CN116853410B - 一种减小水下航行体阻力的协同减阻方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种减小水下航行体阻力的协同减阻方法，水下航行体的平行中体外表面敷设柔性覆盖层，平行中体导边和随边处分别沿着周向间隔均匀开设有喷射孔；水下航行体内部布设析出机构，由析出机构工作经导边处的喷射孔或是经随边处的喷射孔向外喷射聚合物；水下航行体处于前进状态时，析出机构经导边处的喷射孔向外喷射聚合物，聚合物在来流速度的作用下沿水下航行体表面逐渐向尾部移动直至覆盖表面；水下航行体处于后退状态时则由随边处的喷射孔向外喷射聚合物；水下航行体的航速大时，由析出机构经喷射孔进行聚合物喷射，与柔性覆盖层协同减阻，从而大大改变航行体表面流动状态，解决大雷诺数下水下航行体摩擦阻力过高的问题。
Description
技术领域
本发明涉及水下航行体技术领域，尤其是一种减小水下航行体阻力的协同减阻方法。
背景技术
汽车、飞机和船舶等交通运输工具与人类的生活密不可分，其能量消耗主要来源于摩擦阻力，该摩擦阻力则来源于流体介质与交通运输表面之间所产生的表面阻力。
船舶在低速航行时，摩擦阻力约占总阻力的 70% ~ 80%，在高速航行时，约占 40%~ 50%。该摩擦阻力的产生主要是由湍流产生的，湍流减阻的研究对于节能减排、提高续航性能具有重要意义。
现有技术中，减小流动阻力的方法有微沟槽减阻、气泡减阻、粘液减阻以及柔性减阻等，历经数十年的发展，单一减阻技术的发展空间不是很大，已经很难通过单一减阻方式的参数优化实现更好的减阻效果。
发明内容
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的减小水下航行体阻力的协同减阻方法，从而实现柔性覆盖层与聚合物的协同减阻，突破单一减阻模式，大大改变航行体表面流动状态，解决大雷诺数下水下航行体摩擦阻力过高的问题。
本发明所采用的技术方案如下：
一种减小水下航行体阻力的协同减阻方法，水下航行体包括有平行中体，所述平行中体外表面敷设有柔性覆盖层，平行中体导边和随边处分别沿着周向间隔均匀开设有喷射孔，喷射孔贯穿柔性覆盖层；所述水下航行体内部布设有析出机构，析出机构与各个喷射孔连通，由析出机构工作经导边处的喷射孔或是经随边处的喷射孔向外喷射聚合物；
水下航行体处于前进状态时，析出机构经导边处的喷射孔向外喷射聚合物，在来流速度的作用下，聚合物沿着水下航行体表面逐渐向尾部移动直至覆盖表面；水下航行体处于后退状态时，析出机构经随边处的喷射孔向外喷射聚合物，在来流速度的作用下，聚合物沿着水下航行体表面逐渐向头部移动直至覆盖表面；
水下航行体的航速大时，由析出机构经喷射孔进行聚合物喷射，与柔性覆盖层协同减阻。
作为上述技术方案的进一步改进：
当水下航行体的特征雷诺数 ReL ≤ 1.0×106时，柔性覆盖层厚度为1.0~5.0mm，弹性模量为3.0~5.0 MPa, 泊松比为0.3~0.6；当水下航行体的特征雷诺数 ReL ＞ 1.0×106时，柔性覆盖层厚度为5.0~10mm，弹性模量为0.5~3.0MPa, 泊松比为0.6~1.0；特征雷诺数ReL =VL/ν，V 和 L分别为水下航行体的航行速度和特征长度，ν为水下航行体周围流体的运动粘性系数。
所述柔性覆盖层位于导边、随边处的首尾端部进行硬化处理，首尾端部的弹性模量值大于中间部分的弹性模量值，喷射孔开设于柔性覆盖层首尾端部弹性模量值大的位置。
开设于导边或随边处的喷射孔，沿着周向均匀布设的数量不小于六个；单个喷射孔沿着轴向的喷射方向垂直于平行中体的表面。
单个喷射孔的直径不大于20mm，聚合物从喷射孔中的析出速度不大于0.005*V，V为水下航行体的航行速度。
所述喷射孔距离导边或随边的距离为0.008 LPP～0.0012 LPP，LPP为水下航行体上平行中体的长度。
所述析出机构包括有水囊，水囊经由管路分别连通至导边和随边处的喷射孔，水囊在水泵的动力作用下向喷射孔供应聚合物；位于水囊与导边处喷射孔之间的管路上、和位于水囊与随边处喷射孔之间的管路上，均串联安装有水阀。
