加热对自然转捩湍斑产生影响的实验研究

　　本文利用流动显示和高速摄像技术，在湍流度为1%的水洞中，对加热的细长旋成体鱼雷模型表面的流动转捩过程进行了实验研究。实验发现，加热对自然转抉过程中湍流斑的碎发有明显影响，加热减小了湍斑产生的频率，增加了湍斑间的展向间距，使转挟过程中层流转变为完全湍流的过渡区延长.加热对湍斑产生的纵向位置无明显影响。本文的实验结果正好解释在较高湍流度环境中的加热减阻机理.

　　1引言

　　近二十多年来，人们已发现在水中加热固体壁面是一种有效的减阻手段。1970年Wazzan等[l]通过计算发现加热可增强层流边界层的流动稳定性使临界雷诺数提高。加热水下航行器壳体将减小壁面附近水的粘性，使层流边界层近壁区流体的动量比未加热时的提高，从而使加热后的层流速度剖面比Blasins速度剖面变丰满，稳定性增强，层流转变为湍流的距离延长。

　　Arakeri(1979年)^z]在高速水洞中(湍流度0.2%)用显示技术研究了加热对轴对称体流动稳定性的影响，结果表明当温差达到27.1⁰c时，流体失稳的临界雷诺数由2.63x10⁵增大到4.5x10⁵。Lauehle和Gurney(1954^)[3]在高速水洞中(湍度为3%)对加热的细长旋成体鱼雷模型进行了实验，当加热温差为25^oC时，转挟雷诺数从4.5x10“增加到3.6x10⁷。周福国等(l990)[4]在水洞中(湍流度约为3%)还对加热的细长旋成体模型进行了测力实验，发现加热最大减阻率可达31.8%。由此可见，对水下航行器，适当的表面加热能有效地增大转挟雷诺数，使航行器受到的摩擦阻力明显减小。

　　层流转变为湍流通常是以湍流斑的形成为标志的，而湍斑产生的位置和碎发频率决定了水下航行器表面流体流动的层流区、过渡区和完全湍流区的长度，从而也就决定了航行器所受的摩擦阻力大小。但加热对湍斑的产生有何影响，人们并未认只清楚。近年来人们已认识到湍斑的产生与湍流底层大尺度拟序结构的碎发有相似的特点与规律lsl。因此研究加热对湍斑产生影响不仅对认识水下航行器加热减阻的机理有重要意义，而且对认识有加热的湍流边界层的拟序结构有促进作用。

　　2实验设备和方法

　　2.1实验设备

　　实验是在安徽梅山水库一座利用水库存水的重力式、低噪声、反调压、非循环水洞中进行的。水洞结构如图1所示。水洞由进口段、整流段、工作段、扩散段、调压水塔、去气装置和电动控制阀组成。工作段为200x200x1120mm的正方形截面水平段.底部及两侧采用透明有机玻璃制成，上部为挂装模型用的金属盖板。工作段水流速在0.2、18m/s范围内连续可调，流体湍流度约为1%，实验水温为20oC。