快艇气泡减阻的原理研究与相似比分析
超空泡减阻技术简介
超空泡减阻技术简介 超空泡是一种物理现象，当物体在水中的运动速度超过185千米/小时后，其尾部就会形成奇异的大型水蒸气沟，将物体与水接触的部分包住，物体接触的介质就由水变成了空气，由于空气密度只有水的1/800，因而就能大幅减少物体所受阻力，物体表面会形成大型空气泡，这就是“超空泡化现象”。 超空泡技术就是在艇体表面和水之间产生一个气体空腔，因此减小了阻力，增大了艇的航速。超空泡现象很长时间一直是令造船工程师们头痛的事，因为超空泡现象经常会在高速旋转的螺旋桨叶片表面产生而使螺旋桨高速“空转”从而损坏螺旋桨叶片。 超空泡技术概述 当航行体与水之间发生高速相对运动时，航行体表面附近的水因低压而发生相变，形成覆盖航行体大部分或全部表面的超空泡。形成超空泡之后，航行体将在气体中航行，由于航行体在水中的摩擦阻力约为在空气中摩擦阻力的850倍，因此，超空泡技术的应用可以使水下航行体的摩擦阻力大幅减小，从而使鱼雷等大尺度水下航行体的速度提高到100m/s的量级，使水下射弹等小尺度水下航行体的航速提高到1000m/s的量级。 超空泡发展过程 当航行体在流体中高速运动时，航行体表面的流体压力就会降低，当航行体的速度增加到某一临界值时，流体的压力将达到汽化压，此时流体就会发生相变，由液相转变为汽相,这就是空化现象。随着航行体速度的不断增加，空化现象沿着航行体表面不断后移、扩大、进而发展成超空化。其发展过程一般可以分为四个状态：游离型空泡、云状空泡、片状空泡和超空泡。 超空泡形成方法 超空泡分为自然超空泡和通气超空泡两种，形成超空泡一般有三种途径： 1）提高航行体的速度； 2）降低流场压力； 3）在低速情况下，利用人工通气的方法增加空泡内部压力。前两种方法形成的为自然超空泡，最后一种方法所得到的就是所谓的通气超空泡。 现有的减阻技术 脊装表面减阻，微气泡减阻，复合材料减阻，超空泡减阻技术。而水下超空泡武器是一种新概念武器，基于这种新概念、新原理设计的水下超空泡武器，其运动速度极高，且不受水声对抗器材的干扰，从而大大提高了水下武器的突防能力。 前苏联海军很早在七十年代就发展了火箭推进的“风雪”超空泡代号为BA－Ⅲ的“暴风”超高速鱼雷，航速已达到370公里/小时（约200节），其气泡一是利用超高速自行产生，二是把鱼雷发动机的尾气引到前面放出。超空泡潜艇的主要问题一是控制运动方向困难，二是气泡长时间的产生。德国正在研究开发的超空泡鱼雷用变换头部来控制运动方向，但是潜艇不太可能变换头部。然而美国人宣称已经解决控制运动方向和长时间产生气泡这两个问题，估计美国的潜艇是用调节气泡喷头的方法来操纵潜艇
运动规律
运动规律——自然篇 (2012-05-19 12:15:08) 转载▼ 分类：动画技巧 标签： it 教学内容：自然现象的运动规律 教学目的：使学生了解掌握自然界中风，火，水，云，烟等的运动规律，熟练掌握自然规律在动画中的表现技法，使学生在动画创作中正确把握。 教学重点，难点：风引起的飘动，水流的大小，火的循环，烟的轻重，利用分层绘制雪花，雨的大小，体现不同物体的质感。 课时：32一部完整的动画影片，在剧情中通常会出现与角色的生活环境、气候变化有关的各种自然现象：刮风、下雨、电闪雷鸣以及水、火、烟雾等。这些自然现象也和其他各种物体活动一样，是由我们一张张画出来的，经过逐格拍摄，使之出现在银幕上。它们或者作为背景，用来表现特定的环境气候;或用于拟人，被赋予人的性格和特征。无论在神话题材、科幻题材还是警匪题材都对剧情起着毋庸置疑的衬托作用。这里，我们主要来讲述以上各种自然现象的一些运动规律，以及它们在动画中的表现方法。 风风是日常生活中常见的一种自然现象，也是动画片中常用的一种自然现象。风是空气流动产生的无形的气流，因此我们看不见风的外形。在动画片中，我们画上一些实际上并不存在的流线，就可以表现速度比较快的风。但是通常境况下，我们还是通过被风吹动的各种物体的运动来表现风。例如：微风吹动人的头发、飘带、衣摆，风刮起树叶、纸片、窗帘等。所以，我们研究风的运动规律和风的表现方法，实际上就是研究被风吹动的各种物体的运动规律和具体的表现方法。 风的表现方法大致可以分为以下三种： 1.运动线表现法凡是被风吹起的比较轻的物体，当它们被风吹离了原来的位置，在空中飘荡。例如风吹落树叶，吹起纸张、羽毛等，可以用物体的运动线（运动轨迹）来表现。在设计这类物体的运动线及运动速度时，要考虑到以下几个因素： 1）风力的强弱变化。 2）物体与运动方向之间角度的变化，迎风时上升，反之下降。 3）物体与地面之间的角度的变化，接近平行时下降速度慢，接近垂直时下降速度快。
无人机机翼减阻技术研究
American Institute of Aeronautics and Astronautics 1 Drag Reduction of Light UA V Wing with Deflectable Surface in Low Reynolds Number Flows Masoud Darbandi * and Ali Nazari ? Sharif University of Technology, Tehran, P.O. Box 11365-8639, Iran Gerry E. Schneider ? University of Waterloo, Waterloo, Ontario, N2L 3G1, Canada The most effective approach to drag