]，不同身體位置的帽頭鯊皮膚表面的環境掃描電子顯微鏡圖像如圖1(a)所示。通過改變齒的角度、形狀及尺寸，可獲得不同的減阻效果，依此即可對表面齒結構進行優化以達到更優的減阻效果。目前，通過制造鯊魚皮表面齒結構來實現減阻已取得了較為可觀的成果。如Qin等[11]的研究得出：這種優化的鯊魚皮齒表面結構相對平盤結構能夠實現36.7%的減阻效果。然而鯊魚表皮的齒結構復雜，難以大規模生產，因此采用簡化齒結構是一個可行的方案。這種簡化的齒結構截面形狀包括三角形、梯形、圓形、矩形、波浪形、V形等[12-14]，如圖1(b)所示。這些微結構的形狀和尺寸等特征參數同樣會影響其在一定的條件下(如流體介質和流體速度)的減阻能力[15]。目前設計比較成功的簡化齒結構有V形[16]、波浪形[17]、球形[18]等，均取得了與鯊魚皮齒結構類似的減阻效果。

除了鯊魚之外，其他海洋生物的表皮結構也具有很大的參考價值。如歐洲黑鱸，其鱗片結構(如圖1(c ))可以保持魚體表面的層流效果以減小體表摩擦阻力[19]。Rong等的研究即參考該結構，取得了可觀的減阻效果[20]。另外，河豚體表的刺狀結構也被用來作為減阻結構的參考，該結構(圖1(d))具有可通過產生回流渦減小黏滯阻力的特點[21-22]。在此基礎上，Zhou等[23]的研究發現錯開排列、高度為0.2 mm的刺狀結構減阻效果最好，其表面阻力比平面結構的小5.9%。為進一步提高傳統簡化仿生表面結構的減阻率，Wang等[24]提出了一種在傳統矩形槽微結構之間嵌套小槽結構，旨在改善傳統周期性單層槽表面結構的性能，如圖1(e)所示。最終發現，這種結構與傳統的溝槽表面結構相比，表面積進一步減小，最大減阻率達到18.76%。Lin等[25]參考海豚紋設計出了另一種層次式褶皺結構，這種結構上的大小褶皺相互垂直，如圖1(f)所示。由于平行于水流流動方向的大褶皺可以減小黏性阻力，垂直于流動方向的小褶皺可以顯著減小大褶皺引導的壓力阻力，兩者的協同作用可使減阻率達到8.6%。

(a) 鯊魚皮仿生表面齒結構[8]

(b) 簡化鯊魚皮齒結構[14]

(d) 河豚體表刺結構[21]

(e) 單層槽表面結構[24]

(f) 層次式褶皺結構[25]

1.2 表面微結構減阻機理

為設計更有效的減阻結構，關于微結構減阻的理論支持是必要的，各種微結構減阻機理也被提出。在湍流中，當動物或物體在流體中快速移動時，會產生渦流，從而導致阻力增大。但溝紋表面剪切應力小于光滑表面的現象引起了學者們的關注。Bechert等[26]提出的突出高度理論強調在縱向流源和橫向流源之間存在突出高度差，從而增加溝槽對橫向流的束縛和對動量傳遞程度的限制，減小壁面剪切應力。另一方面，Bixler等[2]認為溝槽促成的各向異性流動和渦流在近壁面邊界層的抬升是摩擦阻力減小的原因之一。Choi等[27]的數值模擬結果表明，微結構減阻機理是溝槽的微間距限制了那些接觸高速流體的區域，如圖2(a)所示。此外，Fu等[28]認為邊坡表面的黏滯阻力減小是由于回流現象的存在，如圖2(b)所示，這一觀點也得到了相關實驗的驗證。但到目前為止，還沒有完整的理論和實驗能夠全面揭示微結構減阻機理，微結構減阻機理的研究仍有待深入。

(a)溝紋增阻與減阻機理[27]

(b)展開向溝槽減阻機理[28]圖2 表面結構減阻機理示意圖Fig.2 Schematic diagram of the surface structure drag reduction

