Simulation analysis tentative scheme of drag reduction by additives in water cannon system
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摘要:目的 为了短时提高水炮的射程与流量，提出在水炮系统中采用添加剂湍流减阻技术。方法 首先，通过圆管海水湍流减阻实验验证典型减阻添加剂对于海水系统同样有效；其次，建立水炮系统水力学模型；最后，提出一种两级减阻剂夹缝筛孔自动注入系统，在水炮系统运行过程中，减阻剂搅拌/注入交替进行，利用柱塞泵伴随添加相应流量的减阻剂。结果 模拟研究表明，系统能够在15 min效用强化期内使水炮射程增加约20%，流量增加约8%。结论 基于添加剂湍流减阻技术可实现水炮系统“兴奋剂”强化，具有良好的应用潜力。Abstract:Objectives In order to increase the range and flow rate of the water cannon system, drag reduction additive was introduced.Methods Firstly, the experimental results showed that the typical drag reduction additive was also effective for seawater system. Secondly, the hydraulic model of the water cannon system was established. Finally, an automatic two-stage drag reducer injection system with slotted sieve holes was put forward. During the operation of the water cannon system, the mixing and injection of the drag reducer was carried out alternately, and the plunger pump was used to add the drag reducer with the corresponding flow.Results The simulation studies show that the additives can increase the range of the water cannon by about 20% and increase the flow rate by about 8% during 15 minutes utility enhancement period.Conclusions Turbulent drag reduction by surfactant additives can improve the range and flow rate of water cannon for a short time with great application potential for the law enforcement vessel.
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0. 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 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。
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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。
2. 表面添加剂减阻技术的海水管路实验验证
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。
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图 3 圆管海水湍流减阻测试实验台1-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Figure 3. Experimental prototype of seawater tube turbulence drag reduction![]()
图 4 采用CTAC/NaSal作为添加剂的圆管海水湍流减阻试验数据Figure 4. Experimental data of seawater tube turbulent drag reduction of CTAC/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。
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图 5 7XX公务执法船水炮系统原理图Figure 5. Schematic diagram of water cannon system of 7XX law enforcement vessel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”。然而，水炮系统的管道弯头直径要远大于图 7（b）中实验所用的弯头直径，其流动状态改变不剧烈，类似于缓慢变化的直管段，故添加剂作用于水炮系统弯头上应同样具有一定的减阻效果。