reduction is to concentrate on the components that make up the largest percentage of the overall drag. Small improvements on large quantities can become in fact remarkable aerodynamic improvements. Our experience shows that the use of light material in constructing human-powered airplanes and unmanned-air-vehicles UAVs has a few side effects on the aerodynamic characteristics of their wings. One important side effect is the unwanted deflection on wing shell. It is because of high flexibility and low solidity of the light material, which covers the wing skeleton. The created curvature has direct impact on the separation phenomenon occurred over the wing in low Reynolds number flows. In this work, we numerically simulate the flow over a UAV wing with and without considering the generated deflection on its shell. It is shown that the curvature on the wing surface between two supporting airfoil frames causes total drag coefficient reduction. Indeed, this drag reduction is automatically achieved without benefiting from additional drag-reduction devices and/or drag-reduction considerations. The current investigation has been conducted on a UAV wing with fxmp-160 airfoil section. This airfoil normally provides high lift coefficient in low Reynolds flows because of having suitable camber. The drag of a wing with this airfoil section can be reduced by the proper usage of low weight material as its wing shell providing that the wing shell deflects between its supporting frames during stretching the shell in manufacturing stage. Nomenclature α = angles of attack C d = total drag coefficient C dp = profile drag C ds = skin friction drag C l = two-dimensional lift coefficient C L three-dimensional lift coefficient L/D = lift-drag ratio Re = Reynolds number I. Introduction RAG reduction is one of the major objectives to the air vehicle designers and manufacturers 1. The study of air vehicles at their cruise shows that there are two main sources of drag force including lift-induced and skin-friction drags. It is reported that these two sources of drag are approximately one-third and one-half of the total drag, respectively, in civil transport aircraft. Reneaux 2 emphasizes that hybrid laminar flow technology and innovates wing tip devices offer the greatest potential for drag reduction. With respect to lift-induced