1.3 表面微結構減阻的應用展望

表面微結構減阻法受到了各國科研工作者和工業界人士的關注。目前，基于鯊魚、海豚等生物的表面微結構，設計者采用了多種制造技術，已制備多種不同的減阻微結構，并獲得良好的減阻效果。Oeffner等[29]使用了一種撲翼箔設備來精確測定由鯊魚皮表面微結構制成的剛性和柔性膜狀箔片的自推進游泳速度及其運動性能。結果表明鯊魚皮表面微結構增強了前緣吸力，能夠有效增強推力，并減小阻力。目前，鯊魚皮表面微結構已實際應用于泳衣中。然而，表面微結構減阻法在剛性表面的應用仍面臨挑戰，對于一些復雜的應用情況，尤其是水下高速航行減阻應用方面仍然存在許多問題[30-31]，微結構的壽命及穩定性尚不足以支持該類應用需求，還需要開展更廣泛、更深入的研究，短期內難以實現在水下高速航行體上的應用。

2 超疏水表面減阻

2.1 超疏水表面減阻研究簡述

一般以表面與水滴的接觸角大于150°作為評判超疏水表面的依據[32]。超疏水表面在20世紀初被發現，直到1997年，Neinhuis等[33]、Barthlott等[34]才對“荷葉效應”進行了深入解釋。自此，對自然界中超疏水現象的觀察引起了人們的興趣與關注，如圖3(a)所示[35]。隨著超疏水表面技術的不斷發展，在流體減阻方面的應用引起了研究者的極大興趣。

研究者對形貌有規律的超疏水表面進行了大量的研究，制備和測試如圖3(b)和(c)所示的微槽和微柱[36]，這有助于從物理角度理解表面形貌與流體流動行為之間的關系。當水在微/納米結構的超疏水表面流動時，超疏水表面上的水滴無法填滿粗糙表面上的凹槽結構，在流動的水下方仍有空氣存在，水滴和超疏水表面的接觸面實際上是固液氣三相接觸面，如圖3(d)所示。超疏水表面氣膜的存在是減阻技術生效的必要前提，在此條件下超疏水表面和液體之間可產生一定的滑移速度，即滑移現象(如圖3(e))，最終導致減阻效果的實現(如圖3(f))。但實際情況下氣膜會受到多種環境變量影響而消失，因此大多數超疏水減阻技術的研究成果僅僅在實驗室條件下有效[37]。

(a) 荷葉的超疏水現象[35]

(b) 形貌有規律超疏水表面示意圖[36]

(d) 超疏水表面液滴潤濕狀態

(e) 滑移表面與傳統無滑移邊界對比

(f) 超疏水表面滑移流動示意圖3 超疏水表面形貌及滑移流動示意圖Fig.3 Superhydrophobic surface morphology and slip flow diagram

Henoch等[38]在2006年測量了一組由納米級微柱組成的超疏水表面阻力變化，結果顯示層流減阻率可達50%，湍流減阻率僅為10%。Woolford等[39]在2009年通過粒子圖像測速儀(PIV)研究發現具有縱向溝槽的超疏水表面產生的湍流比光滑表面少約11%，而具有橫向溝槽的超疏水表面產生的湍流比光滑表面增加了6.5%。同年，Daniello等[40]發現改變超疏水表面的槽隙寬度w，雖然在層流區沒有明顯的減阻效果，但在湍流區有明顯的減阻效果。隨后，Park等[41]在2014年采用硅微光刻工藝，在浮動元件和彎曲梁上整體制作了具有縱向溝槽的超疏水表面，減阻率得到了顯著提高。另一方面，Van Buren等[42]在2017年測試了一個帶有縱向凹槽的超疏水表面對應的摩擦扭矩的變化，研究發現在雷諾數范圍內，減阻率一般隨雷諾數的增加而增大，然而這一趨勢隨著槽寬w的變化而變化。最近，Xu等[43]在2021年使用具有相似縱向凹槽的超疏水表面，在高速拖曳水池實驗中減阻率可達30%。