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图 8显示了加入添加剂前、后变径管内的流动减阻效果[16]（图中，d为变径管通径）。结果显示，在这2种规格的突缩管内均存在较强的减阻效果。在水炮系统中，变径管均为渐变变径，相对于突变变径其可以有效减小变径带来的局部阻力系数。已通过实验得到突变变径在一定浓度减阻剂下的减阻效果，这对水炮系统所用渐变变径在减阻剂作用下的减阻效果具有一定的指导作用。水炮系统的变径较长，近似直管，故认为加入添加剂后具有一定的减阻效果。
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水炮系统中阀门多为蝶阀，由蝶阀的原理可知，在阀门开度全开的情况下，流体经过蝶阀的流动可近似为碟片两边的局部变径或分叉流动，局部阻力较小，同时由于作用时间较短，添加剂对蝶阀的减阻效果不明显。
通过以上对于水炮系统沿程和局部阻力的分析，下面将对水力模型赋值，模拟研究水炮系统减阻增效的效果。
4. 水炮系统减阻增效预报结果
首先，通过水力模型分析原始水炮系统各环节的流动及阻力情况，其结果如表 1~表 4所示。弯头局部压损在管路阻力损失中占比最大，局部阻力损失是水炮管网的主要矛盾。如前所述，减阻剂更擅长在沿程阻力中发挥效用，不过在局部阻力部件（例如，大管径弯头等）中，也具有一定的减阻效果。
表 1 系统添加减阻剂前的管道压力损失Table 1. Frictional resistance without surfactant additives管段（标号） 流速/（m·s-1） 管径/ mm 管长/m 压力损失/kPa 34 5.2 388 1.75 0.984 067 4 5.2 388 5 2.811 57 6 5.2 388 2 1.124 63 7 18.3 207 1.1 16.232 4 8 8 313 1.25 2.141 35 12 5.2 388 0.15 0.084 347 2 13 5.2 388 0.3 0.168 694 16 3.7 460 0.4 0.093 405 1 21 18.3 207 0.45 6.640 517 4 23 18.3 207 0.4 5.902 68 24 6.21 355 4 3.564 86 32 5.2 388 3.6 2.024 37 19 46.32 130 0.3 50.457 7 20 16.2 220 0.59 6.335 848 2 22 16.2 220 0.42 3.453 46 合计 102.019 898 9 表 2 系统添加减阻剂前的弯头局部压力损失Table 2. Local drag without surfactant additives (elbow)弯头（标号） 流速/（m·s-1） 管径/ mm 压力损失/kPa 10 5.2 388 13.472 4 30 5.2 388 13.472 4 9 5.2 388 13.472 4 2 16.2 220 131.644 4 11 16.2 220 131.644 4 15 16.2 220 131.644 4 合计 435.350 4 表 3 系统添加减阻剂前的蝶阀压力损失Table 3. Local drag without surfactant additives (butterfly valve)蝶阀（标号） 管径/ mm 流速/（m·s-1） 压力损失/kPa 5 388 5.2 4.916 7 18 207 18.27 60.690 6 26 388 5.2 4.916 7 合计 70.524 表 4 系统添加减阻剂前的变径压力损失Table 4. Local drag without surfactant additives(variable diameter)变径（标号） 管长/m 流速/（m·s-1） 压力损失/kPa 3 0.4 18.27 61.273 0 14 0.4 18.27 9.998 3 25 0.4 8 1.912 6 27 0.4 5.2 0.810 0 28 0.4 16.18 64.273 8 合计 138.267 7 由表 1~表 4的统计可知，水炮系统的压力损力总计约746.2 kPa。在流速为5.2和16.2 m/s管段，阻力的占比最大，且这2个流速出现在2个不同的连续区域，因此，提出分段式添加剂加注方法。各管段内添加剂的减阻性能与该管段内的速度有关，而添加剂两级加注系统就是为了使各管段内的表面活性剂浓度达到与其主流速度相对应的浓度。经计算，得出系统内流动损失占比较大的管段流速分别为5.2和16.2 m/s，为此，主要针对这2个流速区添加相应浓度的表面活性剂，并采用两级加注方案，注入点分别为水炮水泵之后的位置以及DN400主管变为2只DN200管的位置。由于存在管径效应，不同管径下的最佳表面活性剂浓度不同，同时，类似于水炮系统的此类高雷诺数减阻实验也未曾尝试过，因此，2个目标速度下的添加剂浓度均按经验给出，且主要用于壁面减阻。经计算，得5.2 m/s流速对应的表面活性剂的质量分数为1 400×10-6，16.2 m/s流速对应的表面活性剂的质量分数为2 500×10-6。
在此添加剂浓度的基础上，基于管网模型，利用减阻剂沿程阻力及局部阻力试验数据，修正管网各环节的阻力系数，从而模拟添加了减阻剂后水炮系统的水力性能。模拟结果表明，系统管路的总阻力可减小约25%~40%。
