[发明专利]一种在摩擦减少的轮船中分析气泡的摩擦减少效应的方法

权利要求书

1.一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_ν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。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：通过建立一个利用气泡分布的实际图案的空隙度分布的控制方程，所述气泡直径d_b作为参数可从所述气泡流的所述壁面法则中的所述有效壁常数κ₁中消掉。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述用于空隙度分布的控制方程在下列稳定条件下建立：在所述控制方程中不发散；考虑抑制涡流，使气泡流的动能和气泡流的漂浮势能总和达到最小。

4.一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：

根据气泡增加的质量m_A、气泡直径d_b、动态液体粘度系数ν_L，对用于气泡在x-向和y-向移动的动力方程(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ω_L的在x-向增益的表达式G_x和在y-向增益的表达式G_y；

通过假定在所述流域中涡流周期2π/ω_L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常数κ、液体密度ρ_L、动态液体粘度系数ν_L和在x-向的时间平均速度u_L，可获得在高频带区的作用在气泡上的阻力ΔR_ν；

从方程(17)中获得由所述阻力ΔR_ν产生的剪切力减少量τ_t；

根据经验常数a、所述气泡直径d_b、所述动态粘度系数ν_L、摩擦流速U_t和近壁局部空隙度α_W，通过把所述方程(17)和表达剪切力减少量τ_t的方程(22)比较，从方程(27)中获得混合长度减少量l_mb，其中τ_t假定为是由混合长度减少量l_mb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d_b，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；

根据无气泡流速方程(36)和有气泡流速的方程(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，推导表示所述标准壁常数κ和无气泡流中的局部摩擦系数C_f0之间关系的方程(44)和表示所述有效的壁常数κ₁和有气泡流中的摩擦系数C_f之间关系的方程(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(C_f/C_f0)^1/2进行级数表达展开，大约为1，于是导出方程(49)，方程(49)包括第一阶展开式，还展开有气泡流的有效的壁常数κ₁的所述方程(48)中底层项v_t/U_T，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C_f/C_f0的解析解的表达式(55)；

其中上述涉及到的方程在下面列出： m A 3 π μ L d b X · · + X · = u L ′ - - - ( 1 ) ]]> m A 3 π μ L d b Y · · + Y · = v L ′ - - - ( 2 ) ]]> Y ^ v ^ L ′ = 1 1 + T 2 ω L 2 1 ω L = G Y - - - ( 4 ) ]]> Δ R ^ v = 27 4 π κρ L ( v L T * L ) 2 ( ∂ u - L ∂ y ) 2 - - - ( 16 ) ]]> τ t = 81 π 2 κρ L ( v L T * L d b ) 2 α w ( ∂ u - L ∂ y ) 2 - - - ( 17 ) ]]> τ t = 2 ρ L l m 0 l mb ( ∂ u - L ∂ y ) 2 - - - ( 22 ) ]]> l mb = ( v L / U τ d b / a ) 2 α w y - - - ( 27 ) ]]> κ 2 = ( v L / U τ d b / a ) 2 α w - - - ( 33 ) ]]>                 κ₁＝κ-κ₂ = κ - ( v L / U τ d b / a ) 2 α w - - - ( 34 ) ]]> u 0 + = 1 κ log y 0 + + B ]]>其中B为常数                   (36) u + = 1 κ 1 log y + + B - - - ( 40 ) ]]> 2 C f 0 = 1 κ log δ 0 + + B - - - ( 44 ) ]]> 2 C f = 1 κ 1 log C f C f 0 δ 0 + + B - - - ( 45 ) ]]> 2 C f 0 C f 0 C f - 2 C f 0 = - 1 κ 1 log C f 0 C f + ( 1 κ 1 - 1 κ ) log δ 0 + - - - ( 48 ) ]]> 2 C f 0 C f 0 C f - 2 C f 0 = - 1 κ 1 ( 1 - C f 0 C f ) + ( 1 κ 1 - 1 κ ) log δ 0 + - - - ( 49 ) ]]> v L U τ = v L U 2 C f = C f 0 C f v L U 2 C f 0 - - - ( 50 ) ]]> C f C f 0 = { 1 + 2 / C f 0 κ 10 - 2 ( log δ 0 + ) κ 20 / κ 1 + 2 / C f 0 κ 10 - ( log δ 0 + ) κ 20 / κ } ( 1 - α w ) - - - ( 55 ) ]]>