水炮系統(tǒng)添加劑減阻分析及方案設(shè)想

林芃，高一民，蔡偉華，陳軼君，陳紅超

1 中國艦船研究設(shè)計中心，上海201108

2 哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001

0 引 言

水炮系統(tǒng)作為公務(wù)執(zhí)法船水面對抗系統(tǒng)的主要配置，使用頻率高，其射程及流量在沖突對抗過程中起著決定性的作用。以7XX 和8XX 公務(wù)執(zhí)法船為例，該船水炮系統(tǒng)的射程可達到150 m，流量達1 500 m3/h；水炮系統(tǒng)消耗功率約750 kW，通海管徑DN400，為獨立柴油機驅(qū)動或主機齒輪箱自由端驅(qū)動。受總體及設(shè)備能力的限制，要想在此基礎(chǔ)上繼續(xù)增加水炮的射程及流量，會非常困難。水炮系統(tǒng)的射程及流量是公務(wù)船在執(zhí)法對抗中取得優(yōu)勢的關(guān)鍵，因此，迫切需要在現(xiàn)有水炮系統(tǒng)的基礎(chǔ)上通過新技術(shù)進一步提高打擊能力。

在液體的湍流流動過程中添加少量添加劑可極大地降低湍流阻力［1］。采用具有較長分子鏈的高分子聚合物添加劑，以及具有膠束結(jié)構(gòu)的表面活性減阻劑，可以減小流動系統(tǒng)的能耗，增加流速，該現(xiàn)象被稱為Toms 效應(yīng)或添加劑湍流減阻效應(yīng)。目前，很多學(xué)者從理論、實驗和數(shù)值模擬的角度對此效應(yīng)開展了大量研究［2-6］。Luchik 和Tiederman［7］應(yīng)用二維激光多普勒測速儀（LDV）對槽道湍流高分子聚合物減阻流動進行研究，發(fā)現(xiàn)了減阻湍流中的雷諾剪切應(yīng)力減小、流向的能量向法向方向的轉(zhuǎn)移受到抑制等現(xiàn)象。Zakin 等［8］針對添加了表面活性劑的減阻溶液進行了流變學(xué)特性、表面活性劑分子結(jié)構(gòu)等一系列研究，并提出了表面活性劑溶液的最大減阻漸近線。Li 等［9-10］對槽道內(nèi)十六烷基三甲基氯化銨（CTAC）減阻水溶液進行了實驗研究，結(jié)果表明CTAC 水溶液具有較好的減阻效果，并得到了能夠有效實現(xiàn)減阻的溫度范圍及濃度范圍等結(jié)論。目前，該項技術(shù)發(fā)展迅速。日本神戶大學(xué)在空調(diào)循環(huán)水系統(tǒng)中采用了該項技術(shù)，其平均運行減阻率為30%，循環(huán)水泵的能耗顯著降低［1］；國內(nèi)青島某小區(qū)在集中供熱系統(tǒng)中也采用了減阻劑［11］，在投入運行的首年減阻效率理想，但之后出現(xiàn)了減阻衰減效應(yīng)。隨著該項技術(shù)的不斷進步，在集中供冷/供熱領(lǐng)域?qū)⒕哂袕V泛的應(yīng)用前景。

減阻技術(shù)一方面可以減少流體機械的輸送能耗，另一方面，在確定的泵功耗情況下，能夠起到增加流量及揚程的作用；同時，水炮系統(tǒng)僅在沖突對抗時短時使用，因此不用擔(dān)心減阻劑長期使用時的失效問題［12-13］。可見，將添加劑減阻技術(shù)應(yīng)用于水炮系統(tǒng)對抗領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用潛力。

本文將基于表面活性劑對粘彈性流體湍流流動過程的減阻效應(yīng)，采用合適的減阻劑并設(shè)計合理的注入系統(tǒng)，充分降低水炮中海水從通海閥箱至水炮噴口過程的湍流流動阻力，完成典型減阻劑的海水驗證實驗，完成管網(wǎng)的模型建模與性能預(yù)報分析以及工程方案設(shè)想，從而驗證水炮系統(tǒng)“興奮劑”強化的可行性。

