本发明专利技术提供一种在巡航的舰船中的气泡流域中，气泡在表面摩擦减少中的作用的分析方法。基于从沿轮船表面的液流方向和与船壁表面方向成直角的方向的气泡运动求出的作用在气泡上的阻力ΔＲ↓［ｖ］，在流域中由气泡产生的剪切力减少量τ↓［ｔ］在高频带区获得。根据可操作壁常数ｋ↓［１］和和气泡流中局部摩擦因子Ｃ↓［ｆ］的关系表达式和无气泡流中标准壁常数ｋ和无气泡流中局部摩擦因子Ｃ↓［ｆｏ］之间的关系表达式，可得到表面摩擦系数比Ｃ↓［ｆ］／Ｃ↓［ｆｏ］的解析解。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种用于分析存在于轮船-水交界面的气泡对减少巡航舰船表面摩擦的效应的方法。在减少巡航舰船的表面摩擦的方法中，有一种在轮船外表面区域引入气泡的方法。许多用于分析气泡在减少表面摩擦的效应的理论模型假定，在计算轮船周围的流域中的各种流动参数之前空隙度分布(气泡在边界层的分布)是已知的，于是，有必要澄清产生空隙度的机理，以对摩擦减少作用进行精确估计。为应用这种摩擦减少方法分析在实际轮船中的气泡流效应，很有必要在计算流域中各种参数的过程中，估计存在的给定体积气泡的空隙度。这样，根据减少表面摩擦的气泡流的实际应用的观点，研究空隙度分布也非常关键。本专利技术人在第一次公开号Hei 8-144646的日本专利申请公开了一种基于混合长度理论获得船体表面气泡动态特性的方法。接着，第一次公开号为Hei 9-29899的日本专利申请中公开了一种技术，其中模拟船体表面上的气泡分布图象。还在第一次公开号Hei 9-142818和Hei 10-55453的日本专利申请(美国专利申请号为No.078,950)中公开了在靠近船体表面的边界层涡流中的涡流模型可通过把混合长度理论扩展为涡流模型中的气泡流域来构造，它还提供一种分析方法，从逻辑上解释以前的实验结果，并证明了通过调整气泡流的壁面法则中有效的壁常数κ1，指出气泡混合长度，根据流域的范围，即产生的涡流边界层的厚度，可分析再现不同流域中的摩擦减少的效应。然而，在所述第一次公开号Hei 9-142818和Hei 10-55453的日本专利申请中公开的技术中强调简化分析过程。于是所提出的模型在发展理论框架方面没有进行充分研究。例如我们认为下面几点迫切需在近期内研究。(1)虽然在y-向的气泡运动(重力方向)的气泡运动定量地讨论了，但没有说清楚气泡假定在气泡流的x-向(液体流动方向)保持静止的原因。而且，如滑移的常量值的假定问题没有解决。(2)当引入一个表观混合长度变化lmb时，为了数学上的简化，有必要设两个涡流速度其中之一u’L、v’L完全为零，另一个受阻尼影响。换句话说，遗留的问题是，假定由气泡产生的液体剪切力减少量τt由涡流应力(雷诺应力)变化给出。(3)从经验上看，用于气泡流的壁常数κ1(当小气泡存在于涡流层中时，在壁面法则中的常数)假定与(λm/db)α2/3成比例减少，其中λm是表观涡流规模，db为气泡直径，α为局部空隙度。但是，还不清楚有效的壁常数κ1在db非常小时是否为负值，κ1在λm低时是否为负值。(4)很合理地想到假定λm∝νL/Uτ(＝y/y+)，(与底面的长度成正比)，其中νL液体的动态粘度，Uτ为摩擦流速，但是遗留了一个问题，假定y/y+∝δ是否合理，其中δ为涡流边界层的厚度。(5)假定气泡的混合减少了摩擦，但没有确定这是充分的。是否需要认为动态质量交换而产生的剪切力中的增量来源于气泡运动。本专利技术的目的是提供一种数学模型，获得用于减少巡航舰船表面摩擦的气泡流效应的高层次分析。本专利技术的目的是通过下列方法达到的，该方法用于分析在巡航舰船中靠近船表面流域中产生的气泡喷射而对减少表面摩擦产生的效应，该方法包括的步骤为获得剪切力减少量τt，该剪切力减少量由于在所述流域中的气泡根据作用在所述气泡上的阻力ΔRν产生的，根据高频带区的定义从沿所述巡航舰船的x-向的流域方向以及与轮船壁表面成直角的y-向的所述气泡的运动导出，其中在所述流域中的气泡时间常数T与涡流频率ωL乘积大于1；通过假定所述剪切力减少量是由混合长度的减少量产生的，在有参数气泡直径为db的气泡存在时，在壁面规则中获得有效的壁常数κ1；以及在所述高频带区，根据所述有效壁常数κ1和气泡流局部摩擦系数Cf之间关系的表达式，以及无气泡流中壁面法则中的标准壁面常数κ和无气泡流中局部摩擦因子Cf0之间关系的表达式，获得表面摩擦比Cf/Cf0的解。