王炳亮[1]2012年在《船舶微气泡减阻数值模拟及机理研究》文中进行了进一步梳理随着工业的逐渐发展，能源和环境污染问题已经逐渐被人们所关注，如何能更有效地节约能源，减少污染气体排放成为各国学者密切关注的问题之一，节能减排问题作为一个重要的课题被国内外众多学者所研究，降低船舶的阻力可以显着地减少能源的消耗，并且船舶的航行速度也可以有效地提高，无论在经济上，还是军事上都有很高的价值。因此如何有效地降低船舶阻力成为了国内外学者急需解决的问题。微气泡减阻技术可以很有效的减小摩擦阻力，这在实船试验中很好的得到了验证，气泡减阻技术有很大的发展前景。微气泡减阻的数值模拟计算已经发展很长时间了，但是国内外学者们一直在追求着更准确的数值方法。本文针对平板边界面简化模型进行数值模拟，分析了在运用欧拉多相流模型时最优的湍流模型、相间曳力模型、网格的划分等的设置并在此基础上分析了气泡尺寸对减阻效果的影响。在3种k-ε湍流模型选取了k-εRealizable湍流模型，在四种曳力模型下选取了通用阻力规律曳力模型，分析出欧拉多相流模型相对于其他模型对网格大小有更强的依赖性。得到减小气泡尺寸可以增加微气泡减阻的效率的结论，本文中气泡大小选取为0.00005m.以散货船船模为研究对象，在平板模型计算所得结论的基础上，在欧拉多相流模型中，选取通过计算分析得到的最优的湍流模型、相间曳力模型、网格的划分，分别在船速1m/s，气泡通入浓度0.3、船速1m/s，气泡通入浓度0.5、船速2m/s，气泡通入浓度0.3、船速2m/s，气泡通入浓度0.5的四种情况下进行数值模拟，分析船速、通气速度、通气浓度对微气泡减阻效果的影响。得出船底板上气体的体积分数随船速的增加而减小，随通气速度和浓度的增加而增加；减阻率随船速的增加而减小，随通气速度和浓度的增加而增加；在低通气量时，临近喷射口的板的减阻率并不是最高的，当通气量达到一定值（临界通气量）后减阻率随距喷射口距离的增加而减小。临界通气量随船速、通气速度、浓度的变化而变化。通过对欧拉多相流模型和mixture多相流模型的数值模拟计算对比分析，得出欧拉多相流模型较mixture多相流模型计算结果精确。
杨鹏[2]2008年在《气泡船叁维粘性绕流的数值模拟》文中指出国家经济的发展给交通运输业带来了巨大的发展空间,航空运输的大量投入、铁路运输的多次提速和公路运输网的不断扩大都给船舶运输业带来了前所未有的挑战,高速船的研究成为水运业发展关注的焦点。而船舶速度的提高更是重要,已经发展成为一个综合性课题,其中对如何降低船舶航行阻力的研究将具有关键性的意义。气泡船是阻力性能优良船型之一,其工作原理是把空气(或废气)引入船底,在船底表面形成气水混合两相流,可降低船底表面附近流体密度,改变边界层内流动结构,从而降低船底表面摩擦阻力,达到节能目的。本文选取了近似船体的二维及叁维模型进行了数值模拟计算。本文选取的近似船体二维模型是一个5m长的平底船身,首部是一个椭圆的四分之一圆弧(椭圆长半轴半径0.5m,短半轴半径0.25m,圆弧与平底船身的连接处即是一个0.1m长的喷气口。本文选取的近似船体叁维模型是在二维模型的横向上加了1m长的宽度,并且在模型两侧加了挡板,船体尾部加了封板。本文采用gambit软件建模,运用商业软件FLUENT对近似船体进行数值模拟,数值方法是采用有限体积法离散方程,计算模型采用Mixture混合相模型,湍流模型采用标准的κ-ε二方程模型,速度和压力耦合采用Simplec方法,压力离散采用Body Force Weigated格式。