水下减阻技术综述

引言

21世纪以来,海洋领域逐渐成为世界各国的必争之地。我国在拥有着丰富海洋资源的同时,也面临着严峻的海洋安全问题。而水下航行器的投入与使用,在解决这些问题时能起到至关重要的作用。在民用方面,我国主要的海上运输设备是船舶,通过降低船舶的表面阻力能较大地节约运行所需的能源,获得更大的经济效益。在军事应用方面,近几年来国际海洋纠纷时有发生,未来水下航行器的投放使用将会成为我国进行水下资源争夺的重要手段。减少水下航行器在运动过程中的阻力可以提高其航行速度,扩大其活动范围,并能增加航行器弹药的装载数量。

在水下航行器运行过程中,表面阻力是影响其运行速度与运行距离的重要因素。目前航行器在水下运行的过程中需要克服的阻力有两种:兴波阻力和黏性阻力,其中黏性阻力又包括摩擦阻力和压差阻力。兴波阻力是由航行过程中引起的波面水波所形成的阻力。压差阻力一般与水下航行器的流线型有关。摩擦阻力是航行器在水下运行过程中,由于水流的黏性效果而产生的阻力,其在所有阻力中占比最大。

1水下减阻技术概述

水下减阻技术从20世纪30年代起便有科学家开始着手研究,起初科学家是通过降低水下航行器表面的粗糙度来改变阻力的。随着科技的不断发展以及技术水平的提高,越来越多的人不再拘泥于通过改变粗糙度来降低阻力。人们通过对仿生学的研究发现,鲨鱼在水下游动时有很快的速度,科学家通过对鲨鱼皮的研究发现,鲨鱼皮表面有许多突出的微小脊状结构,这些结构可以很好地减小鲨鱼在水下游动时所受到的摩擦阻力,这一发现为水下减阻技术的研究提供了一个新的方向。

目前广为应用的减阻技术分为两种:主动减阻技术、被动减阻技术。主动减阻技术指的是对航行器表面以及边界层内给予一定的物质或能量,通过这些来改变边界层的流畅结构:被动减阻技术指的是通过改变航行器表面的结构从而改变边界层的流场,实现减阻。图1为减阻技术结构图。

图1减阻技术结构图

2主动减阻

2.1柔性壁面减阻

柔性壁面减阻技术源于科学家受海豚的启迪而展开的仿生学研究。20世纪50年代,Kramer用柔性壁面实体模型完成了柔性壁面减阻的实验,得出柔性壁面能推迟边界层中层流向湍流的转换的结论。接着许多科学家都尝试着对Kramer的研究结论展开论证,但都没有取得成功。直至20世纪80年代,Carpenter等对Kramer的分析实体模型实现了剖析,证实了柔性表面的减阻效果,确认了柔性壁面能延迟边界层中层流向湍流转换的理论。接着Cooper等科学家研究了柔性轮盘对边界层转换的危害,结果显示,柔性壁面能使第一类无黏性不稳定性变弱,而针对第二类黏性不稳定性则仅有当表面的柔性提升到一定水平时才有减弱功效。

2.2壁面振动减阻

壁面的周期振动可有效减小壁面的表面阻力,而且壁面振动减阻作为一种主动减阻技术,它不需要信息的反馈,因此近年来愈来愈受到专家学者的关注。目前主要总结出了两种理论对壁面周期振动减阻机理进行解释:一种是流向涡理论,在近壁区域中,流体的下扫事件是产生壁面阻力的重要原因,而壁面做周期振动时可以产生负展向涡,使得近壁处流向平均速度梯度减小,从而阻碍近壁处流向涡的拉伸,减少下扫事件的发生,进而降低表面阻力:另一种为条带机理,即壁面周期振动可以有效减少甚至消除近壁区域的条带结构,从而抑制下扫事件的频率,达到减小壁面表面阻力的效果。

3被动减阻

3.1外形优化减阻

外形优化减阻是指通过改变研究目标的外部形状改变其表面湍流流态。这种方法的减阻机理实际上是使航行器表面更多的部分维持在层流条件下,减少湍流状态。该方法很难一直维持在层流模式,外在因素很容易改变航行器在运行过程中转换点的位置,也就是层流状态变为湍流状态的位置。因此该方法所适用的范围比较小,受外界因素影响比较大,减阻效果不是很稳定。

