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第 ４９ 卷　 第 ４ 期２ ０ １ ７ 年 ４ 月　哈　 尔　 滨　 工　 业　 大　 学　 学　 报ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＨＡＲＢＩＮ ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ。郑铮? ４９ Ｎｏ? ４Ａｐｒ． ２０１７　 　 　 　 　 。模希：１０．１１９１８／ ｊ．ｉｓｓｎ． ０３６７?６２３４．２０１５１１１１２活性剂对水下航行体减阻特性的影响张孝石，王　 聪，曹　 伟，许　 昊（哈尔滨工业大学　 航天学院，哈尔滨 １５０００１）摘　 要： 为减小水下航行体的阻力，研究通活性剂溶液的水下航行体湍流减阻的流动特性．通过从航行体头部向航行体边界通活性剂溶液的方法，分别对不同质量浓度和不同速度情况进行减阻实验研究，并分析了不同攻角下活性剂溶液对阻力和升力的影响．实验中活性剂溶液质量浓度分别为 ２００、４００、６００、８００ 和 １ ０００ ｍｇ／ Ｌ，流速为 ４～１０ ｍ／ ｓ，对比分析了阻力系数．实验结果表明：在活性剂溶液质量浓度为 ２００ ｍｇ／ Ｌ 时航行体减阻效果较弱，当活性剂溶液质量浓度增加到１ ０００ ｍｇ／ Ｌ时，减阻百分比高达 ４０．８％；在活性剂质量浓度为 １ ０００ ｍｇ／ Ｌ 时，当水流速度从 ４ ｍ／ ｓ 逐渐增大到１０ ｍ／ ｓ，减阻百分比在 １２．５％和 ４０．８％之间变化；活性剂对有攻角的航行体仍然有减阻效果并且对升力产生较小影响．关键词： 水下减阻；活性剂；航行体模型；水洞实验；升力中图分类号： ＴＶ１３１．３２ 文献标志码： Ａ 文章编号： ０３６７－６２３４（２０１７）０４－０１３７－０５Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｔａｎｔ ｏｎ ｄｒａｇ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ａｎ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｖｅｈｉｃｌｅＺＨＡＮＧ Ｘｉａｏｓｈｉ， ＷＡＮＧ Ｃｏｎｇ， ＣＡＯ Ｗｅｉ， ＸＵ Ｈａｏ（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ， Ｈａｒｂｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｈａｒｂｉｎ １５０００１， Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｄｒａｇ ｏｆ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｖｅｈｉｃｌｅ， ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ ｄｒａｇ?ｒｅｄｕｃｉｎｇｏｆ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｎｊｅｃｔｅｄ ｗｉｔｈ ｓｕｒｆａｃｔａｎｔ ｉｎ ａ ｗａｔｅｒ ｔｕｎｎｅｌ． Ｆｏｒ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｗｏｒｋ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｈｅｒｅ，ｓｕｒｆａｃｔａｎｔ ｉｓ ｉｎｊｅｃｔｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｈｅａｄ ｏｆ ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ． Ｔｈｅ ｄｒａｇ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ （ＤＲ） ｏｆ ｓｕｒｆａｃｔａｎｔ ａｓ ａ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｆｌｕｉｄｖｅｌｏｃｉｔｙ ａｎｄ ｓｕｒｆａｃｔａｎｔ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ａｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ． Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｔａｎｔ ｏｎ ｔｈｅ ｌｉｆｔ?ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｄｒａｇ?ｆｏｒｃｅ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｔｔａｃｋ ａｎｇｌｅ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｓｕｒｆａｃｔａｎｔ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ， ｎａｍｅｌｙ ２００， ４００，６００， ８００ ａｎｄ １０００ ｍｇ／ Ｌ， ａｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｅｘａｍｉｎｅ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｔａｎｔ ｏｎ ｄｒａｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ． Ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓａｒｅ ｓｅｔ ｂｅｔｗｅｅｎ ４ ａｎｄ １０ ｍ／ ｓ． Ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈｅ ＤＲ ｅｆｆｅｃｔ ｉｓ ｗｅａｋ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｔａｎｔ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｉｓ２００ ｍｇ／ Ｌ． Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｔａｎｔ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｔｏ １ ０００ ｍｇ／ Ｌ， ｔｈｅ ｄｒａｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｉｓ ｒｅｄｕｃｅｄ ｂｙ ａｂｏｕｔ４０．８％． Ｔｈｅ ＤＲ ｒａｔｉｏ ｒａｎｇｅｓ ｂｅｔｗｅｅｎ １２．５％ ａｎｄ ４０．８％ ａｔ ａｌｌ ｆｌｏｗ ｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓ ｕｐ ｔｏ １０ ｍ／ ｓ ｆｒｏｍ ４ ｍ／ ｓ ｗｈｅｎ ｔｈｅｓｕｒｆａｃｔａｎｔ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｉｓ １ ０００ ｍｇ／ Ｌ． Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｔａｎｔ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ， ｔｈｅ ｄｒａｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅ ｗｉｔｈ ａｎｇｌｅ ｏｆ ａｔｔａｃｋ ｉｓ ａｌｓｏ ｒｅｄｕｃｅｄ ａｎｄ ｔｈｅｒｅ ｉｓ ｓｌｉｇｈｔ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｌｉｆｔ?ｆｏｒｃｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： ｄｒａｇ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ； ｓｕｒｆａｃｔａｎｔ； ｖｅｈｉｃｌｅ ｍｏｄｅｌ； ｔｕｎｎｅｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ； ｌｉｆｔ?ｆｏｒｃｅ收稿日期： ２０１５－１１－３０基金项目： 黑龙江省自然科学基金（Ａ２０１４０９）作者简介： 张孝石（１９８７—），男，博士；王　 聪（１９６６—），男，教授，博士生导师通信作者： 王　 聪，ａｌａｎｗａｎｇ＠ ｈｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ　 　 水下运动体受到的流体黏性阻力约占其总阻力的 ７０％左右，对于管道液体输送黏性阻力几乎占总阻力 １００％左右 ［１］ ．减小摩擦阻力可以提高水中航行体速度，增强水下航行体攻击能力，因此了解水中航行体阻力产生的原因，研究其减阻机理意义重大．目前减阻方法主要有：空化减阻、主动通气减阻、柔性波减阻、微沟槽减阻、表面涂层减阻、高分子聚合物减阻等．高分子聚合物减阻是通过聚合物分子变形的有序性产生两种作用：１）通过阻碍漩涡的产生降低涡旋的发生频率；２）通过降低已经形成漩涡的转动速率．这两个效果减小了高分子溶液的猝发周期，从而达到了湍流减阻效果．文献［２］首次发现在水中添加少量的高分子聚合物可以使湍流阻力大幅降低，当高分子聚合物溶于水后，在一定的温度和质量浓度条件下会形成链式分子聚合体，由于此类分子聚合体可以伸缩、弯曲并随流体一起流动，从而可以吸收并缓冲湍流脉动动能，降低湍流强度并达到降低阻力的效果．文献［２］首次发表水中添加高分子聚合物可以达到减阻效果后，学者们开始广泛、深入和细致地研究添加剂减阻问题，并得出在流体中加入特定添加剂，例如高分子聚合物、表面活性剂等物质，则流体变为非牛顿流体，流体的壁面摩擦阻力最大可降低 ８０％．大量研究表明， 高分子聚合物存在抗剪切性能、易降解、受温度影响大等缺点，在受到湍流流动的高剪切力或在高温状态下，分子链易断裂并降低或者失去减阻能力 ［３］ ．近年来大量研究表明，相比高分子聚合物表面活性剂在应用于流体的减阻过程中不但可以克服不