CN114620182B - 一种减小水中摩擦阻力的复合表层及其使用方法 - Google Patents

一种减小水中摩擦阻力的复合表层及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种减小水中摩擦阻力的复合表层，所述复合表层设有多个平行的凸起(1)，相邻的两个凸起之间形成沟槽(2)；所述复合表层的沟槽(2)的底部与目标物贴合，凸起(1)与目标物形成空腔，空腔内设有仿生粘液喷出装置。目标物在水中航行时，仿生粘液由喷出装置喷出，并沿沟槽(2)顺着水流方向流动。本发明提出了一种简洁的复合表层设计方法，可以改变表层的局部粘流环境，解决高速水流下大幅度减小表面摩擦阻力的问题。

Description

一种减小水中摩擦阻力的复合表层及其使用方法
技术领域
本发明涉及制造技术领域，尤其是涉及一种减小水中摩擦阻力的复合表层及其使用方法。
背景技术
对于水面船舶，快速性一直都是它们综合航行性能的关键组成部分之一。通过有效的技术措施实现减小阻力，对船舶提速增效、节能减排具有重要的经济意义。
船体阻力主要包括摩擦阻力、兴波阻力和粘压阻力。传统降低船体阻力的方法主要是通过线型优化以降低兴波阻力与粘压阻力，经过多年的发展这类方法进一步降低船体阻力的空间已经非常小了。船体阻力中摩擦阻力占比最大，摩擦阻力主要由航行体湿表面积、表面状态、周围的流体介质及其流动特性决定。降低摩擦阻力的难度很大，究其原因，是由于船体湿表面积难以改变、湍流流动及水粘性系数无法改变。
从国内外目前的研究工作来看，减少湍流表面摩擦阻力的方法分别属于两大类，相应的仿生减阻方法同样分属于这两大类：第一大类是向水中添加新的物质，包括非仿生的向水中添加微气泡、短细纤维和表面活性剂，以及仿生的向水中添加长链高分子聚合物。第一大类因此可称为添加法，这类方法代价太大、实用价值较低。第二大类是对边界层作力学调制，重组边界层内的流动形式和流动结构。它又可分为从固体一侧采取措施的内层调制和从流体一侧采取措施的外层调制。仿生减阻属于第二类，内层调制，包括柔性表皮减阻、条纹减阻(沟槽条纹和随行波条纹)及边界层加热减阻等，目前总的来说这些仿生减阻方法的减阻程度不够，经济性有待提高。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种减小水中摩擦阻力的复合表层及其使用方法。本发明提出了一种简洁的复合表层设计方法，可以改变表层的局部粘流环境，解决高速水流下大幅度减小表面摩擦阻力的问题。
本发明的技术方案如下：
一种减小水中摩擦阻力的复合表层，所述复合表层设有多个平行的凸起，相邻的两个凸起之间形成沟槽；所述复合表层的沟槽的底部与目标物贴合，凸起与目标物形成空腔，空腔内设有仿生粘液喷出装置。
优选地，所述目标物为船体。
优选地，所述凸起为尖角形。
进一步优选，所述凸起为等腰的尖角形；高度为25μm。
优选地，所述沟槽为倒梯形。
进一步优选，相邻两个平行凸起顶点之间的距离为50μm。
进一步优选，所述沟槽底部的水平宽度为35μm。
一种使用所述复合表层减小水中摩擦阻力的方法，所述方法为：将所述复合表层的沟槽的底部与目标物贴合，凸起与目标物形成空腔，空腔内设有仿生粘液喷出装置；目标物在水中航行时，仿生粘液由喷出装置喷出，并沿沟槽顺着水流方向流动。
进一步优选，仿生粘液喷出速度不低于0.0001m/s，以达到高雷诺数下粘液仍然能较好的敷贴在沟槽表面的效果。
优选地，所述仿生粘液喷出装置在凸起首端1/10～1/12长度的位置。
优选地，所述仿生粘液由91.28wt％水、6.53wt％蛋白质、1.58wt％脂肪和0.61wt％糖组成。
优选地，所述仿生粘液含有1.9wt％氨基酸。
进一步优选，1.9wt％氨基酸由0.17wt％天门冬氨酸、0.09wt％苏氨酸、0.07wt％丝氨酸、0.23wt％谷氨酸、0.11wt％脯氨酸、0.16wt％甘氨酸、0.16wt％丙氨酸、<0.01wt％胱氨酸、0.12wt％缬氨酸、<0.01wt％蛋氨酸、0.10wt％异亮氨酸、0.17wt％亮氨酸、0.08wt％酪氨酸、0.09wt％苯丙氨酸、0.16wt％赖氨酸、0.09wt％组氨酸、0.10wt％精氨酸组成。
本发明有益的技术效果在于：
本发明的复合表层由三角形凸起与仿生粘液有机组成。按照物质组成配出仿生粘液，使其从凸起空腔的前缘析出，然后敷贴在沟槽表面，同时控制仿生粘液的析出位置以及析出速度，以保证高速流动下粘液亦能发挥作用。
附图说明
图1为本发明复合表层结构示意图；
图2为水流方向与复合表层的三维示意图；
图中：1、凸起；2、沟槽；
图3为三种状态摩擦阻力随计算步数的变化趋势；
图4为三种状态近壁面速度梯度对比；
图5为三种状态表面剪应力分布对比；
图6为横/纵剖面位置示意图；
图7为Z1剖面内三种状态湍流动能计算结果；
图8为Z1剖面内三种状态湍流度计算结果；
图9为X1剖面内三种状态湍流动能计算结果；
图10为X1剖面内三种状态湍流度计算结果；
图11为平板在有无粘液喷注情况下的声压谱源级对比；
图12为平板在有无粘液喷注情况下的速度等值线云图对比。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。
