平板湍流边界层内气泡流流动实验研究

平板喷气减阻的试验研究[1]表明:在平板和水之间通入空气,形成均匀稳定的水气混合流(气泡 流)时,平板局部摩擦阻力最大减少量可达80%,但由于试验条件的限制,文献[1]未能深入研究平板喷 气减阻的原因.为了定性说明平板喷气减阻的机理,在文献[1]的基础上,我们进一步开展了平板水—气 两相湍流边界层特性以及平板放置方式对气泡流稳定性影响的实验研究.

1　实验装置和实验方法

水洞:北京大学湍流研究国家重点实验室400 mm×400 mm×6 000 mm低湍流度水洞,速度范围 为:10~1 300 mm/s,湍流度低于0.3%. 模型长为1 200 mm,宽为380 mm,厚为10 mm,在厚度方向带有椭圆头部和削尖尾部的有机玻璃 平板,在平板导缘后410 mm处沿平板纵向中心线设置长70 mm、宽130 mm的不锈钢喷气板.实验模 型如图1所示.来流速度为距平板前缘1 080 mm处的平均流速U. 

喷气板:由激光雕刻而成,其喷孔的名义直径分别为0.11 mm、0.2 mm、0.5 mm. 

流动显示:采用片光源进行流动显示,片光源分别由水洞的水平两侧斜向射入实验平板的底部.录 像镜头和照像镜头位于实验平板所在水洞位置处的正下方.

 流场速度采用LDV(laser Doppler velocity)技术测量.激光束垂直于水洞的纵向中心面入射.对平板 水平放置时,喷气前后平板边界层速度的测量也采用LDV技术.但由于喷气时,湍流边界层内气泡的存 在,激光束不能穿过气泡流,根据这一现象,实验时设计了一种近似测量气泡流厚度的方法,即自平板底 部沿垂向向下缓慢地移动激光束,激光移动的步长为10μm,当激光束穿过时,记录所对应的激光束垂 向移动值,此值近似为气泡流的厚度.

 喷气气流量由LZDH-15型金属转子气流量计测量,量程为10 m3/h.

2实验结果与分析

2.1　流动显示

对3种名义来流速度(0.5 m/s、0.8 m/s、1.3 m/s)、3种孔径(0.11 mm、0.2 mm、0.5 mm)及平板3 种放置状态(水平、纵倾、横倾),进行了变气流量气泡流动显示研究.图2~5给出了孔径为0.5 mm及 平板水平、横倾7.5°放置时,典型的气泡流动显示照片. 　

通过对流动显示实验的录像及典型流动照片的分析可知:①当平板水平放置时,气泡流自喷气位 置处开始,纵向沿着去流方向延伸,横向向平板两侧扩散;横向扩散范围随气流量增大而增大,随来流速 度增大而减小;气泡近似为椭圆形.②将照片放大到实际模型尺度,并对气泡的大小进行测量后可知: 气泡直径在0.3~10 mm之间,且随气流量的增大而增大,随来流速度的增大而减小.当来流速度较大 时,喷孔大小对气泡直径的影响不大.③对平板纵倾状态,当速度较小时,气泡流主要以月牙形或三角 形的气层形式出现,气体从喷气出口后方不远处就由平板两侧逸出,随气流量增大,气层长度减小;当速 度较大时( U=1.29 m/s),其流动图像与平板水平放置时的相似.④对平板横倾状态,气泡流偏向于横 向上升方向,在气流量较大时,自喷气处开始横向向上方卷起一个沿去流方向扩展的涡流.