本文通过数值模拟得到了如下结论:二维模型:气泡浓度和喷气速度的变化对气泡减阻的影响较大,气泡直径(10um～100um)和喷气角度的变化对气泡减阻的影响较小;气泡直径的变化对气泡减阻的影响不是非常的明显。气泡浓度在10%～30%的浓度范围内,减阻效果是随气泡浓度的增大而减小。气泡的减阻效果和喷气角度之间没有递增递减的关系,减阻的效果也并非偏移的角度越大就效果越好。叁维模型:在正浮状态下,气泡主要是从船尾逃逸掉,并且尾部逃逸的气泡尾迹相当长,在军事上可以采取相应措施对尾迹进行消除;气泡在船体底部有向两侧逃逸的趋势,但气泡没有从两侧逃逸到水表面。在横倾状态下,气泡既从船尾逃逸,又从船体侧面逃逸;从船尾逃逸的气泡尾迹远没有正浮状态的长;气泡在船体底部的后方有一个明显与船底分离,即气泡不再如正浮状态下贴住船底。在纵倾状态下,由于尾部压力大,气泡基本从侧面逃逸,减阻效果明显降低。在横倾状态下,可以在船体侧面增加防逸条,减少气泡侧面逃逸,以达到更好的减阻效果;针对横倾状态下出现的分离现象,可以考虑改进尾部船型,以达到更好的减阻效果。
曹春燕[3]2003年在《船舶微气泡减阻数值模拟》文中认为国家自然科学基金项目“高速气泡船减阻试验及理论研究”的目的在于研究高速气泡船喷气装置的关键技术及其相关问题，并从理论上预测喷气气泡在船底边界层的扩散规律和计算船体摩擦阻力，为将这一技术应用到实船上提供基础。本文工作主要是通过计算流体力学方法对船舶微气泡减阻进行数值模拟。 在微气泡减阻基金项目理论研究方面，梁志勇采用伪谱矩阵方法对平板微气泡减阻进行了数值模拟；林黎明则主要是采用PHOENICS软件提供的IPSA模型进行平板微气泡减阻计算。本文在林黎明研究的基础上进行船舶微气泡减阻的数值计算。在船型方面，通过AutoCAD软件绘制更符合实际的船体插入到PHOENICS软件中；理论模型方面，为研究边界层中的速度分布而增加对壁面条件的处理；最后，对林黎明在平板微气泡减阻研究中未能解释的一些现象，做出了作者自己的解释。 本文计算中采用由PHOENICS提供的IPSA相间滑移算法模型，应用有限体积法对方程进行离散，并应用迎风格式计算。IPSA模型对每一相求解N-S方程，并考虑水-气体两相间的相间相互作用，包括相间阻力、相间升力、相间压力和虚质量力。考虑到气泡对湍流的作用，文中对湍流模型进行了微气泡修正。对壁面条件的处理，本文采用Patel等人(1984)提出的K-ε模型的Lam-Bremhorst低雷诺拓展(LB模型)；而将自由面处理为刚盖自由面条件，进行船舶微气泡减阻数值计算。 在以上计算中分析了不同来流速度和气泡体积浓度下近壁面处速度分布和减阻率的变化。计算结果表明，直径为100μm的微气泡能减小近壁面连续相的速度梯度；微气泡在边界层中的浓度分布近似为叁角形或梯形分布；受粒子间相互作用的影响，存在一饱和浓度；减阻率随喷气量的增大而增大，直至饱和喷气量，此后，增大喷气量，壁面摩擦阻力变化不大；相同喷气量下，来流速度越大，减阻率越低。减阻率变化计算结果基本和文献的实验结果相吻合。
