基于功率的微气泡减阻试验方法

1.本发明涉及于微气泡减阻领域，更具体地说，涉及一种基于功率的微气泡减阻试验方法。


背景技术：

2.微气泡减阻技术是最经济、无污染的减阻方法，其基本作用原理是将气相介质引入固体表面，在近壁区形成气液两相混合流，降低壁面边界层附近的流体密度，改变流体的流动状态，将部分固液界面转变为无剪切应力的滑移气液界面，从而降低固体壁面的摩擦阻力。该技术与其它较为成熟的节能装置，如节能导管、消涡鳍等，作用机理和位置不同，从而能与其它技能装置联合使用，被认为时最具前景的新型航行器节能减排技术。
3.常规的微气泡减阻试验方法是在船底铺设一定数量的局部摩擦力传感器，通过对比喷气前后传感器得到的摩擦力的变化来得到减阻率；或利用船模阻力试验测得喷气前后总阻力来得到减阻率。这两种方法存在一定的缺点：(1)第一种方法以局部摩擦阻力代替了总摩擦阻力，存在着一定的误差；(2)这两种方法并未考虑船底喷气带来的其他影响，如可能给航模的粘压阻力、螺旋桨推进效率等带来的影响，并且均无法评估喷气起到的节能效果。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题在于，提供一种基于功率的微气泡减阻试验方法，其弥补了传统微气泡减阻测量方法无法考虑喷气给样机粘压阻力、螺旋桨效率等带来的影响的缺陷，同时可以对微气泡减阻技术的节能效果进行评估。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于功率的微气泡减阻试验方法，包括以下步骤：
6.s1、调整样机吃水及浮态：试验前预先记录好风速的环境影响因素，试验时首先将样机下放至试验水池中，通过人工放置压载铁的方式达到预设的吃水和浮态；
7.s2、根据预设的工况设定螺旋桨转速；
8.s3、样机在不喷气状态下航行，记录样机主机功率及螺旋桨轴功率；
9.s4、根据预设的工况设定喷气量，样机在喷气状态下航行并记录样机主机功率及螺旋桨轴功率；
10.s5、通过前后的功率变化计算使用微气泡减阻系统后的减阻率和节能率。
11.按上述方案，所述步骤s3中，先使样机在不喷气时，在实验水池中直线航行，以0.1s为频率记录不喷气时所述样机的主机功率及螺旋桨轴功率。
12.按上述方案，所述步骤s4中，样机航行前以预设的喷气量进行喷气，之后按照步骤s3的方法记录喷气时样机的主机功率及螺旋桨轴功率。
13.按上述方案，所述步骤s5中，减阻率的计算方法为：
[0014][0015]
式中ηr表示减阻率，p
m0
表示不喷气时的轴功率，pm表示喷气时的轴功率；
[0016]
节能率的计算方法为：
[0017][0018]
式中ηe表示节能率，p
s0
表示不喷气时的主机功率，ps表示喷气时的主机功率，pa表示喷气所消耗的功率。
[0019]
实施本发明的基于功率的微气泡减阻试验方法，具有以下有益效果：
[0020]
1、本发明以轴功率的形式代替局部摩擦阻力或总阻力来计算减阻率，弥补局部摩擦阻力测试带来的误差；
[0021]
2、本发明把船底喷气带来的其他影响，如可能给航模的粘压阻力、螺旋桨效率带来的影响都考虑在内，能够综合考虑喷气所消耗的主机功率和喷气后的主机功率，以此计算节能率评估微气泡减阻技术的节能效果。
附图说明
[0022]
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0023]
图1是本发明基于功率的微气泡减阻试验方法的步骤流程图；
[0024]
图2是本发明基于功率的微气泡减阻试验方法的分析得到的各喷气量、各螺旋桨转速下的轴功率时程曲线；
[0025]
图3是本发明基于功率的微气泡减阻试验方法的分析得到的各喷气量、各螺旋桨转速下的轴功率数据；
[0026]
图4是本发明基于功率的微气泡减阻试验方法的分析得到的各喷气量、各螺旋桨转速下的减阻率数据；
[0027]
图5是本发明基于功率的微气泡减阻试验方法的分析得到的各喷气量、各螺旋桨转速下的节能率数据；
[0028]
图6是本发明基于功率的微气泡减阻试验方法的分析得到的各喷气量、各螺旋桨转速下的减阻率三维图；
[0029]
图7是本发明基于功率的微气泡减阻试验方法的分析得到的各喷气量、各螺旋桨转速下的节能率三维图。