3.2疏水表面减阻

该减阻方法的研究起源于科学家对荷叶的观察。20世纪90年代有科学家发现荷叶上有一种微小的结构,这种结构可以使水滴在荷叶上滚动而不润湿荷叶,基于这一发现,科学家提出了疏水表面减阻方法。经过不断实验,目前有研究发现这项减阻技术在层流状态下有很好的减阻效果,而在湍流状态下减阻效果相对来讲不太明显。

现在还有众多学者针对湍流条件下该技术是否可以有效减阻进行研究。这种方法的减阻机理是基于滑移长度理论,即水接触表面时,由于存在疏水组织,边界层速度梯度下降,进而减小了剪切应力,达到了减阻的效果。

3.3仿生表面减阻

仿生表面减阻源自科学家对于鲨鱼表皮结构的研究,科学家发现某些动物的表皮存在一种结构,这种结构可以有效减少动物在运动过程中所受到的阻力。鲨鱼表皮在电子显微镜下的扫描图如图2所示。科学家针对这一发现,设计出了类似于动物表皮的航行器非光滑表面。

仿生表面减阻技术只需改变航行器的表面结构,便能达到较好的减阻效果,这不仅能避免航行器对附近海域的污染,还能较为经济、简单地达到减阻效果。

目前,降低槽面阻力的机理可以概括为两种:一种是第二涡群理论,另一种是突出高度理论。

第二涡群理论假设顺流的沟槽与顺流的"逆旋涡对"互相影响,产生与"逆旋涡对"相反的"次级涡",有效地限制了"逆旋涡对"的展向运动,还削弱了它们向上提升低速流体的能力和凝聚力,减少了单位长度低速带的数量,防止了湍流的爆发。通过阀杆,降低了湍流的强度,提高了边界层流体运动的稳定性。这种较弱的湍流破裂过程减弱了湍流边界层的发展,从而改变了边界层中的动量,最终降低了湍流摩擦阻力。

突出高度理论认为流体在表观起点以下的沟槽中流动,如图3所示,大部分被黏性所阻碍,抑制了流动不稳定性,这相当于增加了黏性底层的厚度。凹槽底部的速度梯度最小,峰值处的速度梯度最大,经过拟合各点速度梯度从而形成近似的光滑表面。等效光滑表面的速度梯度低于初始光滑表面的速度梯度,可使表面摩擦阻力减小。

图3沟槽表面的表观起点

3.4随行波减阻

随行波减阻技术最先是人们通过观察沙漠中沙丘所呈现的波浪形状而提出的,如图4所示,这种稳定的波浪状结构可能是阻力最小的外形。目前普遍认同的随行波减阻机理是其结构的近壁区会形成明显的漩涡,并且这些漩涡的旋向全都向着有利于外流场流动的方向,产生的漩涡类似能滚动的圆柱使得水流与物体表面分离,这样就将近壁面的滑动摩擦转变成滚动摩擦,进而达到了减阻的效果。

图4沙漠的波浪形状

4结语

表面减阻技术涉及材料力学、流体力学、化学和工程力学等多种学科,经过30多年来的研究,虽然许多复杂的问题已经得到了解决,湍流理论的发展也使得水下减阻技术取得了很大的进步,但现在仍存有很多难题未被攻破。

本文主要综述了柔性壁面减阻、壁面振动减阻、外形优化减阻、疏水表面减阻、仿生表面减阻和随行波减阻等应用于水下的减阻技术。除此之外,还有一些不常见的主动减阻方法,这些方法在减阻方面均没有显著优势,故很少应用到实际中。两类减阻技术目前的发展各有其优缺点:主动减阻技术所需要的成本比较大,能源消耗也大大增加,在现在节能的大背景下弊端较大:被动减阻技术相对来说只是简单地改变水下航行器表面结构,无须外加设备,这可以大大节省成本,减阻效果也比较稳定,但其中的外形优化减阻及疏水表面减阻等方法也具有一定的局限性。