雖然有序的形貌可以更清晰地顯示形貌與流體流動行為之間的關系，但目前在實際工程中還無法在相對大的體表面積上制備這樣有序的超疏水表面。因此，許多研究人員制備了形狀和粗糙度隨機分布的超疏水表面，并在各種流動條件下進行了測試，如圖3(c)所示[36]。Zhao等[44]在2007年采用陽極氧化法制作了一個大型的鋁制超疏水板，然而沒有在湍流中觀察到任何明顯的減阻效果。2013年，Aljallis等[45]在大型鋁板上應用了一種可噴涂的疏水二氧化硅納米顆粒涂層，在高速拖曳槽中減阻率約為30%。Zhang等[46]在2015年測量同一類型超疏水表面減阻率為10%～24%。Ling等[47]在2016年使用數字全息顯微鏡測量了幾個具有不同隨機紋理特征的超疏水表面在湍流中的阻力，在有明顯滑移速度的情況下，減阻率約為35%。

2.離子交換膜對離子遷移的限制作用。如,電解池中有陽離子交換膜時,陰離子的移動就受到了限制,有質子交換膜時其他離子的移動就受到了限制。離子交換膜的這種特征在工業上有廣泛應用。

到目前為止，超疏水減阻在層流和湍流流動中都被證明是有效的，而且通過恰當的設計可以獲得顯著的減阻率。因此，各種關于超疏水表面減阻的機理也受到學者們的極大關注。

2.2 超疏水表面減阻機理

從超疏水表面減阻的應用研究可以看出，超疏水表面減阻的實現在很大程度上取決于表面微結構的設計，微觀結構中的斥水和滯留空氣是實現超疏水表面減阻的主要原因[48-51]。為了進一步明確機理，在分析中常常采用實驗和數值模擬兩種方法。但由于在實驗過程中難以測量或控制氣液界面，因此對超疏水表面湍流減阻機理的研究主要采用數值模擬的方法。典型的方法是將超疏水表面模擬為固液界面和氣液界面組成的具有定向或非定向滑移的水平壁面。結果表明層流中剪切阻力的減小是界面處的速度滑移引起的[52-53],見圖4(a)[54]。另外，Park等[55]、Min等[56]、Busse等[57]、Jelly等[58]的數值研究也揭示了近壁湍流會在超疏水表面被顯著抑制，見圖4(b)，所以在湍流中也展現出良好的減阻效果。

(a) 超疏水表面上層流示意圖[54]

(b) 超疏水表面湍流抑制[55]圖4 超疏水減阻機制Fig.4 Superhydrophobic drag reduction mechanism

根據上述理論，模型的數學表達式和機理解釋也被提出。典型的例子是Choi等[50,59]用bslip和h計算Couette流和Poiseuille流的減阻(DR)的表達式，分別為此外，Dong等[60]利用牛頓黏性定律中的假設對滑移邊界理論進行了解釋。

(1)

(2)

(3)

到目前為止，大部分理論仍無法通過實驗得到驗證，也無法證明其準確性。因此，超疏水表面的減阻機理仍有待完善。

2.3 超疏水表面減阻的應用展望

超疏水表面減阻法是一種在液固界面相互接觸時捕獲氣膜的減阻方法。目前，研究人員對該技術進行了大量研究，制備了不同超疏水表面微結構，取得了一定進展。Zhang等[61]通過對超疏水表面摩擦阻力的直接測量，在實驗標定的范圍下，表面阻力減小了75%，證明超疏水結構能夠減小湍流中的摩擦阻力。此外，眾多科研工作者制備了各種具有特殊微/納米結構的超疏水表面，并且自清潔[62]、抗生物污染[63]、抗結冰[64-65]、油水分離[61]等不同功能被不斷發現和應用在超疏水表面。將超疏水減阻技術與表面微結構減阻技術相結合也是將來超疏水技術的重要應用。2022年，Zhang等[66]制作出具有超疏水表面的植絨樣品,其減阻率達到28%，同時樣品在約1.6 kPa的表觀壓力下經受了超過500次的砂紙磨損循環，且無顯著的超疏水性能衰減。然而，由于實際條件中許多環境變量會對超疏水表面氣膜產生很大影響，大多數超疏水表面減阻成果僅僅在實驗室條件下有效，無法進行實際應用[45]。此外，對于水下航行器、跨介質武器等復雜應用情況，在水流剪切的作用下超疏水表面捕獲氣膜將快速流失，導致減阻性能喪失，甚至會帶來增阻效果[67]。因此，超疏水表面減阻技術在實際應用上還需進一步的深入研究。