具体实施方式
[0030]
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
[0031]
如图1-7所示，本发明的基于功率的微气泡减阻试验方法，包括以下步骤：
[0032]
s1、调整样机吃水及浮态：试验前预先记录好风速的环境影响因素，试验时首先将样机下放至试验水池中，通过人工放置压载铁的方式达到预设的吃水和浮态；
[0033]
s2、根据预设的工况设定螺旋桨转速；
[0034]
s3、样机在不喷气状态下航行，记录样机主机功率及螺旋桨轴功率；先使样机在不喷气时，在实验水池中直线航行，以0.1s为频率记录不喷气时所述样机的主机功率及螺旋桨轴功率。
[0035]
s4、根据预设的工况设定喷气量，样机在喷气状态下航行并记录样机主机功率及螺旋桨轴功率；
[0036]
样机航行前以预设的喷气量进行喷气，之后按照步骤s3的方法记录喷气时样机的主机功率及螺旋桨轴功率。
[0037]
s5、通过前后的功率变化计算使用微气泡减阻系统后的减阻率和节能率。
[0038]
减阻率的计算方法为：
[0039][0040]
式中ηr表示减阻率，p
m0
表示不喷气时的轴功率，pm表示喷气时的轴功率；
[0041]
节能率的计算方法为：
[0042][0043]
式中ηe表示节能率，p
s0
表示不喷气时的主机功率，ps表示喷气时的主机功率，pa表示喷气所消耗的功率。
[0044]
本发明的优选实施例中，基于功率的微气泡减阻试验方法的主要步骤如下：
[0045]
s1、调整样机吃水及浮态；在试验前预先记录好风速等环境影响因素，试验时首先将样机下放至试验水池中，通过人工放置压载铁的方式达到预先设定的吃水和浮态。
[0046]
s2、根据预先制定的工况设定螺旋桨转速。
[0047]
s3、样机在不喷气情况下航行，记录样机主机功率及螺旋桨轴功率；
[0048]
首先使样机在不喷气的情况下在实验水池中直线航行，以0.1s为频率记录不喷气时样机的主机功率及螺旋桨轴功率。一次航行结束后，将轴功率数据导入origin进行数据处理，得到未喷气时的轴功率时程曲线，如图2所示，其中横坐标代表时间，单位秒(s)，纵坐标代表轴功率，单位千瓦(kw)。轴功率时程曲线的平稳段代表船模已进入匀速阶段，在曲线的平稳段取200次功率做取平均处理，得到当前转速下未喷气时的轴功率。
[0049]
s4、根据预先制定的工况设定喷气量，样机在喷气情况下航行并记录样机主机功率及螺旋桨轴功率；使用与上文相同的方法，以螺旋桨转速300转每分钟(rpm)为例，改变喷气量为0.1、0.2、0.3、0.4，得到此转速下不同喷气气流量的轴功率时程曲线，如图3所示，不同的线型表示不同的喷气量，喷气量的单位为升每分钟(slm)。同样的，可以得到不同喷气量下的主机功率时程曲线，在此不做展示。
[0050]
改变螺旋桨转速为350、400、450、500、550、600rpm，以同样的方法得到不同转速、不同喷气量的轴功率，如图3所示,其中轴功率的单位为kw。同样可以得到不同转速、不同喷气量的主机功率数据表，在此不做展示。
[0051]
s5、通过前后的功率变化计算使用微气泡减阻系统后的减阻率和节能率；
[0052]
使用如下的计算公式，得到对应的减阻率：
[0053][0054]
式中ηr表示减阻率，p
m0
表示不喷气时的轴功率，pm表示喷气时的轴功率；
[0055]
使用如下的计算公式，得到对应的节能率：
[0056][0057]
式中ηe表示节能率，p
s0
表示不喷气时的主机功率，ps表示喷气时的主机功率，pa表示喷气所消耗的功率；
[0058]
各转速、各喷气量对应的减阻率如图4所示，将此数据导入origin软件，作出减阻率的三维云图，如图3所示，其中x轴表示螺旋桨转速，y轴表示喷气量，z轴表示该工况下的减阻率。部分转速、部分喷气量对应的节能率如图5所示，节能率三维云图如图5所示，其中x轴表示螺旋桨转速，y轴表示喷气量，z轴表示该工况下的节能率。另一方面，人工调节压载铁改变航模吃水及浮态，即可研究不同吃水和浮态工况下微气泡减阻技术的减阻效果和节能效果。
[0059]
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

