趙剛，谷云慶，許國(guó)玉，夏冬來(lái)，趙華琳，姚建均

(哈爾濱工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱，150001)

從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，降低阻力節(jié)約能源一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者致力研究的重點(diǎn)問(wèn)題。減阻技術(shù)不僅具有非常重要的軍事價(jià)值，而且在交通運(yùn)輸、油氣輸送、體育等諸多領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景[1]。在動(dòng)力和能源一定的條件下，根據(jù)理論推算，假設(shè)將船舶表面阻力減小 10%，其航行速度和航程可以同時(shí)增加約3.57%，即使只能獲得較小的減阻效果，每年也可以節(jié)約大量的能源，這對(duì)于緩解當(dāng)前國(guó)內(nèi)外能源危機(jī)極為重要[2-3]。生物經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年不斷的自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自重構(gòu)、自繁殖而不斷進(jìn)化，它不僅包含機(jī)體對(duì)外界介質(zhì)的即時(shí)調(diào)控，同時(shí)還包含自身經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期進(jìn)化形成的已相當(dāng)穩(wěn)固的對(duì)外屆環(huán)境的適應(yīng)性，進(jìn)而形成適合其自身生存的表面外形結(jié)構(gòu)[4]。在現(xiàn)有的減阻技術(shù)中，仿生減阻技術(shù)通過(guò)模擬生物在進(jìn)化過(guò)程中獲得的某些減阻特征，得到了很好的減阻效果，具有重要的工程實(shí)用價(jià)值。如采用與鯊魚(yú)鱗片具有相似結(jié)構(gòu)的溝槽表面減阻[5-9]，使用與海豚表皮相似彈性特征的柔性表面減阻[10-13]，利用仿照昆蟲(chóng)表面設(shè)計(jì)的非光滑表面減阻[14]等都是仿生減阻研究的重要成果。魚(yú)類的鰓位于咽的兩側(cè)，直接或間接與外界相通，在胚胎的早期，外胚層也向內(nèi)凹陷，內(nèi)外兩胚層相遇后打穿，形成鰓裂。鰓裂的數(shù)目隨動(dòng)物種類不同而不同，圓孔類數(shù)目多為7對(duì)鰓裂。鯊魚(yú)終日生活在海水中，是具有快速運(yùn)動(dòng)能力的水生動(dòng)物，在其捕食時(shí)的行進(jìn)速度非?？?，深海鯊魚(yú)的爆發(fā)啟動(dòng)速度驚人，可達(dá)10～20 m/s。觀察發(fā)現(xiàn)，其身側(cè)前部排列著寬大的鰓板，每側(cè)有5～7個(gè)鰓裂，在游動(dòng)時(shí)海水通過(guò)半開(kāi)的口吸入，從鰓裂流出進(jìn)行氣體交換，其功能除與呼吸密切相關(guān)外，還與降低自身運(yùn)動(dòng)阻力有關(guān)。在前期工作中，針對(duì)射流方向影響仿生射流表面減阻效果進(jìn)行深入研究，得到較好減阻效果[15]。基于仿生研究的基本原理，通過(guò)對(duì)魚(yú)類鰓裂部位的形態(tài)特征進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，建立類似魚(yú)類鰓裂部射流特征的仿生射流表面，在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅砻婕庸こ龇律淞骺捉Y(jié)構(gòu)，通過(guò)小型射流減阻測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究仿生射流表面的減阻特性。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

仿生射流表面減阻特性實(shí)驗(yàn)在哈爾濱工程大學(xué)仿生減阻研究實(shí)驗(yàn)室完成。自行設(shè)計(jì)并制造一個(gè)評(píng)估射流減阻效果的小型射流減阻測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該小型射流減阻測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)腔體為1個(gè)充滿水的封閉的循環(huán)管路，通過(guò)調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩信號(hào)耦合器帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸及負(fù)載旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并在密封倉(cāng)內(nèi)形成一個(gè)壓力穩(wěn)定的均勻流場(chǎng)。射流供水采用水泵供給方式，通過(guò)水泵將水槽中水泵入射流存水區(qū)，并以一定速度向密封倉(cāng)內(nèi)進(jìn)行射流。小型射流減阻測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要設(shè)備包括：(1)YVP系列變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)。電機(jī)功率為1.5 kW，通過(guò)型號(hào)為E1000系列變頻器進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)控；(2)扭矩信號(hào)耦合器。扭矩信號(hào)耦合器兩端軸頸通過(guò)聯(lián)軸器分別與電機(jī)和旋轉(zhuǎn)軸相聯(lián)接，測(cè)試實(shí)驗(yàn)過(guò)程中流體對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅砻娴哪Σ僚ぞ兀?3)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。自行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在 LabVIEW 環(huán)境下編寫(xiě)圖形用戶界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)流程的軟件控制，采集實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不同實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖铝黧w對(duì)其表面的摩擦扭矩值，達(dá)到對(duì)數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)化及數(shù)據(jù)監(jiān)控的實(shí)時(shí)化；(4)水泵。射流供給動(dòng)力裝置。(5)聯(lián)想計(jì)算機(jī)。