高杰强[4]2010年在《高速船舶微气泡减阻数值模拟研究》文中指出在船舶节能方式中,微气泡减阻越来越受到人们的青睐。微气泡减阻船的研究也吸引着国内外大量学者的目光并为之进行着不懈的努力。船舶微气泡减阻的工作原理可以简单地认为是把空气(或废气)引入船底,在船底表面形成气水混合两相流,降低船底表面附近流体密度,改变湍流边界层内的流动状态,从而降低船底表面摩擦阻力以达到节能的目的。对于微气泡减阻的原理分析及应用,除了应进行必要的理论与实验研究以外,用数值模拟来研究也已成为强有力的手段。它不仅能够直观的显示出减阻现象并能做出合理地描述,而且能对试验结果进行预测和提供改进的方案。本文在前人的实验和理论研究基础上,对微气泡减阻的基本理论和数值计算方法进行了分析与整理,确定出合理的数值计算方法和数值模型。并从二维近似船底入手,通过分析减阻率与空隙率的关系,得出空隙率是影响减阻率的重要因素,要提高船舶的减阻率的关键就是要提高船底近壁面的空隙率。通过对二维平板近似船底微气泡减阻的数值模拟结果表明,喷入微气泡能够使得平板摩擦阻力的减阻率减小,最大减幅可达85%左右;同一来流速度下,减阻率随着喷气量的增大而增大,当喷气量达到一定程度后,再增大喷气量,减阻率变化不大;同一喷气量下,减阻率随着主流速度的增大而减少;微气泡的大小对减阻率的影响很小;不同的喷气角度下,直喷情况下减阻效果较好;采用不同喷气形式来控制壁面空隙率的分布是一个提高减阻率的有效方法。在上述工作基础上对叁维实体船模进行数值模拟,分析了湍动能和湍流耗散率、船底压力对空隙率和减阻率的变化,为最佳喷气率的界定提供依据;并拟合出了减阻率和喷气率、弗汝德数之间的关系式;模拟分析出了弗汝德数在1.3到2.1之间的最佳喷气率为4左右,最佳在减阻率为22%左右;得出降低湍流摩擦阻力的一个主要原因是由于微气泡周围局部粘度的增加而引起了湍流动量耗散的加剧,为进一步船舶微气泡减阻的理论研究提供了参考。
万启睿[5]2016年在《多相流相互作用及船舶减阻气泡聚合破裂研究》文中指出面对全球能源约束趋紧、环境污染严重问题,节能减排已经成为世界性话题。随着环境问题对船舶业发展的制约,IMO国际组织出台了国际防止船舶造成污染公约,严格限制了NOx、硫化物、可吸入颗粒物及CO2的排放,开展绿色船舶节能减排势在必行。目前船舶节能减排研究主要有减小阻力、提高燃油利用率、提高螺旋桨推进效率、改进船型、尾气回收等。其中,减小船舶阻力可以从源头上节约燃油消耗,一直是船舶节能减排的重点研究问题。利用微气泡减小船舶阻力的有效性已经得到共识,特别是对叁大主力船型而言,因其摩擦阻力占总阻力的主要部分,利用微气泡可以很好的减小船体表面的摩擦阻力,进而降低能源消耗,节能减排,进而产生巨大的经济效益和社会效益。由于主流相(水)和船体表面对减阻气泡的分布、发展和减阻效果具有较大影响,因此本文主要研究气体、水和壁面之间相互作用、气泡聚合破裂、以及影响气泡减阻的重要影响因素。基于欧拉多相流模型对平板及船舶微气泡减阻数值模拟方法进行了研究。研究了平板和叁维船体的网格划分、聚合破裂模型、壁面润滑力及松弛因子等基本理论和数值计算方法。通过数值结果与试验值分析验证,得到了更加有效的气泡聚合破裂和减阻的理论预报方法。讨论了平板沿程减阻变化,研究分析了微气泡在流场中的分布、聚合破裂对微气泡大小、体积分数、以及减阻率的影响等。结果显示,微气泡自通气口进入后沿平板壁面存在过渡段,该段上微气泡在壁面上的覆盖较差、减阻效果较差,过渡段后壁面气相体积分数提高,减阻率提高。