1 添加劑減阻技術(shù)簡介

通常，減阻劑可以分為2 大類：高分子聚合物和表面活性劑。

圖1所示為高分子聚合物減阻機理示意圖［14］。高分子聚合物的分子量通常需要達到百萬量級，分子量越大，減阻效果越好。分子鏈呈直線結(jié)構(gòu)，且主鏈越長、支鏈越少，減阻效果就越顯著。這主要是因為分子鏈的支化降低了高分子聚合物的減阻效果。

圖1 高分子聚合物減阻機理［5］Fig.1 Drag reduction mechanism of high molecular polymer［5］

圖2 所示為表面活性劑減阻與高分子聚合物減阻機理的對比［15］。表面活性劑溶液在湍流減阻流體流動中產(chǎn)生減阻效應(yīng)的因素是溶液流動內(nèi)部生成的微觀結(jié)構(gòu)，即所謂的剪切誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)。如圖2所示，減阻效應(yīng)取決于溶液內(nèi)部是否能夠形成剪切致棒狀，繼而形成網(wǎng)狀的微觀結(jié)構(gòu)，而這類微觀結(jié)構(gòu)歸根到底是由表面活性劑小分子形成的膠束結(jié)構(gòu)。

上述2 種減阻添加劑的抗剪切和抗高溫能力均較差，不過表面活性劑具有“自恢復(fù)”功能，在高剪切力或高溫作用消失后可以自行恢復(fù)減阻功能，而高分子聚合物一旦被破壞，就無法再進行減阻。所以，高分子聚合物減阻多用于一次系統(tǒng)，表面活性減阻劑則多用于有驅(qū)動泵的液體循環(huán)系統(tǒng)。在水炮系統(tǒng)中，由于無需過多考慮減阻劑的時效性，因此這2 種減阻劑均具有實際的應(yīng)用潛力。本文將圍繞表面活性減阻劑展開進一步的論述。

圖2 表面活性減阻與高分子聚合物減阻機理對比［15］Fig.2 Comparison of drag reduction mechanism between surfactant additive and high molecular polymer［15］

2 表面添加劑減阻技術(shù)的海水管路實驗驗證

圖3 圓管海水湍流減阻測試實驗臺Fig.3 Experimental prototype of seawater tube turbulence drag reduction

目前，圍繞減阻劑減阻效果的研究主要聚焦在原油輸送、樓宇空調(diào)循環(huán)水、集中供熱等油類及淡水領(lǐng)域，針對海水領(lǐng)域的目前尚未見到報道。為了驗證減阻劑應(yīng)用于水炮系統(tǒng)的設(shè)想，首先需確定典型減阻劑在海水系統(tǒng)中是否同樣有效。圖3所示為減阻流動測試實驗臺。在該實驗臺的基礎(chǔ)上，完成以十六烷基三甲基氯化銨和水楊酸鈉（CTAC/NaSal）作為添加劑的圓管海水湍流減阻實驗測試。圖4 所示為圓管海水湍流減阻實驗效果圖。圖中，ΔP為壓力損失，DR為減阻率，Q為體積流量。實驗中，雷諾數(shù)最高可達5×104，與真實水炮管路系統(tǒng)中的流動雷諾數(shù)相差較大，但本文的目的主要是首先驗證CTAC/NaSal 海水溶液是否具有減阻效應(yīng)，從而為其今后在真實水炮管路系統(tǒng)中的應(yīng)用提供重要的理論支撐。

圖4 采用CTAC/NaSal作為添加劑的圓管海水湍流減阻試驗數(shù)據(jù)Fig.4 Experimental data of seawater tube turbulent drag reduction of CTAC/NaSal as additives