3 超空泡減阻

3.1 超空泡減阻研究簡述

超空泡減阻是指水下航行體表面形成空氣包覆層，將固/液界面轉化為固/氣界面，使表面張力大幅度減小，達到超高速航行的目的。為保證低表面摩擦阻力和低壓力阻力，須同時考慮殼體形狀和空化器的形狀，超空泡的主要流型如圖5(a)所示[68]。

超空化一般可分為自然超空化和通氣超空化兩大方向。自然超空化是指自然汽化形成的超空化現象，一般需要物體具有足夠大的運動速度(>50 ms-1)或來流具有足夠小的靜水壓力，從而使得物體的空化數σ小于航行體物面(除駐點及駐點附近外)最大壓力系數的絕對值|Cpmax|，便會發生自然超空化現象。自然超空泡物理實驗多以小型子彈為實驗對象，雖然小型子彈實驗的設備要求相對較低，但在全尺寸水下潛射航行體上實現超空化和維護是相當困難的。因此這種方法在實際中很少使用。

通氣超空化指通過通氣注入形成超空化，由于實現超空泡所需的速度要小得多，因此研究范圍很廣[69]。通氣超空化的發展過程如圖5(b)所示，從在空化器處形成的氣泡到橢球形的部分空化，最后過渡到超空化[70]。通氣超空化的制備方法可分為3種，如圖5(c)所示。第一種方法是利用空氣噴射裝置將氣體從物體頭部向液體流動方向噴射。在這種情況下，氣體壓力必須大于物體頭部靜止點處的液體壓力，氣體速度必須大于液體流速的28倍。第二種方法是利用液體噴射裝置將液體從物體頭部向流動方向噴射，同時向滯止區注入氣體。該方法是基于尾壓完全恢復產生推力的理想條件，將物體頭部的靜力點轉移到流體中。第三種方法是在物體高速運動時，當空化發生在空化發生器的鋒利邊緣時，向被分離部分注入空氣，產生穩定、平滑的空化現象。當超空泡完全形成時，可以在物體的任何部位補充空氣，這是目前實現超空泡最常見的方式。

(a) 超空泡的主要流型[68]

(b) 通氣超空化的發展過程[70]

3.2 超空泡減阻機理

超空泡減阻的主要機理是將固/液界面轉變為固/氣界面，從而使黏度降低，摩擦阻力也隨之大幅減小。并且，氣相速度梯度越小，切應力也越小。與此同時，隨著空化數σ值的降低，空腔內分散液滴體積比逐漸變小，空泡厚度變薄，導致切向動量進一步減小。超空泡具有優異的減阻性能，減阻率為90%以上。對于圓錐體空泡發生器，當空化數σ=0.01時，減阻率可達95%；當σ=0.000 1 時，減阻率可達99.9%[71]。

3.3 超空泡減阻的應用展望

超空泡減阻通過轉換界面狀態的機理來有效減小表面阻力，為驗證這一結論，Zhang等[70]通過一系列彈丸和水隧道進行了實驗以研究超空泡形狀特征并描述了自然超空化和通氣超空化的演化規律，得到了自然空化的渦旋頻率。周景軍[72]通過建立均質平衡流動框架，二次開發語言CEL嵌入了4種經典的空化模型，并通過實驗數據對空化模型進行了選擇，實現了對超高速及超聲速自然超空泡流動的數值模擬，對通氣超空泡的一系列基本問題進行了研究，將實驗和數值仿真技術相結合，可以大大加快超空泡流動的研究步伐。