drag, the classical way to reduce drag has been to increase the wing aspect ratio, which is automatically provided in UAV wings. However, for the wings with low aspect-ratio, it is suggested to use various winglet devices such as wing tip sails, wing grid, * Associate Professor, Department of Aerospace Engineering. ? Graduate Student, Department of Aerospace Engineering. ? Professor and Chair, Department of Mechanical Engineering, AIAA Fellow. D 3rd AIAA Flow Control Conference 5-8 June 2006, San Francisco, California AIAA 2006-3680
脊状表面减阻特性的风洞试验研究
第23卷 第5期2008年10月 实 验 力 学 J OU RNAL OF EXPERIM EN TAL M ECHANICS Vol.23 No.5 Oct.2008 文章编号:100124888(2008)0520469206 脊状表面减阻特性的风洞试验研究 刘占一,宋保维3,胡海豹,黄桥高,黄明明 (西北工业大学航海学院,西安710072) 摘要:利用热线风速仪,对光滑表面和多个脊状表面在低速风洞中进行了表面流场测试。基于测得的边界层速度分布数据,利用对数律区速度分布公式,编程分别计算出光滑表面和脊状表面的壁面摩擦速度和虚拟原点。研究发现,脊状表面最大减阻量达13.5%;有减阻效果的脊状表面使边界层速度曲线上移、湍流强度下降;与光滑表面相比,脊状表面的位移厚度和动量损失厚度明显减小,也表明脊状表面具有减阻效果;位移厚度和动量损失厚度减少量随槽间距s+的增加呈现先变大后变小的趋势,在s+=12时达到最大。 关键词:脊状表面;热线风速仪;摩擦速度;减阻量 中图分类号:O357 文献标识码:A 0 引言 目前的各种湍流减阻方法中,脊状表面减阻技术以其减阻效果显著和易于推广使用的特点,被公认最具使用潜力。该技术起源于仿生学对鲨鱼等鱼类表皮的研究,通过在航行体外表面加工具有一定形状尺寸的脊状结构,来达到很好的减阻效果。该项技术在国外已投入了实际应用,如空中客车将A320试验机表面的约70%贴上脊状表面薄膜,获得了节油1%～2%的效果;NASA兰利中心在Learjet型飞机上开展的类似飞行试验显示,脊状表面的减阻量约为6%左右。 脊状表面减阻的物理机制在于:脊状表面与顺流向的“反向旋转涡对”作用,产生“二次涡”。“二次涡”的产生和发展削弱了“反向旋转涡对”的强度,进而抑制了湍流猝发的形成。脊状表面流场理论研究发现,脊状表面的粘性底层厚度比平板的要厚得多,表明在脊状表面近壁区存在着低速流层,使得边界层外层高速流不直接与壁面接触,而从低速流层上流过,降低了壁面法线方向的速度梯度,从而产生了减阻效果[1,2]。 近些年,为了从微观流动结构方面研究脊状结构的减阻原理,PIV、LDV和热线风速仪等设备越来越多的被应用在减阻研究中。与以前使用测力天平等设备直接测量阻力不同,这些设备测得的是脊状结构表面流场的特性参数,需要计算出壁面摩擦速度,才能间接给出定量的减阻效果。Ant hony Ken2 dall等在文献[3]中提出用Musker和Spalding公式求摩擦速度;D.Hoo shmand等在文献[6]中提到用Clauser方法求摩擦速度。这些方法都要求准确测得包括粘性底层在内的边界层内层速度分布,但是对数律公式仅需要边界层对数律区的速度分布即可。由于准确测量粘性底层比较困难,因此笔者考虑利用对数律区速度分布公式,通过拟合求摩擦速度。 本文利用热线风速仪测量了五种不同尺寸的脊状结构表面流场,不仅从速度分布、湍流度分布方面3收稿日期:2008203218;修订日期:2008210206 基金项目:国家自然科学基金面上项目(10672136);国家自然科学基金重点项目(50835009)资助 通讯作者:宋保维(1963-),男,教授,目前主要研究方向:水下航行器设计、制造,流体力学,系统工程理论及其应用,计算机辅助设计与制造,机电一体化与机器人技术等。E2mail:songbaowei@https://www.360docs.net/doc/827707334.html,
船用气泡减阻技术发展
船用气泡减阻技术发展
船用气泡减阻技术发展 早在十九世纪30年代俄国和瑞典科学家就提出设想：在运动船舶的船体外表面和水之间，引入空气和排气形成气幕，可以大幅减少运动船舶总阻力。然而，这一设计思想在工程技术实践中却并不容易实现。因此，目前真正用于实船的仅为俄罗斯等极少数国家。 气泡船（air cavity craft）也有称作空气润滑船（air-lubricated-hull craft）或气浮船（air ride express）的，它是高性能船型中的一种。其工作原理是把空气引入船底，在船底表面形成气水混合的两相流，从降低液体粘性系数的角度来减小艇体的摩擦阻力，达到高速航运的目的。 1949年底，瑞典哥德堡船模试验池的