實驗表明，在海水圓管流動中添加CTAC/NaSal溶液有明顯的減阻效果，減阻率最高可達60%，與CTAC/NaSal 淡水溶液的減阻效果相當，可基本確定將典型減阻劑應(yīng)用于海水同樣具有良好的減阻效用。同時，實驗還發(fā)現(xiàn)：在CTAC/NaSal 質(zhì)量分數(shù)為200×10-6和500×10-6海水溶液工況中，同樣存在最佳減阻率。這主要是因為流量越大，流動剪切力越大，從而引起CTAC/NaSal 的剪切誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)被破壞，使得減阻效果下降。

3 某公務(wù)執(zhí)法船水炮系統(tǒng)及水力建模

3.1 某型公務(wù)執(zhí)法船水炮系統(tǒng)

圖5 所示為國內(nèi)設(shè)計的7XX 公務(wù)執(zhí)法船水炮系統(tǒng)原理圖。圖6 所示為水炮外形圖（圖中數(shù)值單位：mm），其中消防炮為SS300EL 型，柱噴嘴1500-13 型。水炮系統(tǒng)設(shè)計流量為1 500 m3/h，射程為150 m，功率約750 kW，進口壓力為1.3 MPa。水炮系統(tǒng)管路的組成相對簡單，是從海底通海閥經(jīng)過濾器，配合水炮水泵變徑，然后通過水泵輸入能量以后，再經(jīng)管路繼續(xù)上升至羅經(jīng)甲板。海水管路通徑為DN400，在羅經(jīng)甲板分成兩舷，縮徑為DN200，連接水炮裝置，兩舷水炮通常不同時使用；在整套管路上配置必需的閥門，通常采用的是流動阻力較小的蝶閥形式。

圖5 7XX 公務(wù)執(zhí)法船水炮系統(tǒng)原理圖Fig.5 Schematic diagram of water cannon system of 7XX law enforcement vessel

圖6 水炮外形及出口尺寸圖Fig.6 Dimension drawing of water cannon's outlet and configuration

水炮的功率較大，約為750 kW，因此通常無法采用輔助柴油發(fā)電機供電的型式，需要利用主機齒輪箱自由端，通過軸帶泵的型式，或者是采用獨立水炮柴油機直接驅(qū)動。如果通過增大原動機的型式來提升水炮能力，柴油機、水炮水泵、油柜等設(shè)備的增大將會極大地增加總體布置的負擔(dān)；另一方面，若不增加海水管路的通徑，流動阻力的增加將會極大地抵消原動機的能量，而若增大海水管路通徑，無論是在布置上還是重量上都會進一步增大總體布置的難度。

通常水炮對抗過程作用時間較短，故在流量和射程方面占劣勢的一方會主動退出。因此，通過添加具有減阻效果的物質(zhì)在短時間形成“興奮劑”效果，以提高水炮射程和流量是一種具有潛力的發(fā)展方向。

3.2 水炮系統(tǒng)水力建模

因水炮系統(tǒng)的實驗系統(tǒng)龐大，同時耗資較大，故可先通過模擬的形式分析系統(tǒng)效能。通過FLOWMASTER 軟件建立水炮系統(tǒng)水力模型。根據(jù)水炮系統(tǒng)原理圖及實際放樣情況，對每段管段的長度和通徑賦值，并添加局部阻力件（閥門、彎頭、漸變徑），設(shè)定水泵元件流量及揚程，建立水炮系統(tǒng)管網(wǎng)模型。模擬的基本思路是：通過對7XX公務(wù)執(zhí)法船水炮管路的設(shè)計，賦值各水力環(huán)節(jié)，驗證水炮系統(tǒng)的設(shè)計性能是否符合實船要求，進一步將減阻劑的減阻效果賦值，然后利用實驗中測得的沿程阻力、局部阻力減阻效果，再次進行模擬，對比減阻劑添加前后水炮的性能，從而對減阻劑水炮系統(tǒng)的減阻增效效果進行預(yù)報。