超空泡技術主要是應用在水下航行體減阻提速上，利用超空泡技術研制的水下武器，突破了傳統水下兵器的運動極限，從根本上改變了原有的武器格局[72]。但是自然超空泡生成前提是要有足夠大的速度，對于較大型的水下航行體，如魚雷、潛艇，由于目前推進技術的限制，很難達到需要的高速，因此目前自然超空泡減阻技術主要用于體積較小且長細比很大的水下航行體，如高速射彈[72]。超空泡射彈水下運動過程涉及復雜的超空泡流動問題，如射彈的彈丸與超空泡空腔之間的強相互作用導致了非線性力和記憶效應，因此射彈具體運動較難控制，其穩定性機理也十分復雜[73]。與超空泡彈丸穩定性相關的主要問題可以概括為：1)超空泡空腔的產生和維持；2)射彈彈丸質量的平衡[74]。目前研究人員多考慮尾拍力和空泡形態的變化，建立超空泡射彈的尾拍運動學方程，從而解釋其具體的運動機理[75]。對于通氣超空泡，一般是在水洞中進行研究，在低速的情況下對模型利用外接氣源通入氣體的辦法獲得超空泡，水洞中通氣超空泡的研究一般在20 m/s以下的速度進行[76]。通氣超空泡的形成及潰滅機理較復雜，且航行體受到外界干擾姿態發生變化時，航行體部分沾濕會受到很大的尾拍力矩影響，其長航時姿態穩定控制存在很大難度。另外，2022年，Jia等[77]將超空泡減阻技術與超疏水減阻技術相結合，研究了疏水和親水涂層彈丸的超空泡特性：在相同水深和空化數下，疏水彈丸的阻力系數較親水彈丸可減小20%～40%，此外，觀察到不同水深下，疏水涂層彈丸的彈道穩定性優于親水涂層彈丸。因此，超空泡減阻技術與其他減阻技術結合運用也是重要的發展方向之一。

4 微氣泡減阻

4.1 微氣泡減阻研究簡述

關于微氣泡減阻的研究始于空氣潤滑理論，即通過人為的方式在壁面形成一層氣泡與流體的混合層，通過改變近壁面流體的流動特性，減小黏性阻力，最終達到減小摩擦阻力的目的。國內外對于微氣泡減阻的研究重點采用先進的測量技術(如激光測速、總阻力測量、表面熱模探頭等壁面應力測量技術)，研究微氣泡對湍流邊界層特性的影響、微氣泡減阻的效果及影響因素、產生微氣泡的方式等內容。

早在18世紀，國外學者就已開始進行類似微氣泡減阻的實驗。但由于氣膜在航行體表面厚度的不可控性，氣液交界面不穩定，研究的重點逐漸從這種氣膜減阻轉移到微氣泡減阻。McCormick等[78]的實驗開啟了有關微氣泡應用于水下減阻的研究，其利用回轉體表面電解產生的氫氣氣泡進行微氣泡減阻實驗，在低速時氫氣微氣泡減阻可高達50%。1984年，Madavan等[79]通過在多孔壁中注入微氣泡實現了局部摩擦阻力的大幅減小，約為80%。2011年，Vakarelski等[80]利用萊頓弗羅斯特效應的熱方法在球體表面產生連續而堅固的潤滑蒸汽層，如圖6(a)所示；隨后產生劇烈的氣泡，如圖6(b)所示，該種方法減阻率超過85%。Jamaluddin[81]在微氣泡對高速航行體的減阻特性方面進行了實驗研究。通過電機牽航行體模型的方法模擬微氣泡在航行中達到的減阻效果，可實現相對傳統微氣泡方法進一步減阻9%的效果。

(a) 在球體周圍流動的薄蒸汽層

(b) 球體表面產生劇烈的氣泡[80]

2014年，Jagdish等[82]對微氣泡在平板表面的駐留現象進行了實驗，發現在層流條件下使用激光加工出微小表面結構的疏水表面可使微氣泡穩定駐留在平板表面，如圖7所示。研究得出，微氣泡減阻并不需要持續注入微氣泡，這有助于進一步降低能量消耗。2017年，Du等[83]進行了疏水表面的微氣泡停駐實驗。發現通入微氣泡后，微氣泡會覆蓋表面，即在表面形成一層薄的駐留氣膜。在具有氣膜的邊界層內，渦強度、剪切應力均明顯下降，并取得了可觀的減阻效果。

(a) 低速狀態

(b) 中速狀態

為進一步優化微氣泡減阻效果，各種關于微氣泡減阻的機理也被提出。通過減小摩擦系數、減小周圍液體的密度或減小固體與周圍液體接觸的表面積可以實現減阻，并且流體密度的減小、氣泡懸浮黏度的增加、湍流結構的改變會影響微氣泡減阻的效果，在此基礎上眾多研究人員提出了微氣泡存在下的黏性系數計算模型與邊界層模型。