減阻測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。其中，密封倉(cāng)為1個(gè)圓形倉(cāng)體，內(nèi)腔壓力為常壓狀態(tài)，直徑×高度為 180 mm×125 mm，距小端面一側(cè)距離為 70 mm處正中頂端處和底端處分別開(kāi)有直徑為6 mm的通孔，便于向密封倉(cāng)內(nèi)注入流體及作為射流出水管孔。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ托D(zhuǎn)速度范圍為0～5 000 r/min，連續(xù)可調(diào)；扭矩信號(hào)耦合器量程范圍為 0～10 N/m，率響應(yīng)為100 μs。

圖1 小型射流減阻測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic of small jet drag reduction testing platform

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)扭矩信號(hào)耦合器運(yùn)行，扭矩信號(hào)耦合器通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)行；負(fù)載主要包括射流供水部分和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒糠?。本?shí)驗(yàn)為對(duì)照實(shí)驗(yàn)，其中實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑榭筛鼡Q構(gòu)件，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)扭矩信號(hào)耦合器顯示出不同射流表面實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c對(duì)照的光滑表面模型在相同轉(zhuǎn)速、相同實(shí)驗(yàn)環(huán)境下所受到流體摩擦扭矩，通過(guò)摩擦扭矩來(lái)量化減阻效果。電機(jī)通過(guò)變頻器進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，扭矩信號(hào)耦合器將信號(hào)依次通過(guò)變送器、采集卡至計(jì)算機(jī)中，通過(guò)LabVIEW軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取并存儲(chǔ)。在軟件界面中可以讀取系統(tǒng)中扭矩瞬時(shí)值和扭矩隨時(shí)間變化曲線圖及扭矩信號(hào)耦合器輸出端轉(zhuǎn)速變化瞬時(shí)值和轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化曲線圖。

1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

考慮到密封倉(cāng)尺寸、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ妥陨碣|(zhì)量及形狀對(duì)系統(tǒng)影響、材料成本、模型加工及產(chǎn)品質(zhì)量，最終選擇U-PVC管作為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ洼d體。分別截取直徑×高度為160 mm×50 mm、壁厚為5 mm的幾段圓形管路。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷男挝还顬?級(jí)精度，表面粗糙度為0.8。射流孔結(jié)構(gòu)加工在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅砻嫔?，加工成通孔，沿周向及軸向按照一定規(guī)律分布。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅砻嫔淞骺准庸し椒ㄈ缦拢涸O(shè)計(jì)專用夾具(夾具由鉆模、螺栓及專用壓板等組成，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯ㄟ^(guò)螺栓專用壓板固定在可傾式工作臺(tái)上，鉆模通過(guò)螺紋固定在模型上)，通過(guò)與可傾式工作臺(tái)配合使用，高質(zhì)量地加工出射流孔；定位方式可依據(jù)不同實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膶?shí)際結(jié)構(gòu)以及精度需要而定。射流孔具體排布方式為：在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭芟蚱骄植?0個(gè)射流孔(a=36°)，軸向分布 5排射流孔，每排10個(gè)，共計(jì)50個(gè)射流孔。其中軸向第1排孔、第3排孔和第5排孔相對(duì)應(yīng)的每3個(gè)射流孔在同一母線上；第2排孔、第4排孔相對(duì)應(yīng)的每2個(gè)射流孔在同一母線上，二者母線與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨A心所成面的二面角θ=18°。第3排孔位于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭虚g部位，與第1排孔和第5排孔之間距離均為20 mm，第2排孔與第4排孔距較近一側(cè)端面距離均為20 mm，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)如圖2所示。射流孔徑D分別取1.2，2.0，3.0和4 mm 4組，共計(jì)5組實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，其中包括一個(gè)表面不帶射流孔光滑實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀楸苊饧庸み^(guò)程中U-PVC管因受力不均而產(chǎn)生變形，加工出與U-PVC管內(nèi)孔相配套的圓形襯套，當(dāng)在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅砻婕庸ど淞骺跁r(shí)，將圓形襯套安裝在 U-PVC管內(nèi)腔中，達(dá)到提高管壁強(qiáng)度的功效。

