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附加液滴诱导空泡形成机制及减阻性能研究

附加液滴诱导空泡形成机制及减阻性能研究

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作者：辛怡北京化工大学

学位级别：硕士

水动力阻力不仅会导致船只消耗大量能源,还会阻碍船速的提高。引入空泡被认为是减少水动力阻力的一种有效且有前景的方法。然而,高昂的引入成本和能耗限制了空泡减阻法的实际应用。在此,受雨滴撞击水面溅起水花的启发,设计了一种通过液... 详细信息

水动力阻力不仅会导致船只消耗大量能源,还会阻碍船速的提高。引入空泡被认为是减少水动力阻力的一种有效且有前景的方法。然而,高昂的引入成本和能耗限制了空泡减阻法的实际应用。在此,受雨滴撞击水面溅起水花的启发,设计了一种通过液滴溅射引入空泡的方法。当表面附着液滴的钢球撞击水面时,由于液滴溅射导致的液膜分离,钢球捕获一个具有较大表面积体积的空气夹带空泡,使钢球的整体形状从球体变为流线型。在水下60-80厘米深处,空泡稳定附着在钢球上而不会溃灭,并将钢球所受到的水动力阻力降低了80%以上。这项工作为引入水下气液界面以减少水动力阻力提供了一种简单、经济、节能的方法。我们重点研究了附加液滴诱导空泡形成的机理以及空泡减阻性能,具体的工作如下:(1)附加去离子水液滴诱导空泡形成:通过比较光滑亲水钢球和附加液滴钢球的入水过程证明附加液滴诱导空泡减阻的可行性,在附加液滴钢球撞击水面的基础上改变液滴体积、位置以及数量。研究液滴的体积、位置以及数量对于空泡形成过程的影响,最后在水下60-80 cm深度范围内通过空泡体积和阻力系数研究空泡的形状与减阻性能之间的关系。(2)附加饱和氯化钠溶液液滴诱导空泡形成:在附加饱和氯化钠溶液液滴的钢球撞击水面的基础上改变液滴体积、位置以及数量。研究液滴的体积、位置以及数量对于空泡形成过程的影响,最后在水下60-80 cm深度范围内通过空泡体积和阻力系数研究空泡的形状与减阻性能之间的关系。(3)附加聚乙二醇溶液液滴诱导空泡形成:在附加聚乙二醇溶液液滴的钢球撞击水面的基础上改变液滴体积、位置以及数量。研究液滴的体积、位置以及数量对于空泡形成过程的影响,最后在水下60-80 cm深度范围内通过空泡体积和阻力系数研究空泡的形状与减阻性能之间的关系。

关键词：空泡流动阻力附加液滴表面活性剂

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附加液滴诱导低速入水钝体捕获空泡及水下稳定减阻机制研究

附加液滴诱导低速入水钝体捕获空泡及水下稳定减阻机制研究

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作者：史振敏北京化工大学

学位级别：硕士

在海上运输和军事领域,减小航行器受到的流动阻力一直是人们关心的话题。水下运动的钝体受到的主要是压差阻力,目前减小压差阻力的有效方式是使钝体表面被巨大的流线型空腔附着。在本论文中,我们通过附加液滴这种简单、环保,普适的方式... 详细信息

在海上运输和军事领域,减小航行器受到的流动阻力一直是人们关心的话题。水下运动的钝体受到的主要是压差阻力,目前减小压差阻力的有效方式是使钝体表面被巨大的流线型空腔附着。在本论文中,我们通过附加液滴这种简单、环保,普适的方式成功构筑了空腔,并且获得了较好的减阻效果。重点研究了附加液滴诱导空泡形成的机理以及水下空泡稳定机理,具体的工作如下:(1)附加去离子水液滴诱导空泡形成:通过在光滑的球体底部附加去离子水液滴,体积分别为5、10、20、30、40μL。通过改变撞击速度,附加不同体积液滴的球体都能够形成空腔。在附加30μL液滴,撞击速度为2.8 m/s条件下,最先在球体表面构筑流线型空腔。后续对空腔形成过程中的水上溅射行为及水下三相线运动过程进行了分析,发现入水过程中液膜的飞溅为空气大量进入提供有利条件,三相线钉扎在球体表面使得空腔能够稳定附着在球体尾部并且被拉长。水下70到80 cm深度内,空泡仍然能够稳定存在。我们对从不同高度下落,附加不同体积液滴的球体受到的阻力进行了分析,空腔附着的球体的阻力最高降低了85%以上,证实空泡减少了钝体受到的流动阻力。(2)附加表面活性剂液滴诱导空泡形成:选取了三种不同的表面活性剂探究表面张力和粘度对空腔形成的影响。表面活性剂分别是聚乙二醇(PEG),十二烷基苯磺酸钠(SDBS)和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)。根据表面活性剂的临界胶束浓度,研究了在1/9 CMC、4/9 CMC、1 CMC、15/9 CMC浓度下对空腔形成的影响。我们发现加入表面活性剂后,在液滴体积为5μL和10μL的条件下,改变撞击速度和浓度后空泡形成。其中SDBS的空泡形成效果最好,在5μL,60 cm的条件下,四个浓度下的液滴最终都形成了空泡。附加PEG液滴和CTAB液滴在10μL,70 cm的条件下,还未能在所有浓度下形成空泡。证实了表面张力影响空腔形成过程。大于临界胶束浓度后,SDBS空腔形成效果更好,粘度影响较大。(3)附加PDMS硬质液滴诱导空泡形成:将液滴换成具有硬度的PDMS来探究液滴在空腔形成过程中的影响。附加PDMS液滴体积约为5μL。在10 cm的下落高度下就能够产生空腔,空腔的闭合方式为深闭合。PDMS液滴在撞击过程中首先接触液面,形成空腔过程中,液滴位置自动发生修正,最终硬质液滴处于球体顶端并位于空腔内部,球体仍是用光滑的表面接触水环境。

关键词：空腔流动阻力附加液滴表面活性剂聚二甲基硅氧烷

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