在壁面上微气泡直径沿程逐渐增大,呈聚合状态,在距离壁面一定距离处微气泡直径沿程减小,呈破裂状态。采用多相流理论、standard k-epsilon湍流模型及luo-lehr聚合破裂模型,以一艘2200吨货船为例进行了船舶微气泡减阻的数值模拟预报方法及性能研究。数值模拟中考虑了壁面润滑力,微气泡聚合破裂等诸多因素,船体表面的气泡分布、聚合、破裂及其与减阻的关系。结果显示,船舶底部微气泡输入后与平板类似存在减阻效果较差的过渡段;沿船体侧面减阻率随着来流速度和通气量的增大而提高;船体表面上微气泡沿程迅速聚合。随着通气量的增加,在船体底部增设通气口可以提高微气泡减阻效果,但是较低通气量增设通气口会降低减阻效果。可见,对于设计水线较大的船舶,减阻效果与通气量、通气口数量、来流速度等多种因素有关。
李勇[6]2011年在《船舶微气泡减阻机理研究》文中认为船舶减阻技术可以显着降低船舶燃料消耗,降低船舶气体的排放量,提高船舶航速,提高船舶的续航力,因而具有重要的经济、军事价值,因此一直以来都是国内外船舶工程、水动力学和军事科技等领域的研究热点之一。近年来随着全球范围内对节能减排问题的关注,特别是哥本哈根会议召开之后,使得人们更加关注低碳生活。目前的船舶排放高环保指标,可能对现行的船舶设计提出严峻的挑战。微气泡减阻技术,即向船舶底部注入微气泡,利用水和气体的密度、粘度的差别,改变边界层的流动形式,从而明显地降低船舶的摩擦阻力,已有许多的模型试验和实船试验证明了这种方法的有效性,因此,这种技术被认为具有广阔的发展前景。特别是对于肥大型低速船舶而言,其船体表面的摩擦阻力大概占据了总阻力的80%,因此,降低其摩擦阻力是非常重要的。本文中使用数值模拟软件FLUENT,基于气液两相流理论,计算出平板模型在注入微气泡情况下的摩擦阻力及流动情况。在基本的假设条件下,改变微气泡入口速度、微气泡入口浓度,得出平板分段上的摩擦阻力、沿程的摩擦阻力系数,通过对比分析得出的结果,给出这两个参数对微气泡在湍流边界层内分布情况的影响,以及对微气泡减阻效率的影响关系。在分析平板模型的基础之上,讨论微气泡入口速度、微气泡直径大小对船模模型的减阻效率的影响。最后得出了如下的结论：在一定范围内,增大微气泡入口速度、微气泡入口浓度、微气泡直径大小时,都是因为增大了局部的微气泡体积分数,才导致局部的摩擦阻力的减小,减阻效率的增大。微气泡层的厚度比较薄,一般都在十几毫米的厚度范围内。通过参考和借鉴国内外大量的微气泡减阻船模试验研究,同时结合利用FLUENT软件计算得到的微气泡减阻数值模拟结果,设计及加工了一个试验船模,并且选取一种可行的微气泡生成装置和该装置与船底的连接装置,设计出了一种能够让微气泡很均匀地覆盖在船底板上的微气泡减阻船模试验方案。
王妍[7]2013年在《波浪中船舶微气泡减阻数值模拟》文中研究说明随着对节能减排问题关注的日益提高，如何有效地降低船舶阻力，减少船舶尾气排放和燃料消耗，提高船舶的快速性能和经济效益，成为船舶工程领域研究的热点之一。大量的船模试验研究表明，在船舶底部通入微气泡，利用水与空气的密度差异和粘度差异，改变船体边界层内的湍流结构，能够有效地降低船体阻力，因此微气泡减阻技术具有广阔的应用前景。目前，对船舶微气泡减阻的研究仍以试验为主，数值模拟研究还比较少，且大多基于均质平衡流模型，不考虑气泡与水之间的相互作用，数学模型与物理模型之间仍存在差距，而考虑船舶在波浪中运动时微气泡减阻的数值模拟研究就更少了。