Edstrand提出了气膜减阻原理，但由于空气会自由地飘离船体表面，无法形成气膜，试验没有取得成功。60年代后，各国对怎样锁定气膜进行了深入研究，基本上形成了两种思路。 第一种思路是在平底船上开设一个凹进 船底的平面，四周用板材围起来，在船底凹面内通以压缩空气，使大部分气体封存在船底，当然难免还有一小部分气体随船体的移动从 船底边缘逃逸出去。这类技术主要应用在低速运输船上，如驳船、货船和大型油船。在我国黑龙江水运科学研究所研究的垫气驳就属于 这一类，并于1982年在黑龙江航运的驳船上应用成功。在正常运营航速（Vs=9km/h）下，阻力可比原船型减小30%，而消耗在压缩空气上的功率只占总功率的3%，节能效果十分显著。 第二种思路是将船底下的一层薄薄的气 膜扩展成一个增压气室，最终将演变成侧壁式气垫船，成为另一类高性能船型。80年代以来，前苏联、法国、美国、澳大利亚、荷兰等
船舶节能技术的最新发展
目录 目录 (1) abstract (3) 第一章绪论 (4) 1.1 研究目的与意义 (4) 1.1.1 研究目的 (4) 1.1.2 研究意义 (5) 1.2 船舶技术节能潜力与特点 (5) 1.2.1 船舶节能潜力 (5) 1.2.2当前船舶节能技术的特点 (5) 二、船舶节能技术取得的进步 (5) 2.1 节能推进器 (5) 2.1.1低速柴油机 (5) 2.1.2 中速柴油机 (6) 2.1.3正反转螺旋桨 (6) 2.2节能附件 (6) 三、节能型船型的设计 (6) 3.1 小水线面双体船型 (6) 3.2 双艉鳍船型 (7) 3.3 球艉和球鼻艏船型 (7) 3.4 非对称尾船型 (7) 四、节能措施 (7) 4.1 减少船舶阻力 (7) 4.1.1减阻球鼻 (7) 4.1.2 球艉船型 (7) 4.1.3微气泡减阻 (8) 4.1.4采用船尾附体(如加鳍、导流管等) (8) 4.1.5 减少船体的粗糙度 (8) 4.2 提高推进效率 (9) 4.2.1 舵球 (9) 4.2.2 扭曲节能舵 (9) 4.2.3 桨前导流鳍 (9) 4.2.4 桨后自旋助推叶轮 (9) 4.2.5 新型的高效推进器 (9) 4.3 采用混合动力装置 (10) 4.3.1 混合动力装置组成 (10) 4.3.2 混合动力装置余热回收 (10) 4.3.3 热能回收系统的工作模式 (10) 4.3.4 混合动力装置的主要优点 (10) 4.4 绿色船舶 (11) 4.5 提高船舶操作运行技术 (12) 五、结论和展望 (14)
六、致谢 (14) 参考文献 (15)
相似原理与量纲分析
对《粘性土地基强夯地面变形与应用的模型试验研究》的相似原理与量纲分析 包思远 摘要：实验研究是力学研究方法中的重要组成部分。量纲分析和相似原理是关于如何设计和组织实验，如何选择实验参数，如何处理实验数据等问题的指导性理论。相似原理与量纲分析的主要内容为物理方程的量纲齐次性，π定理与量纲分析法，流动相似与相似准则，相似准则的确定，常用的相似准则数、相似原理与模型实验。本文主要分析和学习例文中的相似模型的建立和量纲分析方法，用相似原理和量纲分析方法解决实验中遇到的问题。 关键字模型试验，相似原理，量纲分析 1 模型实验相似原理基础 模型顾名思义是把实际工程中的原型缩小N倍，进行相应的实验，得到相应的规律，来反映原型在现实工程中的状态，起到一个指导作用。 模型试验它的优点在于小巧，轻便，易于安装和拆卸，最重要的原因是它的经济性高能够从少量的实验经费中得到较好的实验规律。回归于模型试验的本质就是相似原理，而相似理论有三个，分别为相似第一、二、三三大定理，其中相似第一定律是:彼此相似的物理现象,单值条件相同,其相似准数的数值也相同;相似第二定律，也称为π定律，即:两个物体相似，无论采用哪种相似判据，某些情况下的相似判据均可写成为无量纲方程。第二相似定理表明现象的物理方程可以转化为相似准数方程。它告诉人们如何处理模型试验的结果，即以相似准数间的关系给定的形式处理试验数据，并将试验结果推广到其它相似现象上去;相似第三定律是相似现象的充要条件。现象相似的充分和必要条件是:现象的单值条件相似,并且由单值条件导出来的相似准数的数值相等。 实际应用时,相似条件都是由无量纲形式的π数来表示的。目前推导原型与模型相似条件的方法主要有方程分析法和量纲分析法。方程分析法是根据支配现象的微分方程来推导相似关系。在使用方程分析法推导相似关系时,首先要列出支配现象的微分方程,然后取项与项之比就可以求出无量纲的二数。这种方法对实验者知识的掌握程度要求较高。而且在计算机
实验探究：气泡速度
实验探究：气泡的速度 实验目的：1.测量气泡的速度 2.比较气泡不同时间内运动的速度，得出气泡运动的规 律。 实验思路：利用细玻璃管中注水后留有的气泡做直线运动，根据v=s/t ，分别用刻度尺测量气泡运动 的路程，用停表测量气泡运动的时间，即可计算出气泡的速度，并加以比较得出气泡运 动的规律。 实验器材：长约80cm 、内径10mm 的均匀玻璃管、水、刻度尺、停表 玻璃管内注满水，留有一个小气泡，两端封闭。 实验原理：v=s/t 实验步骤： 1.将留有气泡的玻璃管倒转，并保持竖直静止。 （实验操作）2.当气泡运动到某一位置时，做标记，用停表开始计时。 3.每2s 在玻璃管上标出气泡所在位置。 4.用刻度尺测出气泡每2s 通过的距离。 （5.根据v=s/t 求出每段时间内气泡运动的速度v 1、v 2、 v 3等，并比较 它们的大小得出气泡运动的规律。） 实验表格： 分析论证： 方法一：计算每组数据中的速度并进行比较，得出结论。 方法二：在直角坐标系中，描述出气泡 根据表中数据可知（分析过程）： 路程时间对应点。将这些点用光滑曲线 t 1=2s s 1 =10cm v 1 = s 1/t 1 =5cm/s 连接起来，得到气泡运动的s-t 图像。
