一种旋转圆筒减摩阻功效试验评估方法与流程

1.本发明涉及流动减阻技术领域，尤其是一种旋转圆筒减摩阻功效试验评估方法。


背景技术：

2.流体作用于固体的摩擦阻力(简称“摩阻”)是多种航行器的重要阻力成分，以船舶为例，摩阻约占总阻力的50％-80％。随着节能、降耗等绿色发展理念逐渐深入人心，减摩阻技术逐渐成为研究的热点，目前已形成了表面微沟槽、表面随行波、柔性表皮、低表面能表面、超疏水表面等多种技术方案。
3.对于各种方案的减摩阻功效，一般可通过理论分析、数值模拟、试验测试等方法进行评估。减摩阻功效的试验评估主要有以下两类方法：一是基于风洞、水洞、水池、水槽等流体力学专用设备，在模型表面定制减摩阻方案：在一定流速下，先测量总阻力，并与相同外形尺寸的对照样模型进行比较，获得减总阻功效，再根据摩阻在总阻力中的占比换算成减摩阻功效；二是基于旋转圆盘或旋转圆筒(将圆盘看做是高度与直径相比较小的圆筒，以下统称为旋转圆筒)等装置，在圆筒表面定制减摩阻方案：在一定转速下，测量扭矩值，并与相同外形尺寸的对照样圆筒进行比较，由于测量得到扭矩值仅与旋转圆筒表面的摩阻相关，通常认为直接比较扭矩值即可获得相应减摩阻功效。由于不依赖专用设备、不需要分析摩阻占比等原因，旋转圆筒装置在减摩阻功效评估中应用较为广泛。
4.流动的相似性是减摩阻功效试验评估的重要基础和前提，对于航行器而言，其大部分表面附近相邻位置相对自由来流的速度相差极小，且量值约等于航速。近年来的精细流动测量、数值模拟结果表明，旋转圆筒侧面大部分表面附近相邻位置相对自由来流的速度相差不大，但由于其上、下底面上沿径向各点距旋转轴的距离不同，且各点的速度与该距离呈正比，因此上、下底面附近相邻位置相对自由来流的速度相差较大，与航行器表面实际流动差异较为明显，如图1所示。另外，上、下底面附近的流体微团由于受到方向正交的离心力和摩阻共同作用，其迹线为螺旋线，也即流动为螺旋状，如图2所示。因此，对于表面微沟槽、表面随行波等对流动方向有一定要求的减阻方案，旋转圆筒方法和装置严格来说并不适用。
5.综上可知，现有的旋转圆筒减摩阻功效试验评估方法在提高流动模拟的相似性和扩大适用范围方面尚有较大提升空间。


技术实现要素：

6.本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种旋转圆筒减摩阻功效试验评估方法，本发明的技术方案如下：
7.一种旋转圆筒减摩阻功效试验评估方法，包括如下步骤：
8.准备直径相同、高度不同的两个第一圆筒作为对照模型，准备与对照模型直径相同的第二圆筒作为试验模型；
9.分别获取在相同流体介质下、以相同转速旋转的对照模型和试验模型的整体扭
矩；
10.基于旋转圆筒的流动特点，根据整体扭矩和相应的高度分别求取对照模型和试验模型的侧面扭矩；旋转圆筒的流动特点为：当圆筒直径和旋转速度保持不变时，圆筒上下底面扭矩之和与圆筒高度无关，圆筒侧面扭矩与圆筒高度近似呈正比，则圆筒整体扭矩与圆筒高度近似线性相关，其一次函数的y轴截距值近似为圆筒底面总扭矩；
11.对于两种模型，分别将侧面扭矩对相应的高度做归一化处理，获得与绝对高度无关的对照模型和试验模型的摩阻特征值；
12.基于对照模型和试验模型的摩阻特征值，求取试验模型相对于对照模型的减摩阻功效，基于减摩阻功效输出评估结果。
13.其进一步的技术方案为，当试验模型与对照模型的圆筒底面不同时，根据整体扭矩和相应的高度分别求取对照模型和试验模型的侧面扭矩的方法相同，包括，对于对照模型：
14.将获取到的第一圆筒ⅰ和第一圆筒ⅱ的整体扭矩、第一圆筒ⅰ和第一圆筒ⅱ的高度代入圆筒整体扭矩与圆筒高度的一次函数中，计算得到一次函数的y轴截距值，作为对照模型的底面总扭矩，表达式为：
[0015][0016]
其中，m
d0
为对照模型的上下底面扭矩之和，m
d1
、m
d2
