气泡逸出控制措施对气泡船减阻效果影响的数值研究

摘要

减小船舶航行阻力是发展船舶节能技术及提高船舶航速的方向之一，而对于船舶水动力学的研究来说，减小船舶阻力一直是这门学科的主旋律。微气泡减阻技术是近三十年发展起来的，国内外许多学者对气泡减阻进行了大量实验和理论研究，其良好的减阻效果已经为试验所检验。国家863科技攻关项目“高速气泡船船型研究”是针对气泡船的运动特点，从理论及试验研究着手，研究出具有高效喷气方式、气泡稳定性好及各项性能指标优良的高速气泡船新船型。 本文是在对高速气泡船减阻进行理论及试验研究的基础上，进一步研究提高高速气泡船减阻率的技术措施。本文通过对高速艇艇底不同位置加设纵向防溅条，来控制气泡沿船体横向的逸出，增大艇底气泡的体积浓度，提高气泡船的减阻效果。考虑船体横剖面形状对气泡逸出的影响，特别是纵剖线形状的影响，又对一艘改型气泡船进行了气泡减阻计算。通过对计算结果的比较分析，寻求控制气泡逃逸的最佳技术措施，从而提高高速艇摩擦阻力减阻率，达到降阻节能的目的。 本文数值求解中应用有限体积法对方程进行离散，采用SIMPLEC算法求解雷诺平均流动方程组、以及求解含有微气泡的雷诺平均的两相流动方程组。计算不喷气状态时，选用标准k—ε湍流模型及标准壁面函数，这有利于计算的收敛，考虑重力作用。计算喷气状态时，采用欧拉方法的Mixture混合两相流模型及标准k—ε湍流模型，即将气泡流作为混合物的流动处理，同时考虑了气泡与水的相对运动。 本文数值模拟结果表明：在高速艇艇底设置小尺度纵向防溅条虽抑制了气泡向艇体两侧逃逸，也增大了气泡在艇底的体积浓度，但是并没有提高高速艇的减阻率。改型船底部的纵剖线近乎平直的设计特点，保证了船底气泡具有较好的运动稳定性，使艇底气泡的体积浓度增大，摩擦阻力减阻率提高。改型船舭部设计成折角型，并保持一定的下倾角，控制了气泡沿船体横向的逸出，增大了气泡的体积浓度，提高了摩擦阻力减阻率。改型船最大可获得37.3％的摩擦阻力减阻率。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1船舶减阻的研究方向

1.2国内外微气泡减阻研究现状

1.3提高气泡船摩擦阻力减阻率的技术措施

1.4本文研究目的及意义

1.5本文的主要工作

第2章两项流数值计算

2.1两相流简介

2.2两相流数值方法

2.2.1欧拉—拉格朗日方法

2.2.2欧拉—欧拉方法

2.2.3拉格朗日—拉格朗日方法

2.3微气泡流动理论分析

2.4两相流基本控制方程

2.4.1混合模型的连续方程

2.4.2混合模型的动量方程

2.4.3相对(滑流)速度和漂移速度

2.4.4第二相的体积分数方程

第3章高速艇粘性流场数值模拟

3.1数值建模

3.1.1实体建模

3.1.2计算域及网格

3.2控制方程

3.2.1模型不喷气状态下控制方程

3.2.2模型喷气状态下控制方程

3.3湍流模型

3.4边界条件

3.5数值方法

3.6数值计算和讨论

3.6.1高速艇不喷气计算结果

3.6.2高速艇喷气计算结果

3.6.3计算结果分析

3.7流场其他信息

3.8本章小结

第4章 防溅条对气泡逸出的控制和减阻效果的影响

4.1引言

4.2数值建模

4.2.1 1 #模型

4.2.2 2 #模型

4.3数值计算

4.3.1 1#、2#模型不喷气计算结果

4.3.2 1#、2#模型喷气计算结果

4.4计算结果分析

4.4.1艇底两侧加防溅条对减阻的影响

4.4.2艇底尾部加防溅条对减阻的影响

4.5本章小结

第5章 喷气口下游线型变化对气泡减阻效果的影响

5.1改型气泡船船型设计思想

5.2喷缝位置的选取

5.3数值建模

5.4数值计算

5.4.1改型艇不喷气计算结果

5.4.2改型艇喷气计算结果

5.5计算结果分析

5.5.1改型艇与0#模型减阻对比分析

5.5.2改型艇微气泡减阻分析

5.6流场其它信息

5.7本章小结

第6章结论与展望

6.1全文工作总结

6.2气泡船研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文和参加科研情况