t2=4s s2 =20cm v2 = s2/t2 =5cm/s 分析该气泡运动的s-t图像可知，该图 t3=2s s3 =30cm v3 = s3/t3 =5cm/s 像是一条过原点的直线（说明路程与） t4=2s s4 =40cm v4= s4/t4 =5cm/s 时间成正比），且气泡在玻璃管中沿直 比较可得：v1 = v2 = v3 = v4 =5cm/s 线运动，由此可得结论，该气泡以5 且气泡在玻璃管中沿直线运动， cm/s的速度做匀速直运动。 （得出结论过程） 由此可得结论该气泡做匀速直运动,且速度为5cm/s. 实验讨论： 1.为便于测量应让气泡的运动速度慢一些更好。 2.实验中发现，玻璃管倒置后，气泡刚开始的运动不是匀速直线运动，所以“从某一位置开始计时”是让气泡的运动趋于稳定，便于计时。 3.实验所用的试管不能太短，否则气泡运动时间太短，不便于测量气泡运动的时间和路程，实验误差大。 4.若实验中所用气泡的大小不同，测得的气泡运动速度也不同，则不应求速度的平均值，求速度的平均值没有意义。 5.为了便于操作，可以先在玻璃管上每隔20cm做一个标记，再用停表测量气泡通过每个标记所用的时间。根据v=s/t求出每段路程内气泡运动的速度。
船舶吃水差优化的研究
第19卷 第4期 中 国 水 运 Vol.19 No.4 2019年 4月 China Water Transport April 2019 收稿日期：2018-11-03 作者简介：戚可成（1972-），男，上海海华轮船有限公司高级轮机长。 船舶吃水差优化的研究 戚可成1 ，方剑益1 ，曾向明2 ，王 琦2 （1.上海海华轮船有限公司，上海 200080，2.上海海事大学，上海 200080） 摘 要：随着全球经济的快速发展，航运业也更加繁荣，与此同时，也带来了环境污染和能源逐渐枯竭的局面，为此，要提高船舶营运能效、节能减排。本文以”育明”轮为研究对象，通过仿真与试验结合，找出最佳吃水差。利用FLUENT 计算出计算船舶在不同吃水差下的阻力，通过船舶能效监控系统实时测出主机每海里油耗，并比较不同吃水差下船舶阻力的变化趋势和油耗的变化趋势，从中找出最佳吃水差，以供“育明”轮应用于实际航行，同时，也为其他营运船舶提供一个节能减排的新方法。 关键词：吃水差优化；船舶阻力；油耗 中图分类号：U674 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2019）04-0010-04 一、引言 根据国际海事组织（IMO）的统计，全球90%以上的贸易量都是由船舶运输来完成的，但是船舶在运输过程中也给环境带来了污染，如氮氧化物、硫氧化物、温室气体等，已经引起了国际社会的关注。其中，海上运输每年排放的温室气体超过1,000万t，占全球CO 2总排放量的2.7%左右[1]。 在此背景下，提高船舶能效、节能减排已势在必行。目前，航运界提出了多种节能减排的方法，如降速航行、航线优化、气泡减阻等。但是，这些方法都要增加船舶的投资资本或者是降低营运效率，并且这些方法对不同的船舶有不同的适应性，因此不能进行普遍推广。而调整船舶首尾吃水、改变吃水差，从而改变船舶在水中的航行姿态，降低船舶航行的阻力是一种相对简单而且具有普适性的船舶节能方法。 从国内外研究文献来看，1991年，王兴权等人[2]对“松林”号货轮做了纵倾的试验，并证实了通过调整船舶的纵倾状态可以节能；王伟等人[3]通过使用CFD 对KCS 船做了不同纵倾下的阻力预报，并从中得到船舶的最佳纵倾角和其节能效果；张剑在论文[4]中以46,000t 的油轮为研究对象，利用FLUENT 不同浮态下的船舶阻力进行计算，得出船舶处在艉倾3~4m 状态时的阻力最小，与平浮状态下相比可使航行阻力减少了2%；Subramani 和Paterson 等[5]对FF1052 和S60采用CFD 来计算船舶的阻力，然后将计算结果和实验结果对比，发现它们变化的趋势几乎一致，并且计算出的阻力最大值和实验中的最大值也很接近。 本文以“育明”轮为研究对象，使用通用流体计算软件FLUENT 计算船舶在不同吃水差下的阻力，并结合项目组研发的能效监控系统实测的主机油耗相对比，从中找出船舶在不同营运环境下的最佳吃水差，并提出吃水差优化的研究方法。 二、船舶吃水差 由于船舶装载的压载水、货物以及燃料使船舶的重心偏离船舶在正浮时的浮心位置，产生纵倾力矩，从而使船舶艏吃水与艉吃水不同[6]。 船舶的吃水差是指船舶的艏吃水d f 与艉吃水d a 的差，用t 表示，即： f a t =d d - （1） 当艏吃水大于艉吃水时，船舶的浮态为艏倾（Trim by bow）；当艏吃水小于艉吃水时，船舶的浮态为艉倾（Trim by stern）；当艏吃水等于艉吃水时，船舶的浮态为平浮（Even keel）。 船舶不同的吃水和不同的吃水差都会对船舶的航行性能产生重要的影响。如果船舶的艏倾过大，其首部甲板易上浪，舵叶和螺旋桨入水深度相对减小，如果遇到风浪，舵叶和螺旋桨易露出水面，形成飞车，导致船舶的航行稳定性变差，推进效率也降低。如果船舶的艉倾过大，不仅使首部底板容易受波浪拍打，船舶的操纵性会变差，驾驶台瞭望的盲区增加，还会使航速降低。 因此，船舶要保证在合适的吃水差下航行，如果调整的吃水差使船舶的阻力最小，主机每海里消耗的燃油量最小，能效营运水平最高，此时的吃水差被称为船舶最佳吃水差。 在通常情况下，计算船舶的首尾吃水时可以用下式近似求取： 0.5f m d =d +t （2） 0.5a m d =d t - （3） 除了可以用吃水差t 表示船舶的纵倾状态，还可以用纵倾角φ来表示船舶的纵倾状态，其中纵倾角φ要满足： tan t φ= L （4） 三、建模与计算 1．建立船舶模型