分别为第一圆筒ⅰ、第一圆筒ⅱ的整体扭矩，h1、h2分别为第一圆筒ⅰ、第一圆筒ⅱ的高度；
[0017]
从第一圆筒ⅰ和第一圆筒ⅱ的整体扭矩中分别减去底面总扭矩，得到第一圆筒ⅰ和第一圆筒ⅱ的侧面扭矩，作为对照模型的侧面扭矩，表达式为：
[0018]mc1
＝m
d1-m
d0
；
[0019]mc2
＝m
d2-m
d0
；
[0020]
其中，m
c1
为第一圆筒ⅰ的侧面扭矩，m
c2
为第一圆筒ⅱ的侧面扭矩。
[0021]
其进一步的技术方案为，对于两种模型，分别将侧面扭矩对相应的高度做归一化处理，获得与绝对高度无关的对照模型和试验模型的摩阻特征值的方法相同，包括，对于对照模型：
[0022]
求取摩阻特征值公式的表达式为：
[0023][0024]
其中，fd为对照模型的摩阻特征值，m
c1
为第一圆筒ⅰ的侧面扭矩，m
c2
为第一圆筒ⅱ的侧面扭矩，h1、h2分别为第一圆筒ⅰ、第一圆筒ⅱ的高度。
[0025]
其进一步的技术方案为，基于对照模型和试验模型的摩阻特征值，求取试验模型相对于对照模型的减摩阻功效，基于减摩阻功效输出评估结果，包括：
[0026]
求取减摩阻功效公式的表达式为：
[0027][0028]
其中，df为试验模型相对于对照模型的减摩阻功效，fd为对照模型的摩阻特征值，fs
为试验模型的摩阻特征值；
[0029]
若减摩阻功效大于零，则将试验模型具有减摩阻功效作为评估结果输出；若减摩阻功效小于零，则将试验模型具有增摩阻功效作为评估结果输出；若减摩阻功效等于零，则将试验模型不具有减摩阻或增摩阻功效作为评估结果输出。
[0030]
其进一步的技术方案为，当试验模型与对照模型的圆筒底面相同时，在根据整体扭矩和相应的高度分别求取对照模型和试验模型的侧面扭矩中，对照模型和试验模型的底面总扭矩相同。
[0031]
其进一步的技术方案为，准备直径相同、高度不同的两个第一圆筒作为对照模型，准备与对照模型直径相同的第二圆筒作为试验模型，包括：
[0032]
准备四个基础圆筒，选取其中两个用于制备第一圆筒，剩余两个用于制备第二圆筒；
[0033]
制备第一圆筒时，在两个基础圆筒的表面涂覆一定厚度的第一涂层，形成直径相同、高度不同的第一圆筒ⅰ和第一圆筒ⅱ，作为对照模型；
[0034]
制备第二圆筒时，在两个基础圆筒的表面涂覆一定厚度的第二涂层，形成直径相同、高度不同的第二圆筒ⅰ和第二圆筒ⅱ，作为试验模型；
[0035]
其中，基础圆筒的表面包括圆筒上下底面和圆筒侧面，第一圆筒ⅰ和第一圆筒ⅱ、第二圆筒ⅰ和第二圆筒ⅱ的直径均相同。
[0036]
其进一步的技术方案为，准备直径相同、高度不同的两个第一圆筒作为对照模型，准备与对照模型直径相同的第二圆筒作为试验模型，包括：
[0037]
准备三个直径相同、高度不同的基础圆筒，基础圆筒的表面光滑，选取其中两个直接作为第一圆筒，剩余一个用于制备第二圆筒；
[0038]
将直径相同、高度不同的第一圆筒ⅰ和第一圆筒ⅱ作为对照模型；
[0039]
制备第二圆筒时，在基础圆筒的侧面制备表面微沟槽，形成第二圆筒，作为试验模型；
[0040]
其中，基础圆筒的表面包括圆筒上下底面和圆筒侧面，第一圆筒ⅰ、第一圆筒ⅱ和第二圆筒的直径均相同，底面均为光滑表面。
[0041]
本发明的有益技术效果是：
[0042]
一方面，本方法通过扣除传统旋转圆筒减摩阻功效试验评估方法中圆筒上下底面的扭矩，剥离圆筒底面对减摩阻功效评估的影响，因此可解决由圆筒底面带来的流动模拟相似性差、适用范围窄的问题。而且对于试验模型和对照模型的圆筒底面的制备可以采用更加灵活的处理办法，因此该方法适用于不同类型表面改变流-固摩擦阻力的功效评估；另一方面，本方法能够消除传统方法中圆筒绝对高度不一致对减摩阻功效评估的影响，因此可一定程度上解决评估不同尺寸的试验样时对照样数量多的问题。
附图说明
[0043]
图1为旋转圆筒底面上沿径向各点相对静止流体速度示意图。
