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微气泡层减阻的边界层模型计算
黄衍顺
教授
天津大学建筑工程学院船舶工程系[ 300072]
张丽君
女
硕士生
天津大学建筑工程学院船舶工程系[ 300072]
王
震
硕士生
天津大学建筑工程学院船舶工程系[ 300072]

摘
要
以流体中光滑平板为例, 建立微气泡层覆盖平板的气液简单边界层模型, 采用平板层
流理论, 对给定的气泡喷射参数和流体特性参数计算了微气泡层状态下平板的摩擦阻力, 结果显示
微气泡层对平板有明显减阻效果; 最后给出了气体边界层的速度分布和剪切应力分布。
关键词
船舶
微气泡层
减阻
平板
边界层
中图分类号
U 661. 1
符号表和流体特性参数计算了微气泡状态下平板的减阻效
流函数
粘性系数果, 计算中考虑了气液界面处的边界条件及其影响,
f 无量纲流函数
运动粘性系数
为今后微气泡减阻机理研究作了一种新的探讨。
f w 气泡喷射参数
密度
m 质量流量
壁面剪切应力
R 流体特性参数 Cf 摩擦阻力系数 1
数学模型
U
自由流速
u X 方向速度分量脚标
计算模型设定为均匀流体中两维光滑的平板,
v Y 方向速度分量 g 气体
平板顺流放置, 平行于平板的均匀来流流速为 U
,
v w 气泡喷射速度 L 液体
气体边界层厚度 0 无气泡喷射气体通过平板多孔表面以速度 v w 喷射到流体中。
相似变量
界面处
根据平板微气泡减阻试验现象[ 4] , 如图 1 所示, 近壁
0
前
言面的边界层中几乎全是气泡, 可以假设在近壁面处
微气泡覆盖平板表面, 形成微气泡层流动。

几十年来, 国内外学者进行了大量微气泡减阻
试验[ 1] 。从 1973 年 McCormick 在拖曳回转体上用
电解方法产生氢气泡的先驱试验[ 2] 到近年的日本
学者 T akahashi 在大型高速拖曳水池中进行的 50m
平底船模的微气泡吹出试验[ 3] , 试验研究的覆盖面
已经很广, 并已开始向实船应用的试验研究转化。
但是, 迄今为止微气泡减阻机理还没有完善的理图 1
平板试验中观察到的气泡分布
论解释。微气泡减阻机理的分析主要着眼于边界层
结构的变化, 而微气泡对边界层结构至少有两个方面
的影响: 第一, 微气泡可改变流体局部有效的粘度和
密度, 从而改变局部湍流的雷诺数, 此时近似把微气
泡和水的混和物看作各向同性的流体, 目前的研究成
果多为这一类型。第二, 微气泡可直接影响湍流边界图 2
物理模型和坐标系
层结构, 使附壁区的流动发生变化, 需要建立气液两
物理模型和坐标系如图 2 所示。边界层方程
相流的流动模型。尽管两种现象可能在实际流动中为:
同时发生, 但因气液两相流的流动模型的建立与求解
u
v
+ = 0
十分复杂, 目前还未见到公开的研究成果。
x
y
本文试图避开复杂的气液两相流求解建立了
u
u 1 dp 1
, u + v = - +
流体中微气泡层覆盖平板的气液简单边界层模型,
x
y
dx
y
其中切应力为层流切应力