所述聚合物中包括有聚乙烯和氢化聚异戊二烯。
所述柔性覆盖层为聚氨酯弹性体材料。
所述水下航行体呈回转体结构，由从前至后依次衔接的头部、平行中体、尾部构成，头部与平行中体衔接处为导边，平行中体与尾部衔接处为随边，尾部沿着周向间隔布设有舵构成操纵面。
本发明的有益效果如下：
本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过在水下航行体平行中体上敷设柔性覆盖层，同时在平行中体首尾端的导边、随边位置开设向外喷射聚合物的喷射孔，从而突破现有的单一减阻模式，而兼顾了两种不同的减阻模式，将其有效融合于水下航行体中，实现协同减阻，有效改变航行体表面流动状态，解决大雷诺数下水下航行体摩擦阻力过高的问题，起到大大减小水下航行体流动阻力的效果；
本发明还包括如下优点：
在水下航行体平行中体表面敷设柔性覆盖层，在流体载荷的冲击作用下，柔性覆盖层被动变形，减小流体边界层内部的动量交换，减小能量消耗与阻力；通过开设于柔性覆盖层上的喷射孔主动喷出聚合物，聚合物在来流的冲击作用下逐渐覆盖整个航行体表面，经由聚合物显著改变航行体表面流体的湍动能与壁面剪应力分布，从而使其流动更加均匀，达到减小流动阻力的效果；
通过将柔性覆盖层减阻和聚合物减阻兼顾布设于水下航行体上，并相结合协同使用，发挥出1+1>2的减阻效果，可使得不同航速下的水下航行体均实现不同程度地减阻效果，减阻率高达6.85%~14.2%；
将柔性覆盖层首尾端部硬化处理，从而减小柔性覆盖层端部受来流作用而引起的变形，不仅有效保证柔性覆盖层与水下航行体表面之间的可靠衔接，而且有效保障了喷射孔的稳定可靠使用。
附图说明
图1为本发明水下航行体的结构示意图。
图2为图1中A处的局部放大图。
图3为本发明析出机构的结构示意图。
其中：1、水下航行体；2、喷射孔；3、柔性覆盖层；4、操纵面；5、管路；6、水阀；7、水囊；8、水泵；h、厚度。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
如图1和图2所示，本实施例的一种减小水下航行体阻力的协同减阻方法，水下航行体1包括有平行中体，平行中体外表面敷设有柔性覆盖层3，平行中体导边和随边处分别沿着周向间隔均匀开设有喷射孔2，喷射孔2贯穿柔性覆盖层3；水下航行体1内部布设有析出机构，析出机构与各个喷射孔2连通，由析出机构工作经导边处的喷射孔2或是经随边处的喷射孔2向外喷射聚合物；
水下航行体1处于前进状态时，析出机构经导边处的喷射孔2向外喷射聚合物，在来流速度的作用下，聚合物沿着水下航行体1表面逐渐向尾部移动直至覆盖表面；水下航行体1处于后退状态时，析出机构经随边处的喷射孔2向外喷射聚合物，在来流速度的作用下，聚合物沿着水下航行体1表面逐渐向头部移动直至覆盖表面；
水下航行体1的航速大时，由析出机构经喷射孔2进行聚合物喷射，与柔性覆盖层3协同减阻。
本实施例中，通过在水下航行体1平行中体上敷设柔性覆盖层3，同时在平行中体首尾端的导边、随边位置开设向外喷射聚合物的喷射孔2，从而突破现有的单一减阻模式，而兼顾了两种不同的减阻模式，将其有效融合于水下航行体中，实现协同减阻。
在水下航行体1平行中体表面敷设柔性覆盖层3，在流体载荷的冲击作用下，柔性覆盖层3被动变形，减小流体边界层内部的动量交换，减小能量消耗与阻力；通过开设于柔性覆盖层3上的喷射孔2主动喷出聚合物，聚合物在来流的冲击作用下逐渐覆盖整个航行体表面，经由聚合物显著改变航行体表面流体的湍动能与壁面剪应力分布，从而使其流动更加均匀，达到减小流动阻力的效果。
当水下航行体1的特征雷诺数 ReL ≤ 1.0×106时，柔性覆盖层3厚度h为1.0~5.0mm，弹性模量为3.0~5.0 MPa, 泊松比为0.3~0.6；当水下航行体1的特征雷诺数 ReL ＞1.0×106时，柔性覆盖层3厚度为5.0~10mm，弹性模量为0.5~3.0MPa, 泊松比为0.6~1.0；从而在不同使用状态下有效保证柔性覆盖层3的减阻效果。
其中，特征雷诺数ReL =VL/ν，V 和 L分别为水下航行体1的航行速度和特征长度，ν为水下航行体1周围流体的运动粘性系数。