[0044]
图2为旋转圆筒底面附近流体微团迹线示意图。
[0045]
图3为本技术一实施例提供的旋转圆筒减摩阻功效试验评估方法流程图。
[0046]
图4为本技术一实施例提供的试验模型的示意图。
[0047]
图5为本技术提供的采用cfd分析法展示旋转圆筒的底面、侧面和整体扭矩分别与圆筒高度的关系图(其中，旋转圆筒的直径为400mm、旋转速度为4r/s)。
[0048]
图6为本技术提供的采用cfd分析法展示旋转圆筒的底面、侧面和整体扭矩分别与圆筒高度的关系图(其中，旋转圆筒的直径为400mm、旋转速度为12r/s)。
[0049]
图7为本技术提供的采用cfd分析法展示旋转圆筒的底面、侧面和整体扭矩分别与圆筒高度的关系图(其中，旋转圆筒的直径为288mm、旋转速度为4r/s)。
[0050]
图8为本技术提供的基于cfd分析法的旋转圆筒扭矩与高度的试验验证关系图(其中，旋转圆筒的直径为400mm、高度为5mm)。
[0051]
图9为本技术提供的基于cfd分析法的旋转圆筒扭矩与高度的试验验证关系图(其中，旋转圆筒的直径为288mm、高度为4mm)。
[0052]
图10为本技术另一实施例提供的旋转圆筒减摩阻功效试验评估方法流程图。
[0053]
图11为本技术另一实施例提供的试验模型的示意图。
[0054]
图中：1、圆筒；2、流体介质；3、圆筒底面；4、圆筒侧面；5、基础圆筒；6、涂层；7、表面微沟槽。
具体实施方式
[0055]
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
[0056]
本技术提供了一种旋转圆筒减摩阻功效试验评估方法，下面通过两个实施例展开解释说明。
[0057]
实施例一、涂层试验模型相对于涂层对照模型在水中的减摩阻功效评估方法。
[0058]
本实施例进一步说明如何采用本发明提出的方法剥离圆筒底面对减摩阻功效评估的影响，具体流程如图3所示，该方法包括如下步骤：
[0059]
步骤1：准备直径相同、高度不同的两个第一圆筒作为对照模型d，准备与对照模型d直径相同的第二圆筒作为试验模型s。具体包括：
[0060]
步骤101：准备四个基础圆筒，选取其中两个用于制备第一圆筒，剩余两个用于制备第二圆筒。
[0061]
在本实施例中，四个基础圆筒的直径为da，第一圆筒和第二圆筒的高度分别为ha、hb。
[0062]
步骤102：制备第一圆筒时，在两个基础圆筒的表面涂覆一定厚度的第一涂层，形成直径相同、高度不同的第一圆筒ⅰ和第一圆筒ⅱ，作为对照模型d。
[0063]
制备第二圆筒时，在两个基础圆筒的表面涂覆一定厚度的第二涂层，形成直径相同、高度不同的第二圆筒ⅰ和第二圆筒ⅱ，作为试验模型s，如图4所示。
[0064]
其中，基础圆筒的表面包括圆筒上下底面和圆筒侧面，第一圆筒ⅰ和第一圆筒ⅱ、第二圆筒ⅰ和第二圆筒ⅱ的直径均相同。
[0065]
可选的，第一圆筒ⅰ、第一圆筒ⅱ、第二圆筒ⅰ和第二圆筒ⅱ的高度可以不同。
[0066]
在本实施例中，第一圆筒ⅰ、第一圆筒ⅱ、第二圆筒ⅰ和第二圆筒ⅱ的直径为d，第一圆筒ⅰ和第二圆筒ⅰ的高度为h1，第一圆筒ⅱ和第二圆筒ⅱ的高度为h2。其中，d＝da 2hc，h1＝ha 2hc，h2＝hb 2hc，hc为在圆筒表面涂覆涂层的厚度。
[0067]
步骤2：分别获取在相同流体介质下、以相同转速旋转的对照模型d和试验模型s的
整体扭矩。
[0068]
采用试验测量的方法，获得第一圆筒ⅰ、第一圆筒ⅱ、第二圆筒ⅰ和第二圆筒ⅱ在水中以n r/s旋转时的整体扭矩，分别记为m
d1
、m
d2
、m
s1
、m
s2
。
[0069]
步骤3：基于旋转圆筒的流动特点，根据整体扭矩和相应的高度分别求取对照模型d和试验模型s的侧面扭矩。
[0070]
