水炮系统添加剂减阻分析及方案设想林芃; 高一民; 蔡伟华; 陈轶君; 陈红超【期刊名称】《《中国舰船研究》》【年(卷),期】2019(014)005【总页数】9页(P98-105,118)【关键词】水炮系统; 减阻剂; 减阻增效【作者】林芃; 高一民; 蔡伟华; 陈轶君; 陈红超【作者单位】中国舰船研究设计中心上海 201108; 哈尔滨工业大学能源科学与工程学院黑龙江哈尔滨 150001【正文语种】中文【中图分类】U664.50 引言水炮系统作为公务执法船水面对抗系统的主要配置，使用频率高，其射程及流量在冲突对抗过程中起着决定性的作用。
以7XX 和8XX 公务执法船为例，该船水炮系统的射程可达到150 m，流量达1 500 m3/h；水炮系统消耗功率约750 kW，通海管径DN400，为独立柴油机驱动或主机齿轮箱自由端驱动。
受总体及设备能力的限制，要想在此基础上继续增加水炮的射程及流量，会非常困难。
水炮系统的射程及流量是公务船在执法对抗中取得优势的关键，因此，迫切需要在现有水炮系统的基础上通过新技术进一步提高打击能力。
在液体的湍流流动过程中添加少量添加剂可极大地降低湍流阻力［1］。
采用具有较长分子链的高分子聚合物添加剂，以及具有胶束结构的表面活性减阻剂，可以减小流动系统的能耗，增加流速，该现象被称为Toms 效应或添加剂湍流减阻效应。
目前，很多学者从理论、实验和数值模拟的角度对此效应开展了大量研究［2-6］。
Luchik 和Tiederman［7］应用二维激光多普勒测速仪（LDV）对槽道湍流高分子聚合物减阻流动进行研究，发现了减阻湍流中的雷诺剪切应力减小、流向的能量向法向方向的转移受到抑制等现象。
Zakin 等［8］针对添加了表面活性剂的减阻溶液进行了流变学特性、表面活性剂分子结构等一系列研究，并提出了表面活性剂溶液的最大减阻渐近线。
Li 等［9-10］对槽道内十六烷基三甲基氯化铵（CTAC）减阻水溶液进行了实验研究，结果表明CTAC 水溶液具有较好的减阻效果，并得到了能够有效实现减阻的温度范围及浓度范围等结论。
目前，该项技术发展迅速。
日本神户大学在空调循环水系统中采用了该项技术，其平均运行减阻率为30%，循环水泵的能耗显著降低［1］；国内青岛某小区在集中供热系统中也采用了减阻剂［11］，在投入运行的首年减阻效率理想，但之后出现了减阻衰减效应。
随着该项技术的不断进步，在集中供冷/供热领域将具有广泛的应用前景。
减阻技术一方面可以减少流体机械的输送能耗，另一方面，在确定的泵功耗情况下，能够起到增加流量及扬程的作用；同时，水炮系统仅在冲突对抗时短时使用，因此不用担心减阻剂长期使用时的失效问题［12-13］。
可见，将添加剂减阻技术应用于水炮系统对抗领域具有良好的应用潜力。
本文将基于表面活性剂对粘弹性流体湍流流动过程的减阻效应，采用合适的减阻剂并设计合理的注入系统，充分降低水炮中海水从通海阀箱至水炮喷口过程的湍流流动阻力，完成典型减阻剂的海水验证实验，完成管网的模型建模与性能预报分析以及工程方案设想，从而验证水炮系统“兴奋剂”强化的可行性。
1 添加剂减阻技术简介通常，减阻剂可以分为2 大类：高分子聚合物和表面活性剂。
图1所示为高分子聚合物减阻机理示意图［14］。
高分子聚合物的分子量通常需要达到百万量级，分子量越大，减阻效果越好。
分子链呈直线结构，且主链越长、支链越少，减阻效果就越显著。
这主要是因为分子链的支化降低了高分子聚合物的减阻效果。
图1 高分子聚合物减阻机理［5］Fig.1 Drag reduction mechanism of high molecular polymer［5］图2 所示为表面活性剂减阻与高分子聚合物减阻机理的对比［15］。
表面活性剂溶液在湍流减阻流体流动中产生减阻效应的因素是溶液流动内部生成的微观结构，即所谓的剪切诱导结构。
如图2所示，减阻效应取决于溶液内部是否能够形成剪切致棒状，继而形成网状的微观结构，而这类微观结构归根到底是由表面活性剂小分子形成的胶束结构。
上述2 种减阻添加剂的抗剪切和抗高温能力均较差，不过表面活性剂具有“自恢复”功能，在高剪切力或高温作用消失后可以自行恢复减阻功能，而高分子聚合物一旦被破坏，就无法再进行减阻。
所以，高分子聚合物减阻多用于一次系统，表面活性减阻剂则多用于有驱动泵的液体循环系统。
在水炮系统中，由于无需过多考虑减阻剂的时效性，因此这2 种减阻剂均具有实际的应用潜力。
本文将围绕表面活性减阻剂展开进一步的论述。
图2 表面活性减阻与高分子聚合物减阻机理对比［15］Fig.2 Comparison of drag reduction mechanism between surfactant additive and high molecular polymer［15］2 表面添加剂减阻技术的海水管路实验验证图3 圆管海水湍流减阻测试实验台Fig.3 Experimental prototype of seawatertube turbulence drag reduction1-水箱；2-“ISO-17”离心水泵；3-电磁流量计；4-测量直管段；5-SST 数字化差压变送器；6-搅拌器；7-加热器（b）实验台原理图目前，围绕减阻剂减阻效果的研究主要聚焦在原油输送、楼宇空调循环水、集中供热等油类及淡水领域，针对海水领域的目前尚未见到报道。