本专利技术的目的还通过下列方法达到的，该方法用于分析在巡航舰船中靠近船表面流域中产生的气泡喷射对减少表面摩擦产生的效应，该方法包括的步骤为根据气泡增加的质量mA、气泡直径db、动态液体粘度系数νL，对用于气泡在x-向和y-向移动的动力学方程(1)和(2)进行傅立叶变换，x-向和y-向分别代表液流方向和与所述舰船表面成直角的方向，以及分别根据方程(3)和(4)获得包含气泡时间常数T和涡流频率ωL在x-向增益的表达式Gx和在y-向增益的表达式Gy；通过假定在所述流域中涡流周期2π/ωL与所述积分时间标度T*L相等，根据无气泡流中的壁面法则中标准壁常数κ、流体密度ρL、动态液体粘度系数νL和在x-向的时间平均速度uL，从方程(16)可获得在高频带区的作用在气泡上的阻力ΔRν，在高频带区气泡时间常数T和涡流频率ωL的积大于1；从方程(17)中获得由所述阻力ΔRν产生的剪切力减少量τt；根据经验常数a、所述气泡直径db、所述动态粘度系数νL、摩擦流速Ut和近壁局部空隙度αW，通过把所述方程(17)和表达剪切力减少量τt的方程(22)比较，从方程(27)中获得混合长度减少量lmb，其中τt假定为是由混合长度减少量lmb产生的；通过利用方程(27)，获得如在方程(33)中壁面法则中的修正壁常数κ2，根据作为参数的所述经验常数a和所述气泡直径db，通过把所述壁常数κ2从所述标准壁常数κ中减去，从而获得如方程(34)的用于气泡流的有效的壁常数κ1；导出用于无气泡流的方程(36)和有气泡流的方程(40)，假定液体速度分布遵守对数法则，并假定位置参数y可由涡流边界层厚度δ来表示；获得相应的正常壁常数κ和气泡流中的局部摩擦因子Cf关系的方程(44)，以及获得有效壁常数κ1和无气泡流中的局部摩擦因子Cf0的关系的方程(45)；把所述方程(44)从所述方程(45)中减去，从而获得方程(48)，在方程(48)中把(Cf/Cf0)1/2进行级数表达展开，大约为1，于是导出方程(49)，方程(49)包括第一级展开式，还对含有气泡流有效的壁常数κ1的所述方程(48)中底层项vt/UT展开，于是导出方程(50)；以及在所述高频带区，通过把所述方程(50)替换到所述方程(33)中，得到第一解，把所述第一解替换到所述方程(34)得到第二解，把所述第二解替换到所述方程(49)中，解之得所述表面摩擦系数比Cf/Cf0的解析表达式(55)。其中上述涉及到的方程在下面列出mA3πμLdbX··+X·=uL′---(1)]]>mA3πμLdbY··+Y·=vL′---(2)]]>X·^u^L′=11+T2ωL2=GX---(3)]]>Y^v^L′=11+T2ωL21ωL=GY---(4)]]>ΔR^v=274πκρL(&epsi本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于分析在巡航舰船中靠近船表面的流域中产生的气泡喷射对减少表面摩擦产生的效应的方法，该方法包括的步骤为：获得剪切力减少量τ↓［ｔ］，该剪切力减少量由于在所述流域中的气泡根据作用在所述气泡上的阻力ΔＲ↓［ｖ］产生的，从沿所述巡航舰船的 ｘ－向的流域方向以及与轮船壁表面成直角的ｙ－向的所述气泡的运动，根据高频带区的定义导出，其中在所述流域中的气泡时间常数Ｔ和与涡流频率ω↓［Ｌ］的乘积大于１；通过假定所述剪切力减少量是由混合长度的减少量产生，在有参数气泡直径为ｄ↓［ｂ］的 气泡存在时，在壁面规则中获得有效的壁常数κ↓［１］；以及在所述高频带区，根据所述有效壁常数κ↓［１］和气泡流局部摩擦因子Ｃ↓［ｆ］关系的表达式，以及无气泡流中壁面法则中的标准壁面常数κ和无气泡流中局部摩擦因子Ｃ↓［ｆ０］关系的表达式，获 得表面摩擦系数比Ｃ↓［ｆ］／Ｃ↓［ｆ０］的解。
【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：高桥义明，吉田有希，加藤洋治，
申请(专利权)人：石川岛播磨重工业株式会社，加藤洋治，
类型：发明
国别省市：JP[日本]
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