图 9所示为加注不同浓度减阻剂工况（分别为未加注减阻剂，以及加减阻剂后减阻效果为20%，25%，30%，35%和40%）下的管路沿程水头曲线。水炮系统管路尺寸较大，由于存在管径效应，相同的表面活性剂减阻溶液在不同尺寸管路系统中得到的减阻效果不同，因此，添加了减阻剂的管路其减阻效果存在[±]10%的不确定度。总而言之，添加减阻剂后，减阻效果在20%~40%之间是比较有把握的。表 5详细列出了减阻能力为20%~40%时水炮系统出口工况及垂直射程。
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图 9 添加减阻剂后水炮管路沿程水头曲线Figure 9. Waterhead of water cannon pipeline with drag reduction additive表 5 减阻能力为20%~40%时水炮系统出口工况及垂直喷射距离Table 5. Outlet condition and vertical spray distance of water cannon system while 20%-40% drag reduction occursDR /% 火炮喷口出口水头压力/bar 出口流速/（m·s-1） 垂直射程/m 0 10.3 46.33 106.9 20 11.8 48.7 121.8 25 12.1 49.6 125.5 30 12.4 50.0 127.7 35 12.9 51.1 132.9 40 13.3 51.9 137.2 由以上结果可以看出，通过增设表面活性减阻系统，水炮系统出口处的垂直射程得到了明显增加。即使系统减阻率取模拟结果的下限，即20%，系统出口处的垂直射程也增加了15 m，效果非常显著。以30%的减阻率作为本方法及模拟研究的标准工况与结论，此时水炮的垂直射程为127.7 m，水炮射程增加了约20%，流量增加了8%，水炮系统打击力显著增强，可取得局部对抗优势。
5. 水炮系统减阻增效添加剂注入方案
各管段内添加剂的减阻性能与管段内的主流速度有关，如前所述，添加剂两级加注系统就是为了使各管段内的表面活性剂浓度达到与其主流速度相对应的浓度。通常，水炮对抗时间较短，设定水炮强化增效工作15 min，总流量为500 m3，一级加注需要表面活性剂700 kg，二级加注需要表面活性剂550 kg。若整个系统都达到目标减阻浓度，因加注量非常大，故只能考虑采用狭缝注入和同步配置溶液的方式。本文拟在一级注入系统处沿管件环状开10个狭缝筛孔，采用柱塞泵压力注入方式注入表面活性剂溶液，以尽量提高注入溶液浓度，从而保证溶液储罐较小。
由于采用标准浓度溶液储罐的形式将占据非常大的舱容，故采用了浓溶液储罐。首先通过全船冷却海水系统引入海水，然后采用搅拌器同步配置溶液至指定浓度，进而通过泵注入水炮管路系统。具体实施方式拟定为每一级加注使用2个容积为1.0 m3的储罐交替注入和配置。具体配置时间视搅拌效率而定，若搅拌效率高，可进一步减小储罐容积。二级加注系统方案与一级加注系统方案相同，同样为2个容积为1.0 m3的储罐。鉴于对溶液储罐容积及防腐的要求，需采用不锈钢制储罐。考虑到要维持溶液的有效性，采用柱塞泵来实现对配置后减阻剂浓溶液的系统加注。具体实现型式的原理图如图 10所示。
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图 10 基于添加剂减阻技术的水炮系统原理图（两级添加）Figure 10. Schematic diagram of water cannon enhancement system with two-stage drag reduction additive injection6. 结语
1）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，其射程及流量在执法对抗中起着决定性的作用。圆管海水湍流减阻试验表明，典型的减阻添加剂对于海水管路系统同样有效，将添加剂减阻技术应用于水炮系统对抗领域的创意具有良好应用潜力。
2）基于表面活性剂对于粘弹性流体流动过程的减阻效应，模拟研究表明，系统能够在15 min的效用强化期内使水炮射程增加约20%，流量增加约8%，实现了水炮系统短时间“兴奋剂”的强化效用。
3）对水炮减阻增效系统方案进行了设想，即利用4个1.0 m3的溶液储罐，采用两级减阻剂夹缝筛孔自动注入系统，生成/注入交替进行。在水炮系统运行过程中，利用柱塞泵伴随添加相应流量的减阻剂，可降低海水—管路湍流流动阻力。
4）目前，典型水炮系统在雷诺数下的海水流动沿程、局部阻力实验数据还不完整，并且尚未开展典型的活性剂海水—空气摩擦阻力实验研究。同时，还应注意尺度效应及尺度放大方法对数值模拟预报结果准确度的影响。下一步，将在缩比实验研究的基础上进一步修正模拟方法，测试流动阻力数据，进一步论证加注实现型式。
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图 3 圆管海水湍流减阻测试实验台
1-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
Figure 3. Experimental prototype of seawater tube turbulence drag reduction
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图 4 采用CTAC/NaSal作为添加剂的圆管海水湍流减阻试验数据
Figure 4. Experimental data of seawater tube turbulent drag reduction of CTAC/NaSal as additives