3.3 局部阻力處理

已通過圓管管路海水減阻實驗驗證了CTAC/NaSal 減阻劑對于海水的有效性。管路阻力損失由沿程阻力及局部阻力2 部分組成。其中沿程阻力為長直圓管流動阻力，局部阻力由彎頭、變徑、三通和閥門等局部構(gòu)件產(chǎn)生，在流動過程產(chǎn)生的阻力中，這些局部構(gòu)件有著不可忽略的占比，在水炮系統(tǒng)的管路阻力中，局部阻力同樣為系統(tǒng)管網(wǎng)阻力的重要組成部分。

研究表明，表面添加劑作為減阻劑，對于沿程阻力有非常好的效果，對于局部阻力也有一定的效果，但相比沿程阻力其效用還有一定的差距［15］。由于局部阻力的減阻效果有限，同時，海水與淡水的減阻效果基本相當，因此，在本模型中，綜合考慮尺度放大問題，利用淡水的局部阻力數(shù)據(jù)為管段賦值，推斷本水炮系統(tǒng)的減阻增效能力。在90°彎頭和變徑管內(nèi)的流動減阻實驗中，采用CTAC/NaSal質(zhì)量分數(shù)為800×10-6的淡水溶液（CTAC 與NaSal的質(zhì)量比為1∶1），溶液溫度14 ℃［16］。圖7 所示為加入添加劑前后90°彎頭內(nèi)的靜壓壓力損失結(jié)果［16］。結(jié)果顯示，“D=40 mm，ξ=0.01”（D 為管路通徑，ξ為表面粗糙度）工況下的減阻效果要優(yōu)于“D=20 mm，ξ=0.01”工況，這充分說明減阻效果不僅和雷諾數(shù)Rew有關(guān)，還和管道尺寸存在一定的關(guān)聯(lián)，該現(xiàn)象稱為“管徑效應(yīng)”。然而，水炮系統(tǒng)的管道彎頭直徑要遠大于圖7（b）中實驗所用的彎頭直徑，其流動狀態(tài)改變不劇烈，類似于緩慢變化的直管段，故添加劑作用于水炮系統(tǒng)彎頭上應(yīng)同樣具有一定的減阻效果。

圖7 實驗所測不同規(guī)格90°彎頭加減阻劑前、后靜壓損失（局部阻力）［16］Fig.7 The static pressure loss with and without drag reduction additive of 90°elbow bend for experimental measure（local resistance）［16］

圖8 顯示了加入添加劑前、后變徑管內(nèi)的流動減阻效果［16］（圖中，d 為變徑管通徑）。結(jié)果顯示，在這2 種規(guī)格的突縮管內(nèi)均存在較強的減阻效果。在水炮系統(tǒng)中，變徑管均為漸變變徑，相對于突變變徑其可以有效減小變徑帶來的局部阻力系數(shù)。已通過實驗得到突變變徑在一定濃度減阻劑下的減阻效果，這對水炮系統(tǒng)所用漸變變徑在減阻劑作用下的減阻效果具有一定的指導(dǎo)作用。水炮系統(tǒng)的變徑較長，近似直管，故認為加入添加劑后具有一定的減阻效果。

水炮系統(tǒng)中閥門多為蝶閥，由蝶閥的原理可知，在閥門開度全開的情況下，流體經(jīng)過蝶閥的流動可近似為碟片兩邊的局部變徑或分叉流動，局部阻力較小，同時由于作用時間較短，添加劑對蝶閥的減阻效果不明顯。

圖8 實驗所測不同規(guī)格和類型的變徑管加減阻劑前、后靜壓壓力損失（局部阻力）［16］Fig.8 The static pressure loss of variable diameter tube with and without drag reduction additive for experimental measure（local resistance）［16］

通過以上對于水炮系統(tǒng)沿程和局部阻力的分析，下面將對水力模型賦值，模擬研究水炮系統(tǒng)減阻增效的效果。

4 水炮系統(tǒng)減阻增效預(yù)報結(jié)果

首先，通過水力模型分析原始水炮系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的流動及阻力情況，其結(jié)果如表1～表4 所示。彎頭局部壓損在管路阻力損失中占比最大，局部阻力損失是水炮管網(wǎng)的主要矛盾。如前所述，減阻劑更擅長在沿程阻力中發(fā)揮效用，不過在局部阻力部件（例如，大管徑彎頭等）中，也具有一定的減阻效果。