高速摄影技术对水中气泡运动规律的研究_张建生
第29卷第10期 光子学报 V ol.29N o.10 2000年10月 ACT A PHO TON ICA SIN IC A Octo be r2000 高速摄影技术对水中气泡运动规律的研究* 张建生1 吕 青1 孙传东2 卢 笛2 陈良益2 (1西安工业学院,西安 710032) (2中国科学院西安光学精密机械研究所,西安 710068) 摘 要 气泡在许多不同过程中起着重要作用.舰船尾流中的气泡提供了这样一个线索,即 基于对气泡的特性研究,并以此对舰船进行追踪是一种独特的方法.用高速摄影技术来研究 气泡,具有直观、低费用的优点,配合以半自动胶片判读仪,可获得较为详细的关于气泡的参 量.实验结果表明,水中气泡上升速度的大小都在随时间减小,气泡的末速度存在一极值,它 与一定大小的气泡相对应.文中详细讨论了水中气泡的动力学特征,并与高速摄影所得到的 气泡图象数据进行了比较,其结果的一致性肯定了高速摄影技术对水中气泡运动规律的研究 中的重要性. 关键词 高速摄影;气泡 0 引言 在很多实验和工程问题中,水中的气泡起着重要作用,对于这些问题的求解必然依赖于对水中气泡的分布、气泡的特性的掌握.比如,海洋表面附近的气泡在许多不同过程中起着重要作用,这些过程包括水下声波的传播、气象学、海洋表面化学、空化、大气-海洋气体交换、液滴喷射、有机粒子的形成、细菌传播、化学物质分馏、激光在水下的传输等.气泡广泛存在于海水、河水、湖水等各种条件的水中,气泡的生成可能有多种原因,如波浪的破碎产生的气泡、浮游生物产生的气泡、各种尘埃产生的气泡、各种微扰(包括大气流动、各种振动、声波、湍流等)产生的气泡、存在于舰船尾流中的气泡1.舰船尾流中的气泡提供了这样一个线索,即基于对气泡的特性研究,并以此对舰船进行追踪是一种独特的方法. 由于存在附加压强、浮力、介质的粘滞阻力以及压差阻力,还有不同温度、风力和光照下介质表面蒸发速率的影响,加之在运动过程中气泡的形变、分裂、结合、熄灭以及位移,每个气泡的运动规律和衰减情况大不相同.对于气泡的研究基本有两类方法,即声学和光学技术,其中光学技术主要有照相技术、激光散射技术和激光全息技术2,3.用高速摄影技术来研究气泡,具有直观、低费用的优点,配合以半自动胶片判读仪,可获得较为详细的关于气泡的参量. 1 气泡动力学 关于气泡的运动和动力学问题,Gar rettso ng 给出了一种基于牛顿运动定律的较为直观的理论4,这一理论考虑了水中气泡的受力情况、气泡表面活性物质及水流的影响,得到了气泡加速度的表达式. 1.1 气泡的加速度 对于单个气泡而言,它在水中的运动情况受很多因素的影响,这些因素包括水的流速、水的粘滞特性、气泡的尾流特性、气泡的惯性等.如果分别用v、V(r,t)来表示气泡速度和水的流速(其中r表示位置矢量,t表示时间),气泡体积e、气体密度d、水的密度d0,如果气泡完全被水支配,气泡将受到一个力d0e d V/d t.对于更为一般的情况,如果气泡内气体的密度与其所在流体的密度可能相等或者不等.如果d≠d0即气泡不 *国防科技重点实验室基金试点项目(编号:99JS26.3.1.ZK1801)收稿日期:2000-03-10
顶管注浆减阻技术
顶管注浆减阻技术 近年来，顶管技术朝着大管径、长距离的施工方向发展。特别是在繁华大都市的市政建设项目中，长距离地下顶管技术以其独有的优势被广泛地应用。 然而由于我市土质多为亚粘土、沙性土，顶进中摩阻系数大而使顶进长度受到限制。所以开发新的减阻技术，是实现大管径、长距离顶进的关键。 1 长距离顶进的方法、减阻材料及工艺效果 目前实现顶管的长距离施工的技术保证措施，除了设置中继间外，更重要的是通过注浆工艺来减小管材与土壤的摩擦阻力。采用注浆工艺润滑、减阻后可以使顶距提高40％一70％。 减阻用的主要材料是膨润土和水。当膨润土与水混合后，由于水掺人膨润土中，膨润土在水中膨胀重量可以达到膨润土原重量的600％—700％。经搅拌储存呈凝状，在有外力作用下呈流动状态，这种材料注夹在管外壳与土壤之间，会大大降低管节推进的摩阻力。静止时泥浆有良好的稳定性。为使膨润浆液有良好的性能，在制浆过程中要适量加一些辅助原料：如纯碱、纤维素CMC、缓凝剂等。 膨润土又分为钙基膨润土和钠基膨润土，吸收钙离子多的为钙基，吸收钠离子多的为钠基膨润土，根据不同的土质选用不同的配方。通过施工我们总结发现：在沙性土中钠基膨润土减阻效果较明显，资料分析显示它比钙基膨润土多含一层极薄的硅酸盐，它与膨润土中的蒙脱石小