柔性覆盖层3位于导边、随边处的首尾端部进行硬化处理，首尾端部的弹性模量值大于中间部分的弹性模量值，喷射孔2开设于柔性覆盖层3首尾端部弹性模量值大的位置。
本实施例中，将柔性覆盖层3首尾端部硬化处理，从而减小柔性覆盖层3端部受来流作用而引起的变形，不仅有效保证柔性覆盖层3与水下航行体1表面之间的可靠衔接，而且有效保障了喷射孔2的稳定可靠使用。
本实施例中，可以根据实际需求，将柔性覆盖层3首尾端部硬化处理而等同于刚体，以兼顾、保证柔性覆盖层3的安装和使用。
对于柔性覆盖层3的硬化处理，可以采用现有技术中对于柔性材质的硬化处理方式，能够达到硬化效果，保证其与水下航行体1之间的衔接，防止柔性覆盖层3在来流作用下从水下航行体1表面脱离，比如，可以通过涂覆凝固胶的方式将柔性覆盖层3端部硬化。
本实施例中，柔性覆盖层3中部的弹性模量值较小，具备足够的柔性，能够在流体冲击下被动变形，从而起到缓冲流体载荷的作用。
开设于导边或随边处的喷射孔2，沿着周向均匀布设的数量不小于六个；单个喷射孔2沿着轴向的喷射方向垂直于平行中体的表面，即沿着水下航行体1平行中体的法向方向喷射聚合物。
单个喷射孔2的直径不大于20mm，聚合物从喷射孔2中的析出速度不大于0.005*V，V为水下航行体1的航行速度；析出速度过大将会使得聚合物无法贴合柔性覆盖层3表面，经由聚合物在柔性覆盖层3、水下航行体1表面上的覆盖、贴合，来降低、保证减阻效果。
喷射孔2距离导边或随边的距离为0.008 LPP～0.0012 LPP，LPP为水下航行体1上平行中体的长度；以保证聚合物在水下航行体1表面上的有效、可靠覆盖、贴合范围和面积，保证减阻效果。
如图3所示，析出机构包括有水囊7，水囊7经由管路5分别连通至导边和随边处的喷射孔2，水囊7在水泵8的动力作用下向喷射孔2供应聚合物；位于水囊7与导边处喷射孔2之间的管路5上、和位于水囊7与随边处喷射孔2之间的管路5上，均串联安装有水阀6。
聚合物中包括有聚乙烯和氢化聚异戊二烯，也可以在聚合物中加入一定量蛋白质，使得聚合物具备一定的粘性，有效保证聚合物析出过程中在水下航行体1表面上的覆盖。
当然，聚合物粘性的特性可以按实际情况来设定，析出后聚合物能够在来流作用下贴覆于水下航行体1表面即可。
柔性覆盖层3为聚氨酯弹性体材料，有效获得、保证在来流作用下的被动变形。
水下航行体1呈回转体结构，由从前至后依次衔接的头部、平行中体、尾部构成，头部与平行中体衔接处为导边，平行中体与尾部衔接处为随边，尾部沿着周向间隔布设有舵构成操纵面4。
本实施例中，考虑水下航行体1航行的阻力主要来自于平行中体部分，结合头部和尾部曲率变化较大而不利于柔性覆盖层3的敷设，因此，主要是将柔性覆盖层3敷设覆盖于平行中体处；当然，在实际操作中，也可以在头部、尾部根据实际需要进行柔性覆盖层3的敷设。
本发明中，通过将柔性覆盖层3减阻和聚合物减阻兼顾布设于水下航行体上，并相结合协同使用，发挥出1+1>2的减阻效果，可使得不同航速下的水下航行体均实现不同程度地减阻效果，减阻率高达6.85%~14.2%。
在实际航行使用中，当水下航行体1前进运动时，水泵8启动，与导边处喷射孔2相连通的管路5上水阀6闭合连通，由水泵8将水囊7中的聚合物通过管路5输送到导边处的喷射孔2，经喷射孔2向外缓慢喷出；在来流速度的作用下，由喷射孔2喷出的聚合物沿着水下航行体1的表面逐渐向尾部运动，直至铺满整个航行体表面；同时，在水流的冲击作用下，柔性覆盖层3逐渐发生变形，其有效减缓流体的流动速度，进一步减小边界层内部的动量交换，从而共同达到减小流动阻力的目的。
反之，当水下航行体1后退时，水泵8启动，与随边处喷射孔2相连通的管路5上水阀6闭合连通，由水泵8将水囊7中的聚合物通过管路5输送到随边处的喷射孔2，经喷射孔2向外缓慢喷出；此时，在来流冲击作用下，聚合物沿着尾部逐渐向头部移动，直至覆盖整个航行器表面。
本实施例中，充分聚集了聚合物减阻和柔性覆盖层3减阻优势，前者主要用于减小粘压阻力，后者用于减小摩擦阻力。当航速较低时，此时航行体阻力成分中大部分为摩擦阻力（80%以上），此时可仅依靠柔性覆盖层3的被动变形来减小阻力，析出机构则可以不工作，起到减小航行体电力消耗，有助于提升其续航力；当航速较大时，此时需要开展聚合物喷射，与柔性覆盖层3一起协同减阻。