表1 系統(tǒng)添加減阻劑前的管道壓力損失Table 1 Frictional resistance without surfactant additives

由表1～表4 的統(tǒng)計可知，水炮系統(tǒng)的壓力損力總計約746.2 kPa。在流速為5.2 和16.2 m/s 管段，阻力的占比最大，且這2 個流速出現(xiàn)在2 個不同的連續(xù)區(qū)域，因此，提出分段式添加劑加注方法。各管段內(nèi)添加劑的減阻性能與該管段內(nèi)的速度有關(guān)，而添加劑兩級加注系統(tǒng)就是為了使各管段內(nèi)的表面活性劑濃度達到與其主流速度相對應(yīng)的濃度。經(jīng)計算，得出系統(tǒng)內(nèi)流動損失占比較大的管段流速分別為5.2 和16.2 m/s，為此，主要針對這2 個流速區(qū)添加相應(yīng)濃度的表面活性劑，并采用兩級加注方案，注入點分別為水炮水泵之后的位置以及DN400 主管變?yōu)? 只DN200 管的位置。由于存在管徑效應(yīng)，不同管徑下的最佳表面活性劑濃度不同，同時，類似于水炮系統(tǒng)的此類高雷諾數(shù)減阻實驗也未曾嘗試過，因此，2 個目標速度下的添加劑濃度均按經(jīng)驗給出，且主要用于壁面減阻。經(jīng)計算，得5.2 m/s 流速對應(yīng)的表面活性劑的質(zhì)量分數(shù)為1 400×10-6，16.2 m/s 流速對應(yīng)的表面活性劑的質(zhì)量分數(shù)為2 500×10-6。

表2 系統(tǒng)添加減阻劑前的彎頭局部壓力損失Table 2 Local drag without surfactant additives（elbow）

表3 系統(tǒng)添加減阻劑前的蝶閥壓力損失Table 3 Local drag without surfactant additives（butterfly valve）

表4 系統(tǒng)添加減阻劑前的變徑壓力損失Table 4 Local drag without surfactant additives（variable diameter）

在此添加劑濃度的基礎(chǔ)上，基于管網(wǎng)模型，利用減阻劑沿程阻力及局部阻力試驗數(shù)據(jù)，修正管網(wǎng)各環(huán)節(jié)的阻力系數(shù)，從而模擬添加了減阻劑后水炮系統(tǒng)的水力性能。模擬結(jié)果表明，系統(tǒng)管路的總阻力可減小約25%～40%。

圖9 所示為加注不同濃度減阻劑工況（分別為未加注減阻劑，以及加減阻劑后減阻效果為20%，25%，30%，35%和40%）下的管路沿程水頭曲線。水炮系統(tǒng)管路尺寸較大，由于存在管徑效應(yīng)，相同的表面活性劑減阻溶液在不同尺寸管路系統(tǒng)中得到的減阻效果不同，因此，添加了減阻劑的管路其減阻效果存在±10%的不確定度?？偠灾?，添加減阻劑后，減阻效果在20%～40%之間是比較有把握的。表5 詳細列出了減阻能力為20%～40%時水炮系統(tǒng)出口工況及垂直射程。

圖9 添加減阻劑后水炮管路沿程水頭曲線Fig.9 Waterhead of water cannon pipeline with drag reduction additive

表5 減阻能力為20%～40%時水炮系統(tǒng)出口工況及垂直噴射距離Table 5 Outlet condition and vertical spray distance of water cannon system while 20%-40% drag reduction occurs

由以上結(jié)果可以看出，通過增設(shè)表面活性減阻系統(tǒng)，水炮系統(tǒng)出口處的垂直射程得到了明顯增加。即使系統(tǒng)減阻率取模擬結(jié)果的下限，即20%，系統(tǒng)出口處的垂直射程也增加了15 m，效果非常顯著。以30%的減阻率作為本方法及模擬研究的標準工況與結(jié)論，此時水炮的垂直射程為127.7 m，水炮射程增加了約20%，流量增加了8%，水炮系統(tǒng)打擊力顯著增強，可取得局部對抗優(yōu)勢。