射流實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)一次實(shí)驗(yàn)完成后，只需要更換實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图纯?，而不需要進(jìn)行其他部位拆卸，保證了不同實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ颓闆r下實(shí)驗(yàn)狀態(tài)的一致性，也避免了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中定位誤差及裝配誤差等，并且操作容易所需時(shí)間短。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)工作時(shí)振動(dòng)小，噪聲低，水循環(huán)利用，起到環(huán)保、節(jié)約資源的功效。

圖2 射流表面實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure schematic drawing of experimental model and jet surface

2 測(cè)試實(shí)驗(yàn)工作原理及評(píng)估方法

2.1 工作原理

在密封倉(cāng)內(nèi)沒(méi)有注入水之前，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)電機(jī)未啟動(dòng)，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅砻娌皇苣Σ磷枇Γ粏?dòng)電機(jī)，測(cè)得此情況下實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)的摩擦扭矩，用于對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所采集的扭矩即為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ退艿搅黧w對(duì)其的摩擦扭矩。以上工作校驗(yàn)好后，停止電機(jī)運(yùn)行，通過(guò)密封倉(cāng)底端管路向密封倉(cāng)內(nèi)注入水，當(dāng)頂端管路有均勻水流流出時(shí)，表明水已經(jīng)注滿腔體。射流供給采用水泵供給。啟動(dòng)電機(jī)，通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，繼而調(diào)控實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ托D(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谒行D(zhuǎn)過(guò)程中受到水對(duì)其表面的摩擦阻力，該摩擦阻力作用于扭矩信號(hào)耦合器表現(xiàn)為扭轉(zhuǎn)力矩，這個(gè)變形通過(guò)扭矩信號(hào)耦合器轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率信號(hào)，頻率信號(hào)經(jīng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，送至計(jì)算機(jī)中，通過(guò)基于 LabVIEW 環(huán)境下編寫(xiě)圖形用戶界面，最終以扭矩的形式顯示出測(cè)量值及即時(shí)變化曲線。同時(shí)，扭矩信號(hào)耦合器通過(guò)碼盤(pán)采集自身輸出軸的轉(zhuǎn)速，將信號(hào)一并輸計(jì)算機(jī)中，在數(shù)據(jù)采集用戶界面顯示出轉(zhuǎn)速即時(shí)值及即時(shí)變化曲線。

為了避免測(cè)試系統(tǒng)誤差，提高流體阻力測(cè)試的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)之前對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行零點(diǎn)標(biāo)定。通過(guò)進(jìn)行多次無(wú)信號(hào)輸入狀態(tài)測(cè)試采樣之后，對(duì)零點(diǎn)誤差進(jìn)行剔除極值后取平均的方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，同時(shí)將處理后得到的誤差值存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)中，在進(jìn)行正式的實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，實(shí)驗(yàn)值減去預(yù)先存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的每次測(cè)量的零點(diǎn)誤差后即為真實(shí)測(cè)量值，通過(guò)該方法可以有效消除測(cè)試值零點(diǎn)誤差。

2.2 評(píng)估方法

實(shí)驗(yàn)中采集時(shí)間為0.05 s，為了得到穩(wěn)定性較好的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，剔除前500次所采集的數(shù)據(jù)，從501次起，共取300次。分別計(jì)算不同實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ颓闆r下的300組數(shù)據(jù)的平均值，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中分別對(duì)光滑表面實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃筒煌淞骺讖降膶?shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行扭矩測(cè)試，旋轉(zhuǎn)速度r依次取2 500，2 600，2 700，2 800，2 900，3 000，3 100，3 200，3 300，3 400，3 500和 3 600 r/min，共12組旋轉(zhuǎn)速度。水溫為 20 ℃。通過(guò)光滑表面實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c相同條件下開(kāi)有不同射流孔徑的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷哪Σ僚ぞ剡M(jìn)行比對(duì)，來(lái)評(píng)估仿生射流表面的減阻效果，減阻率R計(jì)算公式為：