本发明突破现有的单一减阻模式，而兼顾了两种不同的减阻模式，将其有效融合于水下航行体中，实现协同减阻，有效改变航行体表面流动状态，解决大雷诺数下水下航行体摩擦阻力过高的问题，起到大大减小水下航行体流动阻力的效果。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。
Claims (5)
1.一种减小水下航行体阻力的协同减阻方法，水下航行体（1）包括有平行中体，其特征在于：所述平行中体外表面敷设有柔性覆盖层（3），平行中体导边和随边处分别沿着周向间隔均匀开设有喷射孔（2），喷射孔（2）贯穿柔性覆盖层（3）；所述水下航行体（1）内部布设有析出机构，析出机构与各个喷射孔（2）连通，由析出机构工作经导边处的喷射孔（2）或是经随边处的喷射孔（2）向外喷射聚合物；
水下航行体（1）处于前进状态时，析出机构经导边处的喷射孔（2）向外喷射聚合物，在来流速度的作用下，聚合物沿着水下航行体（1）表面逐渐向尾部移动直至覆盖表面；水下航行体（1）处于后退状态时，析出机构经随边处的喷射孔（2）向外喷射聚合物，在来流速度的作用下，聚合物沿着水下航行体（1）表面逐渐向头部移动直至覆盖表面；
水下航行体（1）的航速大时，由析出机构经喷射孔（2）进行聚合物喷射，与柔性覆盖层（3）协同减阻；当水下航行体（1）的特征雷诺数 ReL ≤ 1.0×106时，柔性覆盖层（3）厚度为1.0~5.0 mm，弹性模量为3.0~5.0 MPa, 泊松比为0.3~0.6；当水下航行体（1）的特征雷诺数ReL ＞ 1.0×106时，柔性覆盖层（3）厚度为5.0~10mm，弹性模量为0.5~3.0MPa, 泊松比为0.6~1.0；特征雷诺数ReL =VL/ν,V 和 L分别为水下航行体（1）的航行速度和特征长度，ν为水下航行体（1）周围流体的运动粘性系数；所述柔性覆盖层（3）位于导边、随边处的首尾端部进行硬化处理，首尾端部的弹性模量值大于中间部分的弹性模量值，喷射孔（2）开设于柔性覆盖层（3）首尾端部弹性模量值大的位置；单个喷射孔（2）的直径不大于20mm，聚合物从喷射孔（2）中的析出速度不大于0.005*V,V为水下航行体（1）的航行速度；所述喷射孔（2）距离导边或随边的距离为0.008 L PP ~0.0012 L PP，L PP为水下航行体（1）上平行中体的长度；所述析出机构包括有水囊（7），水囊（7）经由管路（5）分别连通至导边和随边处的喷射孔（2），水囊（7）在水泵（8）的动力作用下向喷射孔（2）供应聚合物；位于水囊（7）与导边处喷射孔（2）之间的管路（5）上、和位于水囊（7）与随边处喷射孔（2）之间的管路（5）上，均串联安装有水阀（6）。
2.如权利要求1所述的一种减小水下航行体阻力的协同减阻方法，其特征在于：开设于导边或随边处的喷射孔（2），沿着周向均匀布设的数量不小于六个；单个喷射孔（2）沿着轴向的喷射方向垂直于平行中体的表面。
3.如权利要求1所述的一种减小水下航行体阻力的协同减阻方法，其特征在于：所述聚合物中包括有聚乙烯和氢化聚异戊二烯。
4.如权利要求1所述的一种减小水下航行体阻力的协同减阻方法，其特征在于：所述柔性覆盖层（3）为聚氨酯弹性体材料。
5.如权利要求1所述的一种减小水下航行体阻力的协同减阻方法，其特征在于：所述水下航行体（1）呈回转体结构，由从前至后依次衔接的头部、平行中体、尾部构成，头部与平行中体衔接处为导边，平行中体与尾部衔接处为随边，尾部沿着周向间隔布设有舵构成操纵面（4）。
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2023
- 2023-08-09 CN CN202311001035.2A patent/CN116853410B/zh active Active
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