4.2 微氣泡減阻機理

目前對微氣泡減阻的理論研究同樣存在實驗先行、理論滯后的特點。多數理論分析還僅限于平板和管道流。主流的方法還是通過減小摩擦系數、減小周圍液體的密度或者減小固體與周圍液體接觸的表面積實現減阻。在邊界層內注入空氣會形成含有氣泡和水的流動，這會降低液體的密度和黏度并改變流體在壁面邊界層流動結構形成氣液兩相流，從而減小黏性阻力[84]，即實現微氣泡減阻，如圖8所示。還有理論研究表示，由于氣泡的揮發性，在流體中施加剪切力產生的功一部分會轉化為變形能，從而減少了減阻過程的能量損失。

圖8 用于減小摩擦阻力的不同氣泡減阻技術[84]Fig.8 Different bubble drag reduction techniques for reducing frictional resistance[84]

微氣泡減阻機理的分析主要在于邊界層結構的變化，微氣泡對邊界層結構至少有兩個方面的影響：第一，微氣泡可改變流體局部有效的黏度和密度，從而改變局部湍流的雷諾數；第二，微氣泡可直接影響湍流邊界層結構，使附壁區的流動發生變化。Legner[85]提出了一個簡單的剪切應力模型來解釋湍流邊界層注入微氣泡后的減阻作用，將微氣泡減阻歸為3個因素的結果：流體密度的減小、氣泡懸浮黏度的增加、湍流結構的改變。Madavan等[86]采用了混合長度理論的湍流單方程模型，通過用氣泡濃度表達黏度和密度的局部變化來模擬氣泡運動，得出了微氣泡存在下的黏性系數計算模型與邊界層模型。

目前，微氣泡減阻研究還存在著明顯的缺陷。首先，覆蓋在航行體表面的氣泡不穩定，容易產生裂紋從而擴大阻力和噪聲，而如果氣泡太小，所需的減阻效果就無法實現。此外，航行體表面覆蓋的微氣泡主要是電解水產生的氫氣和氧氣泡，對電能的需求和依賴程度很高。在實際中多用于船舶減阻[79]，在水下航行體中的應用仍較少，特別是隨著航行深度的增加，靜壓不斷增大，對氣泡的形成帶來極大挑戰，亟待深入研究。

4.3 微氣泡減阻的應用展望

經過多年的實驗和數值模擬，微氣泡減阻已被證實了有效性和可行性，理論上可將水阻力減小約85%。Song等[87]通過進行微氣泡減阻實驗和數值模擬，分析了微氣泡流動的形貌和微氣泡減阻特性。結果表明注入邊界層的微氣泡可以降低流場中湍流強度從而減小阻力，基于該特性，此技術可用于船舶或水下航行體的減阻研究。微氣泡減阻具有污染小、綜合設施成本相對較低、適用范圍廣等特點，是目前革命性的有效和環保的減阻方式，應用前景廣泛。微氣泡的研究除了集中在船舶減阻之外，還可應用于水下高速航行器和水下射彈等。

5 結語

水下航行體表面繞流流場變化復雜，減小固/液界面阻力是提升水下航行體航速及航行穩定性的關鍵。本文針對4種最具代表性的減阻方法的研究進展、減阻機理及應用前景進行了詳細分析，其中表面微結構及超疏水表面法目前多處于實驗階段，微結構的可靠性目前尚不足以支持航行體水下減阻應用的需求；超空泡減阻法對航行體速度要求極高，適用于高速魚雷等航行體，但存在姿態控制難等問題；微氣泡減阻方法理論減阻率可達85%以上，能確保航行體的高初速與穩定性，在水下發射技術領域有更大的應用潛力，但仍存在水下減阻效果時間跨度小、大水深航行難以實現等問題。目前，提高各種減阻方法的工程實際應用能力仍然是一個有待解決的關鍵問題。為了給工程設計提供更充分的理論指導，不同減阻技術的作用機理仍需要進一步探索。未來水下航行體減阻技術可通過多學科融合的方法進行研究，其中數值模擬也將發揮重要作用。在實際應用中可嘗試采用兩種或兩種以上減阻方法結合的方式達成水下航行體對減阻率、穩定性、抗高壓流場等特定技術指標的需求。