式中：Ms為光滑表面實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ退苣Σ僚ぞ?，N·m；MJ為射流表面實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ退苣Σ僚ぞ?，N·m。

旋轉(zhuǎn)過(guò)程中由于水的黏性作用而對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ彤a(chǎn)生摩擦阻力，繼而產(chǎn)生摩擦扭矩，其中，摩擦阻力f為

式中，τ表示壁面剪應(yīng)力，MPa；A表示壁面面積，m2；τi表示壁面離散單元剪應(yīng)力，MPa；Ai表示壁面離散單元面積，m2。

由式(2)可得摩擦扭矩公式：

由于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c回轉(zhuǎn)中心間距離為定值，由式(3)可知，通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅砻嫠苣Σ僚ぞ貋?lái)反應(yīng)減阻率與采用實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅砻嫠茏枇?lái)反應(yīng)減阻率效果一致。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在旋轉(zhuǎn)速度為2 500～3 600 r/min(間隔為100 r/min)下，依次對(duì)光滑表面、射流孔徑分別為1.2，2.0，3.0和4.0 mm實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖?，測(cè)試水對(duì)其表面的摩擦扭矩，并計(jì)算出各射流表面的減阻率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖3所示為不同表面結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷哪Σ僚ぞ靥匦郧€，圖4所示為仿生射流表面實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ碗S旋轉(zhuǎn)速度變化曲線。由表1和圖3可知，不同表面結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ碗S旋轉(zhuǎn)速度增大，所受摩擦扭矩變化梯度越來(lái)越大，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度增大至3 000 r/min時(shí)，光滑表面實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ退艿哪Σ僚ぞ孛黠@大于射流表面實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ退艿哪Σ僚ぞ兀渲猩淞骺讖綖? mm的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ退苣Σ僚ぞ刈钚　Ｓ杀?和圖4可知，旋轉(zhuǎn)速度為3 000 r/min以下時(shí)，射流表面出現(xiàn)增阻力現(xiàn)象，隨著旋轉(zhuǎn)速度不斷增加，增阻現(xiàn)象逐漸減小；當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到3 000 r/min時(shí)，射流表面出現(xiàn)減阻效果，且隨著旋轉(zhuǎn)速度不斷增加，減阻率逐漸增大。從圖4可以看出：旋轉(zhuǎn)速度在3 000 r/min以上時(shí)，射流孔徑為3 mm表面結(jié)構(gòu)減阻效果最好、射流孔徑為4 mm表面結(jié)構(gòu)減阻率其次、射流孔徑1.2 mm表面結(jié)構(gòu)減阻效果最差；旋轉(zhuǎn)速度在3 000 r/min以下時(shí)，射流孔徑為2 mm表面結(jié)構(gòu)增阻效果變化梯度最大，增阻最為明顯；當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為 3 500 r/min、射流孔徑為3 mm時(shí)，減阻率最大，為10.8%；當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為2 500 m/min、射流孔徑為2 mm時(shí)，增阻效果最大，為11.7%。

表1 不同表面結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诓煌D(zhuǎn)速度下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Variable rotational speed experiment result of experimental model with variable surface structure

圖3 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍Σ僚ぞ仉S旋轉(zhuǎn)速度變化特性曲線Fig.3 Friction torque characteristic curves of experimental model vs. rotational speed

圖4 仿生射流表面減阻率隨旋轉(zhuǎn)速度變化曲線Fig.4 Drag reduction effect curves of bionic jet surface vs. rotational speed