如图1所示，一种减小水中摩擦阻力的复合表层，所述复合表层设有多个平行的凸起1，相邻的两个凸起之间形成沟槽2；所述复合表层的沟槽2的底部与目标物贴合，凸起1与目标物形成空腔，空腔内设有仿生粘液喷出装置。
优选地，所述目标物为船体。优选地，所述凸起1为尖角形。
进一步优选，所述凸起1为等腰的尖角形；高度为25μm。
优选地，所述沟槽2为倒梯形。
进一步优选，相邻两个平行凸起1顶点之间的距离为50μm。
进一步优选，所述沟槽2底部的水平宽度为35μm。
一种使用所述复合表层减小水中摩擦阻力的方法，所述方法为：将所述复合表层的沟槽2的底部与目标物贴合，凸起1与目标物形成空腔，空腔内设有仿生粘液喷出装置；目标物在水中航行时，仿生粘液由喷出装置喷出，并沿沟槽2顺着水流方向流动。
进一步优选，仿生粘液喷出速度不低于0.0001m/s，以达到高雷诺数下粘液仍然能较好的敷贴在沟槽表面的效果。
优选地，所述仿生粘液喷出装置在凸起1首端1/10～1/12长度的位置。
优选地，所述仿生粘液由91.28wt％水、6.53wt％蛋白质、1.58wt％脂肪和0.61wt％糖组成。
优选地，所述仿生粘液含有1.9wt％氨基酸。
进一步优选，1.9wt％氨基酸由0.17wt％天门冬氨酸、0.09wt％苏氨酸、0.07wt％丝氨酸、0.23wt％谷氨酸、0.11wt％脯氨酸、0.16wt％甘氨酸、0.16wt％丙氨酸、<0.01wt％胱氨酸、0.12wt％缬氨酸、<0.01wt％蛋氨酸、0.10wt％异亮氨酸、0.17wt％亮氨酸、0.08wt％酪氨酸、0.09wt％苯丙氨酸、0.16wt％赖氨酸、0.09wt％组氨酸、0.10wt％精氨酸组成。
如图2所示，U箭头方向为水流方向，仿生粘液在凸起1首端1/10长度处析出，顺着水流方向沿沟槽2流动；仿生粘液25℃常压下蛋白质(1350kg/m3)、脂肪(790kg/m3)与糖类(870kg/m3)，密度为1071.1kg/m3，析出速度Vjet≥0.0001m/s。
测试例：
采用粘流数值模拟方法，进行本发明设计的复合表层减阻效果的评估。依据成分表配出粘液物质，采用混合相(mixture phase)模型进行沟槽耦合仿生粘液对阻力性能影响的数值模拟。水速V＝20m/s，复合表层的结构示意图如图1所示，从凸起首端(1/11长度处)向外析出粘液，粘液析出速度Vjet＝0.0001m/s。
以下给出了本发明复合表层与平板、单一减阻形式沟槽的阻力、流场的对比分析，另外给出了本发明复合表层析出粘液对于流动噪声影响的计算分析。
(1)减阻效果
定义减阻率如下：
Figure BDA0003508293160000041
用百分数表示，减阻率为正，说明粘液是减阻的。计算结果如下面的表1和图3所示。
表1各方案摩擦阻力计算结果对比(10-4N)
Figure BDA0003508293160000042
Figure BDA0003508293160000051
由表1和图3可知，计算过程达到10000迭代步时，计算结果进入收敛状态，减阻率基本稳定，30000迭代步后，计算完全收敛，摩擦阻力值与减阻率都已稳定。与光滑平板相比，沟槽可使摩擦阻力降低7.29％～7.53％，平均降幅7.38％；采用本发明复合表层，首端析出仿生粘液，与光滑平板相比，摩擦阻力降低17.77％～18.59％，平均降幅18.23％，说明粘液与沟槽耦合之后，起到了进一步减阻的作用，从减阻效果来说，沟槽与粘液耦合的减阻技术是可行的，能在沟槽减阻基础上进一步减阻10％～11％。
图4为三种状态近壁面速度梯度对比，从图4可知，沟槽的近壁面速度梯度小于光滑平板的速度梯度，带粘液沟槽的近壁面速度梯度又进一步减小，速度梯度的减小造成了阻力降低。
图5为三种状态表面剪应力分布对比，从图5中的剪应力分布计算结果可知，沟槽表面剪应力明显小于平板表面剪应力，沟槽首部析出粘液之后，其表面剪应力进一步减小。
(2)湍流动能与湍流度计算结果与分析
为了分析流场特征，在计算域内截取了一个横剖面X1，与一个纵剖面Z1，两个剖面位置如图6所示。三种状态下X1与Z1剖面中的湍流动能与湍流度计算结果见图7～图10。图7为Z1剖面内三种状态湍流动能计算结果；图8为Z1剖面内三种状态湍流度计算结果；图9为X1剖面内三种状态湍流动能计算结果；
图10为X1剖面内三种状态湍流度计算结果；
从图7～图10中的计算结果可知，与光滑平板相比，沟槽与带粘液沟槽的减阻机理在于能够有效降低近壁面湍流动能与湍流度，从而达到减阻的效果。与光滑平板相比，沟槽能够明显降低近壁面湍流动能与湍流度，析出粘液之后，近壁面湍流动能与湍流度可以进一步减小。
(3)粘液对流动噪声影响的计算分析
采用大涡模拟结合FW-H声学类比方法，计算了平板首部(0.1m椭圆)向外析出粘液，在来流水速10m/s，析出速度0.1m/s情况下的平板流动噪声，并与无粘液平板流动噪声进行了对比，依照船舶噪声领域惯例，图10中的噪声级为声压谱源级。平板在有无粘液喷注情况下的声压谱源级对比计算结果见图10，速度等值线云图见图11。
从图中可以看出，平板喷注粘液之后的流激噪声与平板相比没有显著变化，在80Hz～630Hz频段以及6.3KHz～10KHz频段噪声略有减小，在其他频段噪声略有增加，但是变化范围都在1～3dB之内，基本可以忽略不计。