为了验证减阻剂应用于水炮系统的设想，首先需确定典型减阻剂在海水系统中是否同样有效。
图3所示为减阻流动测试实验台。
在该实验台的基础上，完成以十六烷基三甲基氯化铵和水杨酸钠（CTAC/NaSal）作为添加剂的圆管海水湍流减阻实验测试。
图4 所示为圆管海水湍流减阻实验效果图。
图中，ΔP 为压力损失，DR 为减阻率，Q 为体积流量。
实验中，雷诺数最高可达5×104，与真实水炮管路系统中的流动雷诺数相差较大，但本文的目的主要是首先验证CTAC/NaSal 海水溶液是否具有减阻效应，从而为其今后在真实水炮管路系统中的应用提供重要的理论支撑。
图4 采用CTAC/NaSal作为添加剂的圆管海水湍流减阻试验数据Fig.4 Experimental data of seawater tube turbulent drag reduction ofCTAC/NaSal as additives实验表明，在海水圆管流动中添加CTAC/NaSal溶液有明显的减阻效果，减阻率最高可达60%，与CTAC/NaSal 淡水溶液的减阻效果相当，可基本确定将典型减阻剂应用于海水同样具有良好的减阻效用。
同时，实验还发现：在CTAC/NaSal 质量分数为200×10-6和500×10-6海水溶液工况中，同样存在最佳减阻率。
这主要是因为流量越大，流动剪切力越大，从而引起CTAC/NaSal 的剪切诱导结构被破坏，使得减阻效果下降。
3 某公务执法船水炮系统及水力建模3.1 某型公务执法船水炮系统图5 所示为国内设计的7XX 公务执法船水炮系统原理图。
图6 所示为水炮外形图（图中数值单位：mm），其中消防炮为SS300EL 型，柱喷嘴1500-13 型。
水炮系统设计流量为1 500 m3/h，射程为150 m，功率约750 kW，进口压力为1.3 MPa。
水炮系统管路的组成相对简单，是从海底通海阀经过滤器，配合水炮水泵变径，然后通过水泵输入能量以后，再经管路继续上升至罗经甲板。
海水管路通径为DN400，在罗经甲板分成两舷，缩径为DN200，连接水炮装置，两舷水炮通常不同时使用；在整套管路上配置必需的阀门，通常采用的是流动阻力较小的蝶阀形式。
图5 7XX 公务执法船水炮系统原理图Fig.5 Schematic diagram of water cannon system of 7XX law enforcement vessel图6 水炮外形及出口尺寸图Fig.6 Dimension drawing of water cannon's outlet and configuration水炮的功率较大，约为750 kW，因此通常无法采用辅助柴油发电机供电的型式，需要利用主机齿轮箱自由端，通过轴带泵的型式，或者是采用独立水炮柴油机直接驱动。
如果通过增大原动机的型式来提升水炮能力，柴油机、水炮水泵、油柜等设备的增大将会极大地增加总体布置的负担；另一方面，若不增加海水管路的通径，流动阻力的增加将会极大地抵消原动机的能量，而若增大海水管路通径，无论是在布置上还是重量上都会进一步增大总体布置的难度。
通常水炮对抗过程作用时间较短，故在流量和射程方面占劣势的一方会主动退出。
因此，通过添加具有减阻效果的物质在短时间形成“兴奋剂”效果，以提高水炮射程和流量是一种具有潜力的发展方向。
3.2 水炮系统水力建模因水炮系统的实验系统庞大，同时耗资较大，故可先通过模拟的形式分析系统效能。
通过FLOWMASTER 软件建立水炮系统水力模型。
根据水炮系统原理图及实际放样情况，对每段管段的长度和通径赋值，并添加局部阻力件（阀门、弯头、渐变径），设定水泵元件流量及扬程，建立水炮系统管网模型。
模拟的基本思路是：通过对7XX公务执法船水炮管路的设计，赋值各水力环节，验证水炮系统的设计性能是否符合实船要求，进一步将减阻剂的减阻效果赋值，然后利用实验中测得的沿程阻力、局部阻力减阻效果，再次进行模拟，对比减阻剂添加前后水炮的性能，从而对减阻剂水炮系统的减阻增效效果进行预报。
3.3 局部阻力处理已通过圆管管路海水减阻实验验证了CTAC/NaSal 减阻剂对于海水的有效性。
管路阻力损失由沿程阻力及局部阻力2 部分组成。
其中沿程阻力为长直圆管流动阻力，局部阻力由弯头、变径、三通和阀门等局部构件产生，在流动过程产生的阻力中，这些局部构件有着不可忽略的占比，在水炮系统的管路阻力中，局部阻力同样为系统管网阻力的重要组成部分。
研究表明，表面添加剂作为减阻剂，对于沿程阻力有非常好的效果，对于局部阻力也有一定的效果，但相比沿程阻力其效用还有一定的差距［15］。
由于局部阻力的减阻效果有限，同时，海水与淡水的减阻效果基本相当，因此，在本模型中，综合考虑尺度放大问题，利用淡水的局部阻力数据为管段赋值，推断本水炮系统的减阻增效能力。
在90°弯头和变径管内的流动减阻实验中，采用CTAC/NaSal质量分数为800×10-6的淡水溶液（CTAC 与NaSal的质量比为1∶1），溶液温度14 ℃［16］。
图7 所示为加入添加剂前后90°弯头内的静压压力损失结果［16］。
结果显示，“D=40 mm，ξ =0.01”（D 为管路通径，ξ为表面粗糙度）工况下的减阻效果要优于“D=20 mm，ξ=0.01”工况，这充分说明减阻效果不仅和雷诺数Rew有关，还和管道尺寸存在一定的关联，该现象称为“管径效应”。