結(jié)合前期對(duì)仿生射流表面減阻特性仿真分析結(jié)果及本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以認(rèn)為：與模型表面無(wú)射流孔的光滑表面所受摩擦阻力相比，射流表面在一定條件下，可以明顯降低射流孔沿旋轉(zhuǎn)方向下游流域的摩擦阻力，這與射流過(guò)程中產(chǎn)生的漩渦有著密切關(guān)系。在射流過(guò)程中，射流孔下游近壁面處低速流場(chǎng)厚度增加，即邊界層黏性底層增厚，相應(yīng)速度梯度降低，使得壁面所受剪應(yīng)力降低，摩擦阻力減小。當(dāng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ托D(zhuǎn)速度增大時(shí)，射流速度增大，射流孔下游近壁面處出現(xiàn)漩渦，此時(shí)漩渦速度較低，相當(dāng)于邊界層黏性底層繼續(xù)增厚，壁面所受剪應(yīng)力降低，表現(xiàn)減阻狀態(tài)；隨著旋轉(zhuǎn)速度逐漸增大，漩渦尺寸和速度逐漸增大，致使射流孔壁面附近產(chǎn)生反向流，反向流與漩渦同步發(fā)生變化，反向流對(duì)射流孔下游流域產(chǎn)生逆流向的推動(dòng)作用，致使摩擦阻力下降。因此，隨著射流速度逐漸增加，射流孔下游流域漩渦不斷發(fā)展，影響下游減阻流域范圍變大，表現(xiàn)出明顯的減阻效果；此外，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度增加到一定程度時(shí)，由于漩渦的作用，使相鄰射流孔之間的邊界層的速度梯度增大，壁面切應(yīng)力增大，致使摩擦阻力增加，此時(shí)，減阻率變化梯減小。

在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ托D(zhuǎn)過(guò)程中，射流孔在沿旋轉(zhuǎn)方向下游一側(cè)形成漩渦，漩渦的不斷發(fā)展變化致使射流孔壁面附近產(chǎn)生反向流，反向流速度隨漩渦的發(fā)展而增大，最終對(duì)出口射流產(chǎn)生逆流向的推動(dòng)作用，導(dǎo)致了摩擦阻力下降，呈現(xiàn)出減阻趨勢(shì)。但是，漩渦運(yùn)動(dòng)的能量一方面來(lái)自于自身動(dòng)力作用，另一方面來(lái)自外界流場(chǎng)的作用，近壁面處外界流場(chǎng)在為射流孔下游漩渦運(yùn)動(dòng)提供一定能量后其自身速度降低，將無(wú)法繼續(xù)提供足夠的能量去推動(dòng)下一個(gè)漩渦運(yùn)動(dòng)，只有當(dāng)外界流場(chǎng)本身獲得一定能量后，才能繼續(xù)完成下一次能量的傳遞過(guò)程，這就需要射流自身提供能量，因此，隨著射流速度的增加，減阻率變大。隨著旋轉(zhuǎn)速度繼續(xù)增加，射流表面所受到水的黏性阻力越來(lái)越大，漩渦所能提供的減阻變化梯度小于水黏性阻力所產(chǎn)生的增阻變化梯度，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅砻媪鲌?chǎng)接近于光滑表面，減阻效果逐漸削弱；當(dāng)漩渦所能提供的減阻變化梯度完全不能克服黏性阻力所產(chǎn)生的增阻變化梯度時(shí)，呈現(xiàn)出增阻狀態(tài)。根據(jù)以上對(duì)射流減阻特性分析，可以推測(cè)：在射流孔徑一定情況下，存在1個(gè)合適的旋轉(zhuǎn)速度使射流表面減阻效果達(dá)到最佳；在射流孔徑不同情況下，射流過(guò)程中所形成漩渦大小、結(jié)構(gòu)、速度、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等特性不盡相同；同時(shí)，射流孔排布、射流速度等均對(duì)射流過(guò)程中形成漩渦有影響作用。因此，射流孔徑、射流孔排布、外界流場(chǎng)速度、射流速度等相關(guān)因素都直接影響著射流表面的減阻特性。

4 結(jié)論

(1)仿生射流表面能夠改變水對(duì)其表面的摩擦阻力，具有一定的減阻效果，減阻率與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ娃D(zhuǎn)速、射流孔徑、射流速度密切相關(guān)。

(2)當(dāng)射流孔徑一定、旋轉(zhuǎn)速度在3 000 r/min以上時(shí)，減阻率隨著實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ托D(zhuǎn)速度的增而增加，最大減阻率為10.8%。

(3)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅砻娣植即怪鄙淞骺拙哂休^好的減阻效果，下一步需要探索非垂直射流孔情況下射流減阻特性，射流孔排布、射流孔不同形狀對(duì)減阻效果的影響，以及射流各相關(guān)因素之間相互耦合情況對(duì)射流表面減阻特性的影響。

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