Claims (4)

1.一种减小水中摩擦阻力的复合表层，其特征在于，所述复合表层设有多个平行的凸起(1)，相邻的两个凸起之间形成沟槽(2)；所述复合表层的沟槽(2)的底部与目标物贴合，凸起(1)与目标物形成空腔，空腔内设有仿生粘液喷出装置；所述仿生粘液喷出装置在凸起首端1/10～1/12长度的位置；
所述仿生粘液由91.28wt％水、6.53wt％蛋白质、1.58wt％脂肪和0.61wt％糖组成；
所述凸起(1)为等腰的尖角形；高度为25μm；
所述沟槽(2)为倒梯形；
相邻两个平行凸起(1)顶点之间的距离为50μm；
所述沟槽(2)底部的水平宽度为35μm。
2.一种使用权利要求1所述复合表层减小水中摩擦阻力的方法，其特征在于，所述方法为：将所述复合表层的沟槽(2)的底部与目标物贴合，凸起(1)与目标物形成空腔，空腔内设有仿生粘液喷出装置；目标物在水中航行时，仿生粘液由喷出装置喷出，并沿沟槽(2)顺着水流方向流动；
仿生粘液喷出速度不低于0.0001m/s；
所述仿生粘液由91.28wt％水、6.53wt％蛋白质、1.58wt％脂肪和0.61wt％糖组成。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述仿生粘液含有1.9wt％氨基酸。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，1.9wt％氨基酸由0.17wt％天门冬氨酸、0.09wt％苏氨酸、0.07wt％丝氨酸、0.23wt％谷氨酸、0.11wt％脯氨酸、0.16wt％甘氨酸、0.16wt％丙氨酸、<0.01wt％胱氨酸、0.12wt％缬氨酸、<0.01wt％蛋氨酸、0.10wt％异亮氨酸、0.17wt％亮氨酸、0.08wt％酪氨酸、0.09wt％苯丙氨酸、0.16wt％赖氨酸、0.09wt％组氨酸、0.10wt％精氨酸组成。
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