技术特征：
1.一种基于功率的微气泡减阻试验方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、调整样机吃水及浮态：试验前预先记录好风速的环境影响因素，试验时首先将样机下放至试验水池中，通过人工放置压载铁的方式达到预设的吃水和浮态；s2、根据预设的工况设定螺旋桨转速；s3、样机在不喷气状态下航行，记录样机主机功率及螺旋桨轴功率；s4、根据预设的工况设定喷气量，样机在喷气状态下航行并记录样机主机功率及螺旋桨轴功率；s5、通过前后的功率变化计算使用微气泡减阻系统后的减阻率和节能率。2.根据权利要求1所述的基于功率的微气泡减阻试验方法，其特征在于，所述步骤s3中，先使样机在不喷气时，在实验水池中直线航行，以0.1s为频率记录不喷气时所述样机的主机功率及螺旋桨轴功率。3.根据权利要求1所述的基于功率的微气泡减阻试验方法，其特征在于，所述步骤s4中，样机航行前以预设的喷气量进行喷气，之后按照步骤s3的方法记录喷气时样机的主机功率及螺旋桨轴功率。4.根据权利要求1所述的基于功率的微气泡减阻试验方法，其特征在于，所述步骤s5中，减阻率的计算方法为：式中η
r
表示减阻率，p
m0
表示不喷气时的轴功率，p
m
表示喷气时的轴功率；节能率的计算方法为：式中η
e
表示节能率，p
s0
表示不喷气时的主机功率，p
s
表示喷气时的主机功率，p
a
表示喷气所消耗的功率。

技术总结
本发明涉及一种基于功率的微气泡减阻试验方法，包括以下步骤：S1、调整样机吃水及浮态：试验前预先记录好风速的环境影响因素，试验时首先将样机下放至试验水池中，通过人工放置压载铁的方式达到预设的吃水和浮态；S2、根据预设的工况设定螺旋桨转速；S3、样机在不喷气状态下航行，记录样机主机功率及螺旋桨轴功率；S4、根据预设的工况设定喷气量，样机在喷气状态下航行并记录样机主机功率及螺旋桨轴功率；S5、通过前后的功率变化计算使用微气泡减阻系统后的减阻率和节能率。本发明弥补了传统微气泡减阻测量方法无法考虑喷气给样机粘压阻力、螺旋桨效率等带来的影响，能够克服计算微气泡减阻技术的节能效果的缺陷。微气泡减阻技术的节能效果的缺陷。微气泡减阻技术的节能效果的缺陷。


技术研发人员：裴志勇 李天臣 周彦安 张磊 刘正国
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：2022.11.03
技术公布日：2023/5/12