本文以平底型船模为研究对象，基于欧拉多相流模型，考虑气泡和水的相间作用力影响，选取通用阻力规律曳力模型和Realizable k湍流模型，对船模在静水中航行时的微气泡减阻问题进行了数值模拟，计算中将船体表面划分为不同分段，忽略自由液面兴波，保持船速和气泡直径不变，改变通气量、微气泡入口的通气面积和通气方式等参数，研究不同参数下，船模各分段的摩擦阻力变化规律，分析了气泡体积分数及壁面剪切应力在船体表面的分布情况，进而得到通气量、通气面积和通气方式等参数对静水中船模微气泡减阻的影响规律。通过对欧拉模型和VOF模型的数值计算对比分析，发现欧拉模型计算静水中微气泡减阻的精度更高，但两者计算结果相差不大，且变化趋势相同，为了更好地考虑波浪对微气泡减阻的影响，可以采用VOF模型对波浪中的微气泡减阻进行数值模拟。在静水中微气泡减阻研究的基础上，基于运动域方法和VOF多相流模型，探讨了船模在波浪中航行时，在船底边界层内通入微气泡对船模减阻效果的影响。建立了叁维船体模型，计算中考虑自由液面兴波的影响，保持船速、微气泡直径及波高不变，在典型的波长船长比下，研究船模在规则波中迎浪运动时，不同通气量下，船模的摩擦阻力和总阻力的变化规律，分析在波浪的作用下，气泡体积分数的变化情况，得到通气量对减阻效果的影响规律；在减阻效果较好的通气量下，分析不同波长船长比时自由面的兴波、摩擦阻力和总阻力的变化情况，得到波长船长比对微气泡减阻效果的影响；最后研究了波高对减阻效果的影响。
魏艳[8]2013年在《微气泡减阻数值模拟及其机理分析》文中研究表明众所周知，能源是整个世界发展和经济增长最基本的驱动力，是人类赖以生存的基础，但是随着社会的发展，能源短缺、资源争夺以及过度使用能源造成的环境污染等问题威胁着人类的生存与发展，因此，节能减排成为人们普遍关注的问题。减少船舶阻力能有效的降低能源的消耗，大量的试验及数值模拟结果发现，向船舶底部表面注入微气泡，改变边界层的流动，能有效的减小船舶的摩擦阻力。特别是对摩擦阻力占船舶总阻力绝大部分的低速船舶而言，因此，认为其具有广阔的发展前景。研究表明，气泡减阻在某种程度上改变了边界层内湍流动量的交换，进而使得摩擦阻力降低。影响减阻效果的主要因素有航行速度、气泡速度、距离喷气口的距离等。因此，研究气泡减阻的关键在于研究上述影响因素对船体周围边界层内流动的影响。本文基于欧拉-欧拉多相流模型，探讨了湍流模型、曳力模型的选取。研究了气体喷入速度、喷气方向、不同气体对气泡减阻的影响，探讨了气泡对平板边界层内速度分布的影响及气泡在平板边界层内的分布对减阻效果的影响。以散货船模型为研究对象，分析了气泡喷入速度、船舶吃水对船体周围叁维流场内气泡的分布及减阻效果的影响。针对船体边界层的流动特点，讨论了在船体底部沿船长方向增设通气口和沿船宽方向加挡板对气泡减阻的影响。结果表明，增加喷气速度，平板表面摩擦阻力减阻率增大；针对所比较的工况，垂直平板表面喷气，减阻效果最好；气体类型的变化对减阻几乎没有影响。对具有叁维流场特点的散货船模型而言，增加喷气速度，船舶的摩擦阻力减阻率增大；船舶吃水的变化对摩擦阻力减阻率的影响不大。在船体底部沿船体长度方向增设通气口和沿宽度方向加挡板都可提高气泡减阻效果。研究结果对改善和控制船体周围气泡的分布，进而提高船舶减阻效果具有实际意义。