其中，旋转圆筒的流动特点为：结合图5-图7所示，采用cfd分析法可知，当圆筒直径和旋转速度保持不变时，圆筒上下底面扭矩之和m0与圆筒高度h无关，圆筒侧面扭矩mc与圆筒高度h近似呈正比，则圆筒整体扭矩m与圆筒高度h近似线性相关，在m-h关系的直角坐标图上，有关m-h的一次函数的y轴截距值近似为圆筒底面总扭矩m0。上述结论在较大的圆筒直径和旋转转速范围内均成立，且相关研究方法也经试验验证，结合图8、图9所示。因此，旋转圆筒底面与圆筒侧面之间的扭矩关联性小，也即流动关联性小，可通过一定方法剥离圆筒底面的不利影响。则步骤3具体包括：
[0071]
步骤301：对于对照模型d，将获取到的第一圆筒ⅰ和第一圆筒ⅱ的整体扭矩m
d1
、m
d2
、第一圆筒ⅰ和第一圆筒ⅱ的高度h1、h2代入m-h的一次函数中，计算得到一次函数的y轴截距值，作为对照模型d的底面总扭矩m
d0
(也即对照模型d的上下底面扭矩之和)，表达式为：
[0072][0073]
对于试验模型s，其底面总扭矩m
s0
的获取方法与对照模型d相同，也即：
[0074][0075]
步骤302：对于对照模型d，从第一圆筒ⅰ和第一圆筒ⅱ的整体扭矩m
d1
、m
d2
中分别减去底面总扭矩m
d0
，得到第一圆筒ⅰ和第一圆筒ⅱ的侧面扭矩，作为对照模型d的侧面扭矩，表达式为：
[0076]mc1
＝m
d1-m
d0
；
[0077]mc2
＝m
d2-m
d0
；
[0078]
其中，m
c1
为第一圆筒ⅰ的侧面扭矩，m
c2
为第一圆筒ⅱ的侧面扭矩。
[0079]
对于试验模型s，其侧面扭矩的获取方法与对照模型d相同，也即：
[0080]mc3
＝m
s1-m
s0
；
[0081]mc4
＝m
s2-m
s0
；
[0082]
其中，m
c3
为第二圆筒ⅰ的侧面扭矩，m
c4
为第二圆筒ⅱ的侧面扭矩。
[0083]
步骤4：对于两种模型，分别将侧面扭矩对相应的高度做归一化处理，获得与绝对高度无关的对照模型和试验模型的摩阻特征值。具体包括：
[0084]
对于对照模型d，求取摩阻特征值公式的表达式为：
[0085][0086]
其中，fd为对照模型d的摩阻特征值。
[0087]
对于试验模型s，摩阻特征值的获取方法与对照模型d相同，也即：
[0088][0089]
其中，fs为试验模型s的摩阻特征值。
[0090]
步骤5：基于对照模型d和试验模型s的摩阻特征值，求取试验模型s相对于对照模型d的减摩阻功效，基于减摩阻功效输出评估结果。具体包括：
[0091]
求取减摩阻功效公式的表达式为：
[0092][0093]
其中，df为试验模型s相对于对照模型d的减摩阻功效。
[0094]
若df大于零，则将试验模型s具有减摩阻功效作为评估结果输出。若df小于零，则将试验模型s具有增摩阻功效作为评估结果输出。若df等于零，则将试验模型s不具有增/减摩阻功效作为评估结果输出。
[0095]
本实施例通过比较扣除了底面扭矩的试验模型s相对于对照模型d的摩阻特征值来获得减摩阻功效df，扣除了传统旋转圆筒减摩阻功效试验评估方法中圆筒底面的扭矩，剥离了圆筒底面对减摩阻功效评估的影响，因此可解决由圆筒底面带来的流动模拟相似性差、适用范围窄的问题。
[0096]
由于采用本方法进行减摩阻功效评估时，最终并不会计入圆筒上下底面的扭矩，因此在具体实施过程中，对于试验模型s和对照模型d的圆筒底面的制备可以采用更加灵活的处理办法，比如将圆筒底面制备成材料易获取的第三种功能表面，或者无需加工圆筒底面、保持其表面光滑即可等等，因此可以简化、合并实施例一中的一些步骤，参考实施例二进一步解释说明。
[0097]
实施例二、表面微沟槽试验模型s相对于光滑表面对照模型d在水中的减摩阻功效评估方法。
[0098]
本实施例进一步说明如何采用本发明提出的方法消除圆筒绝对高度不一致对减摩阻功效评估的影响，以及基于本发明提出方法的一些变通方法，具体流程如图10所示，该方法包括如下步骤：
[0099]