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图 5 7XX公务执法船水炮系统原理图
Figure 5. Schematic diagram of water cannon system of 7XX law enforcement vessel
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图 9 添加减阻剂后水炮管路沿程水头曲线
Figure 9. Waterhead of water cannon pipeline with drag reduction additive
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图 10 基于添加剂减阻技术的水炮系统原理图（两级添加）
Figure 10. Schematic diagram of water cannon enhancement system with two-stage drag reduction additive injection
表 1 系统添加减阻剂前的管道压力损失
Table 1 Frictional resistance without surfactant additives
管段（标号） 流速/（m·s-1） 管径/ mm 管长/m 压力损失/kPa 34 5.2 388 1.75 0.984 067 4 5.2 388 5 2.811 57 6 5.2 388 2 1.124 63 7 18.3 207 1.1 16.232 4 8 8 313 1.25 2.141 35 12 5.2 388 0.15 0.084 347 2 13 5.2 388 0.3 0.168 694 16 3.7 460 0.4 0.093 405 1 21 18.3 207 0.45 6.640 517 4 23 18.3 207 0.4 5.902 68 24 6.21 355 4 3.564 86 32 5.2 388 3.6 2.024 37 19 46.32 130 0.3 50.457 7 20 16.2 220 0.59 6.335 848 2 22 16.2 220 0.42 3.453 46 合计 102.019 898 9 
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表 2 系统添加减阻剂前的弯头局部压力损失
Table 2 Local drag without surfactant additives (elbow)
弯头（标号） 流速/（m·s-1） 管径/ mm 压力损失/kPa 10 5.2 388 13.472 4 30 5.2 388 13.472 4 9 5.2 388 13.472 4 2 16.2 220 131.644 4 11 16.2 220 131.644 4 15 16.2 220 131.644 4 合计 435.350 4
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表 3 系统添加减阻剂前的蝶阀压力损失
Table 3 Local drag without surfactant additives (butterfly valve)
蝶阀（标号） 管径/ mm 流速/（m·s-1） 压力损失/kPa 5 388 5.2 4.916 7 18 207 18.27 60.690 6 26 388 5.2 4.916 7 合计 70.524
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表 4 系统添加减阻剂前的变径压力损失
Table 4 Local drag without surfactant additives(variable diameter)
变径（标号） 管长/m 流速/（m·s-1） 压力损失/kPa 3 0.4 18.27 61.273 0 14 0.4 18.27 9.998 3 25 0.4 8 1.912 6 27 0.4 5.2 0.810 0 28 0.4 16.18 64.273 8 合计 138.267 7
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表 5 减阻能力为20%~40%时水炮系统出口工况及垂直喷射距离
Table 5 Outlet condition and vertical spray distance of water cannon system while 20%-40% drag reduction occurs
DR /% 火炮喷口出口水头压力/bar 出口流速/（m·s-1） 垂直射程/m 0 10.3 46.33 106.9 20 11.8 48.7 121.8 25 12.1 49.6 125.5 30 12.4 50.0 127.7 35 12.9 51.1 132.9 40 13.3 51.9 137.2
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1. 汪震，林杰，汪睿. 基于CFD技术的改进型执法水炮流道结构设计. 船海工程. 2022(05): 1-6 . 
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