粒子结合中易形成空隙构造，从而使浆液膨润性增加。触变以后流动性好，静止下来有胶凝性与固化性。 高效钠基膨润土浆液配方是：膨润土24kg，水76kg，碱0.8kg。 在不同的土质和施工条件下，对减阻泥浆性能有不同的要求。在沙性土质中，土层易塌方，流沙与地下水压向整个管壁，普通浆液达不到减阻效果，如在淤流沙层内，土层无水板结，遇水成流沙，膨润土会被流沙层内的水稀释，减阻效果就差。在这种情况下，①、要提高浆液粘度；②、应掺入CMC经甲基纤维素，以提高浆液抗剪切能力及润溶性。配方中的纯碱可提高浆液稠度，增加钠离子改变土粒子水化性能，但若加倍过量投入会破坏浆液的性能。 将搅拌好的浆液放入储浆罐中，须经3—4h存储待膨润土颗粒充分吸水膨胀(吸水率2h，430％)方可使用。此时浆液性能几项指标约为：粘度80s，静切力21mg／cm2，pH值0.8—10，比重约为1.17。粘稠度适中，用木锨棒插入液中能立住。 应注意的是：各地生产的膨润土成分特性相差较大，使用前要取样做试验。 在被顶进的混凝土管材上预留3—4个注浆孔，用口径为1英寸(0.0 254m)的橡胶管与各注浆孔连接，接到主注浆管上，再用软管连接到注浆泵上，泵的一端连接到储浆罐上。 近些年由于顶管采用注浆减阻工艺使顶管工程的口径及顶距都有大幅度提高，最大管径和最大顶距分别达到2400mm和290m。 2 注浆工艺中的顶力、摩擦力确定
气泡减阻
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PIV:particle image velocimetry DNS:direct numerical simulation HWA:hot-wire anemometry LDV:laser-Doppler velocimetry 1.INTRODUCTION In the past three decades,particle image velocimetry (PIV)has become a standard tool in exper-imental ?uid mechanics.The principal characteristic that has made it so useful is its ability to measure the instantaneous velocity ?eld simultaneously at many points,typically of the order of 103–105,with spatial resolution suf?cient to permit the computation of the instantaneous ?uid vorticity and rate of strain.To date,PIV is the only experimental method that provides such information in rapidly evolving ?ows.PIV measurements are most commonly snapshots of the two-or three-component velocity vector ?eld on a planar cross section of the ?ow,but in recent years new developments have made it possible to measure the velocity over volumetric domains and to measure sequences of velocity in time at rates suf?cient to resolve the temporal evolution.Undoubtedly,PIV has signi?cantly advanced experimental ?uid mechanics,especially the study of ?ows in complex geometries and turbulent ?ows,providing resolution and detail that can compete with modern numerical methods,such as direct numerical simulation (DNS)(Moin &Mahesh 1998).Applications of PIV range from creeping ?ows (Santiago et al.1998)to detonations last-ing only a few tens of microseconds (Murphy &Adrian 2011),from nanoscale ?ow phenomena (Stone et al.2002,Zettner &Yoda 2003)to motion in the atmosphere of Jupiter (Tokumaru &Dimotakis 1995),and from the motion in the beating heart of vertebrate embryos (Hove et al.2003,Vennemann et al.2006)to the accidental release of oil at the bottom of the Gulf of Mexico (McNutt et al.2011,2012).The evolution of PIV into the currently dominant method for mea-suring velocity is illustrated in Figure 1.Since its invention,it has largely superseded the two