方霖[9]2014年在《微气泡聚合破裂及减阻数值模拟研究》文中进行了进一步梳理追求快速性,寻求低阻力船型及减阻技术,一直是众多船舶工作者努力研究的方向。近年来,能源和环境污染问题日益突显,节能减排已成全球关注的重点课题。EEDI指数的提出,MAPOL公约附则VI修正案等有关节能减排的法规的推出,无不表明船舶节能减排的标准更加严格。在这样的形式下,研究船舶减阻技术,减少船舶对能源的消耗和污染物的排放,无疑具有极其重要的意义。微气泡减阻技术可以有效的减小船舶航行时所受的摩擦阻力,这在试验研究和数值研究中都得到了验证。目前多数研究工作限于单一直径气泡,假设微气泡不变形,不会聚合破裂,研究结果与自然现象存在不一致,深入的气泡运动及减阻机理仍未完全明了。本文基于欧拉多相流模型,考虑重力、浮力、相间阻力、虚质量力和表面张力的影响,采用亚松弛因子,探讨了湍流模型、网格划分、相间升力选取、求解精度对计算结果的影响。在此基础上,探讨了气泡直径对微气泡减阻数值模拟结果的影响,计算了多种直径的气泡同时通入时微气泡的减阻效果。引入群体平衡模型,模拟微气泡的聚合破裂作用,研究了微气泡聚合破列现象下的微气泡减阻问题。对不考虑微气泡聚合破裂时通入单一直径和多种直径气泡的数值模拟结果以及考虑微气泡聚合破裂的数值模拟结果进行比较分析。结果表明,湍流模型、网格划分、相间升力是影响计算结果的重要因素。在一定范围内,随着微气泡直径的增大,微气泡减阻效果会增加。尽管模型试验的微气泡直径是不同的,但是,理论上可以通过某一直径模拟试验工况,且计算结果会与试验结果相对接近。比较了微气泡聚合破裂对减阻的影响,分别比较了微气泡聚合破裂与不考虑聚合破裂的单一直径,不考虑聚合破裂的的多种直径气泡,研究可见,考虑微气泡聚合破裂数值预报结果与试验更为接近。本研究还给出了微气泡聚合破裂的微气泡粒径分布。研究工作对于更加深入模拟微气泡减阻多相流以及探讨微气泡聚合破裂机理具有参考价值。
李瑞, 孙玉杰, 方鸿强, 毋波[10]2014年在《船舶微气泡润滑减阻的研究进展与数值模拟》文中研究表明文中主要介绍了微气泡减阻的机理,整理了近年来在这一领域的研究进展,对有重大成果的试验作了集中介绍,并展示了在数值模拟领域的研究成果。理论分析了微气泡在改变湍流边界层结构方面的作用,并利用fluent软件作了微气泡流动的数值模拟,得出相关结论与相关试验结论基本吻合。
参考文献：
[1]. 船舶微气泡减阻数值模拟及机理研究[D]. 王炳亮. 哈尔滨工程大学. 2012
[2]. 气泡船叁维粘性绕流的数值模拟[D]. 杨鹏. 武汉理工大学. 2008
[3]. 船舶微气泡减阻数值模拟[D]. 曹春燕. 武汉理工大学. 2003
[4]. 高速船舶微气泡减阻数值模拟研究[D]. 高杰强. 哈尔滨工业大学. 2010
[5]. 多相流相互作用及船舶减阻气泡聚合破裂研究[D]. 万启睿. 哈尔滨工程大学. 2016
[6]. 船舶微气泡减阻机理研究[D]. 李勇. 哈尔滨工程大学. 2011
[7]. 波浪中船舶微气泡减阻数值模拟[D]. 王妍. 哈尔滨工程大学. 2013
[8]. 微气泡减阻数值模拟及其机理分析[D]. 魏艳. 哈尔滨工程大学. 2013
[9]. 微气泡聚合破裂及减阻数值模拟研究[D]. 方霖. 哈尔滨工程大学. 2014
[10]. 船舶微气泡润滑减阻的研究进展与数值模拟[J]. 李瑞, 孙玉杰, 方鸿强, 毋波. 中国水运(下半月). 2014