步骤1：准备直径相同、高度不同的两个第一圆筒作为对照模型d，准备与对照模型d直径相同的第二圆筒作为试验模型s。具体包括：
[0100]
步骤101：准备三个直径相同、高度不同的基础圆筒，基础圆筒的表面光滑，选取其中两个直接作为第一圆筒，剩余一个用于制备第二圆筒。
[0101]
在本实施例中，三个基础圆筒的直径为d，第一圆筒ⅰ、第一圆筒ⅱ和第二圆筒的高度分别为h1、h2、h3。
[0102]
步骤102：将直径相同、高度不同的第一圆筒ⅰ和第一圆筒ⅱ作为对照模型d。
[0103]
制备第二圆筒时，在基础圆筒的侧面制备表面微沟槽，形成第二圆筒，作为试验模型s，如图11所示。
[0104]
其中，基础圆筒的表面包括圆筒上下底面和圆筒侧面，第一圆筒ⅰ、第一圆筒ⅱ和第二圆筒的直径均相同，底面均为光滑表面，因此在相同转速下，对照模型d和试验模型s的底面扭矩相同。
[0105]
步骤2：分别获取在相同流体介质下、以相同转速旋转的对照模型d和试验模型s的
整体扭矩。
[0106]
采用试验测量的方法，获得第一圆筒ⅰ、第一圆筒ⅱ和第二圆筒在水中以n r/s旋转时的整体扭矩，分别记为m1、m2、m3。
[0107]
步骤3：基于旋转圆筒的流动特点，根据整体扭矩和相应的高度分别求取对照模型d和试验模型s的侧面扭矩。
[0108]
其中旋转圆筒的流动特点已在实施例一中详细解释说明过，在此不进行赘述。
[0109]
步骤301：对于对照模型d，将获取到的第一圆筒ⅰ和第一圆筒ⅱ的整体扭矩m1、m2、第一圆筒ⅰ和第一圆筒ⅱ的高度h1、h2代入m-h的一次函数中，计算得到一次函数的y轴截距值，作为对照模型d和试验模型s的底面总扭矩m0，表达式为：
[0110][0111]
步骤302：对于对照模型d，从第一圆筒ⅰ和第一圆筒ⅱ的整体扭矩m1、m2中分别减去底面总扭矩m0，得到第一圆筒ⅰ和第一圆筒ⅱ的侧面扭矩，作为对照模型d的侧面扭矩，表达式为：
[0112]mc1
＝m
1-m0；
[0113]mc2
＝m
2-m0；
[0114]
其中，m
c1
为第一圆筒ⅰ的侧面扭矩，m
c2
为第一圆筒ⅱ的侧面扭矩。
[0115]
对于试验模型s，其侧面扭矩的获取方法与对照模型d相同，也即：
[0116]mc3
＝m
3-m0；
[0117]
其中，m
c3
为第二圆筒的侧面扭矩。
[0118]
步骤4：对于两种模型，分别将侧面扭矩对相应的高度做归一化处理，获得与绝对高度无关的对照模型和试验模型的摩阻特征值。具体包括：
[0119]
对于对照模型d，求取摩阻特征值公式的表达式为：
[0120][0121]
其中，fd为对照模型d的摩阻特征值。
[0122]
对于试验模型s，摩阻特征值的获取方法与对照模型d相同，也即：
[0123][0124]
其中，fs为试验模型s的摩阻特征值。
[0125]
步骤5：基于对照模型d和试验模型s的摩阻特征值，求取试验模型s相对于对照模型d的减摩阻功效，基于减摩阻功效输出评估结果。具体包括：
[0126]
求取减摩阻功效公式的表达式为：
[0127][0128]
其中，df为试验模型s相对于对照模型d的减摩阻功效。
[0129]
若df大于零，则将试验模型s具有减摩阻功效作为评估结果输出。若df小于零，则将试验模型s具有增摩阻功效作为评估结果输出。若df等于零，则将试验模型s不具有增/减摩阻功效作为评估结果输出。
[0130]
本实施例基于相同直径、不同高度的试验模型s相对于对照模型d的摩阻特征值来获得表面微沟槽的减摩阻功效，消除了圆筒绝对高度不一致对减摩阻功效评估的影响，可一定程度上解决评估不同尺寸的试验样时对照样数量多的问题。此外，加工试验模型时仅在其圆筒侧面制备表面微沟槽，可行性更高。
[0131]
以上所述的仅是本技术的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。