most important methods of measuring point-wise velocity,hot-wire anemometry (HWA)and laser-Doppler velocimetry (LDV).These methods have strengths that PIV has not been able to duplicate thus far.HWA has a superb signal-to-noise ratio,which makes it ideally suited to study low-intensity turbulent ?ows and their spectra,whereas LDV is well suited to high-intensity ?uc-tuations with respect to the mean and accurate measurements of long-time average,single-point statistics.But neither provides the spatial derivatives,?ow visualization,and capability for the spatial correlation offered by PIV,and Figure 1is perhaps best interpreted as an indicator of the importance of those capabilities in modern experimental ?uid mechanics. 19601970198019902000 1 2 3 4 R e l a t i v e o c c u r r e n c e (a r b i t r a r y u n i t s ) HWA LDV PIV Figure 1 The occurrence of the trigrams hot wire anemometry (HWA),laser Doppler velocimetry (LDV),and particle image velocimetry (PIV)in Google Books (https://www.360docs.net/doc/827707334.html, )between 1952and 2008.We note that a previous review on PIV in this journal (Adrian 1991)appeared when there was no obvious prevalence for any of the three main measurement methods.In the two decades since,PIV has become the dominant approach in experimental ?uid mechanics.Data taken from Google Ngrams. 410 Westerweel · Elsinga · Adrian A n n u . R e v . F l u i d M e c h . 2013.45:409-436. D o w n l o a d e d f r o m w w w .a n n u a l r e v i e w s .o r g b y M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y L i b r a r y o n 01/03/14. F o r p e r s o n a l u s e o n l y .
1、探究气泡的速度
（一）“实验探究：测量气泡的速度” 1、实验目的：_________________________________ 2、实验器材 玻璃管、橡皮塞、清水、坐标纸、记号笔、_________和_________. 3、实验的原理是 4、实验的思路是什么？ 5、实验操作步骤： （1）、在玻璃管中缓慢注一定量的水，管内__________________（约1.5cm~2cm长），将塞子塞住管口，将管子擦干净。 （2）、将玻璃管，观察。 （3）、当气泡_______________开始计时，用，将数据计入自己设计的表格中。 （4）、多次实验后，计算出各区间的时间和相应的速度。 （5）、将记录的时间和路程数据在，讨论研究气泡的运动规律。6、实验表格 7、测量气泡速度的实验方法：（1）（2） 8、实验中从小气泡运动到某一位置才开始记时的原因是 （1）（2）． 9、误差的主要来源是、 10、玻璃管选择有什么要一些，气泡的运动速度要慢一些，便于 11、研究充水玻璃管中，影响气泡运动快慢的因素是什么？ 12、同学们记录的实验数据如下表所示，根据实验数据，请你用“实心画点”在图中标 出不同时刻气泡的位置，并将这些点用光滑曲线连接起来。 时间t/s 路程s/cm 2 10 4 20 6 30 8 40 10 50
13、在以上直角坐标中，描述气泡位置的每个点的高度。 14、分析以上探究过程，小气泡的运动特点是。判断的依据是 。 15、同学们在以上实验的基础上进行了改动，利用10cm长的试管做实验是否合理？ 16、用注射器分三次向试管内注入不同的小气泡，获取相关的数据后，求出速度的平均 值，请你对实验进行合理评价。