5 水炮系統(tǒng)減阻增效添加劑注入方案

各管段內(nèi)添加劑的減阻性能與管段內(nèi)的主流速度有關(guān)，如前所述，添加劑兩級加注系統(tǒng)就是為了使各管段內(nèi)的表面活性劑濃度達到與其主流速度相對應(yīng)的濃度。通常，水炮對抗時間較短，設(shè)定水炮強化增效工作15 min，總流量為500 m3，一級加注需要表面活性劑700 kg，二級加注需要表面活性劑550 kg。若整個系統(tǒng)都達到目標減阻濃度，因加注量非常大，故只能考慮采用狹縫注入和同步配置溶液的方式。本文擬在一級注入系統(tǒng)處沿管件環(huán)狀開10 個狹縫篩孔，采用柱塞泵壓力注入方式注入表面活性劑溶液，以盡量提高注入溶液濃度，從而保證溶液儲罐較小。

由于采用標準濃度溶液儲罐的形式將占據(jù)非常大的艙容，故采用了濃溶液儲罐。首先通過全船冷卻海水系統(tǒng)引入海水，然后采用攪拌器同步配置溶液至指定濃度，進而通過泵注入水炮管路系統(tǒng)。具體實施方式擬定為每一級加注使用2 個容積為1.0 m3的儲罐交替注入和配置。具體配置時間視攪拌效率而定，若攪拌效率高，可進一步減小儲罐容積。二級加注系統(tǒng)方案與一級加注系統(tǒng)方案相同，同樣為2 個容積為1.0 m3的儲罐。鑒于對溶液儲罐容積及防腐的要求，需采用不銹鋼制儲罐?？紤]到要維持溶液的有效性，采用柱塞泵來實現(xiàn)對配置后減阻劑濃溶液的系統(tǒng)加注。具體實現(xiàn)型式的原理圖如圖10 所示。

6 結(jié) 語

1）水炮系統(tǒng)作為公務(wù)執(zhí)法船水面對抗系統(tǒng)的主要配置，使用頻率高，其射程及流量在執(zhí)法對抗中起著決定性的作用。圓管海水湍流減阻試驗表明，典型的減阻添加劑對于海水管路系統(tǒng)同樣有效，將添加劑減阻技術(shù)應(yīng)用于水炮系統(tǒng)對抗領(lǐng)域的創(chuàng)意具有良好應(yīng)用潛力。

2）基于表面活性劑對于粘彈性流體流動過程的減阻效應(yīng)，模擬研究表明，系統(tǒng)能夠在15 min的效用強化期內(nèi)使水炮射程增加約20%，流量增加約8%，實現(xiàn)了水炮系統(tǒng)短時間“興奮劑”的強化效用。

3）對水炮減阻增效系統(tǒng)方案進行了設(shè)想，即利用4 個1.0 m3的溶液儲罐，采用兩級減阻劑夾縫篩孔自動注入系統(tǒng)，生成/注入交替進行。在水炮系統(tǒng)運行過程中，利用柱塞泵伴隨添加相應(yīng)流量的減阻劑，可降低海水—管路湍流流動阻力。

4）目前，典型水炮系統(tǒng)在雷諾數(shù)下的海水流動沿程、局部阻力實驗數(shù)據(jù)還不完整，并且尚未開展典型的活性劑海水—空氣摩擦阻力實驗研究。同時，還應(yīng)注意尺度效應(yīng)及尺度放大方法對數(shù)值模擬預(yù)報結(jié)果準確度的影響。下一步，將在縮比實驗研究的基礎(chǔ)上進一步修正模擬方法，測試流動阻力數(shù)據(jù)，進一步論證加注實現(xiàn)型式。

圖10 基于添加劑減阻技術(shù)的水炮系統(tǒng)原理圖（兩級添加）Fig.10 Schematic diagram of water cannon enhancement system with two-stage drag reduction additive injection