蔡成法[1]2003年在《船舶微气泡减阻理论分析及试验研究》文中指出由于微气泡能够有效减小固体壁面与其它介质之间的摩擦阻力，越来越多的学者开始投入到这项研究之中。如果把微气泡减阻技术应用到船舶上，在船舶底部喷射微气泡，使与船舶底部接触的水变成水与微气泡的混合液，形成一薄层气膜紧贴在船底表面，就可以达到提高航速或航速不变减小主机功率的节能目的。 本文首先对微气泡减阻机理进行了理论分析。对单个微气泡的受力情况进行了剖析，从而得出影响微气泡减阻的主要因素；由于微气泡的运动总是以成群的状态出现，这种运动与单个微气泡的运动又有所不同，因此，本文对这方面的内容也做了初步的研究，以更多的了解减阻过程中的主导因素。 在试验研究部分中，根据试验水池的不同，设计了两种模型——小比尺模型和大比尺模型，并分别对其可行性进行了分析。对于微气泡产生装置，考虑到实用及创新等因素，采用了多孔硅材料板。此外，在小比尺模型试验中，还提供了一种断阶喷气试验设计方案，在大比尺模型试验中，采用了首中部同时喷气的方法，这些都是本文试验的创新之处。 针对以上所设计的试验方案进行了不同速度、不同喷气量及不同吃水等情况下的微气泡减阻试验。结果表明：减阻率的变化与水流速度、喷气量、船模的吃水，以及有无压浪板有关。当喷气量一定时，水流速度增大，减阻率提高；喷气量与减阻率之间的关系比较复杂，速度一定时，如果喷气量较小，减阻效果就比较差，但当喷气量增大的话，喷射出的气体就会形成一个“拱度”，增加了船模的形状阻力，在这种情况下最好采取断阶喷气，把气体引入到湍流边界层中，在这种情况下，船模的形状阻力比较大；船模的吃水对减阻率也有一定的影响，主要表现在波浪大小上，如果吃水较深，波浪影响不到微气泡层的分布，对减阻率不会造成太大影响，如果吃水较浅，波浪就会影响到微气泡层在船模底部的覆盖情况，可能会有部分微气泡从船模两侧泄漏，这样就直接影响到了减阻效果；是否安装压浪板，对减阻率也有较大的影响，从试验结果可以看出，在船模尾部加设了压浪板时，减阻效果明显得到改善。 本文没有太多考虑多孔材料板孔径大小对减阻效果的影响，这方面的内容还有待进一步研究。
胡以怀, 李慧晶, 何浩[2]2017年在《国内外船舶气泡减阻技术的研究与应用》文中指出介绍国内外船舶气泡减阻技术的研究情况,包括微气泡减阻技术、气幕减阻技术及气膜减阻技术的试验研究和理论计算结果,特别是俄罗斯倾斜板气泡减阻技术、日本微气泡减阻技术和我国薄层气膜减阻技术的特点。同时,介绍国内外微气泡减阻理论方面的力学模型、数值计算方法和重要结论。回顾20世纪60年代以来气泡减阻技术在船舶上的应用情况,特别是俄罗斯、日本及丹麦等国设计的气泡减阻船舶的性能和节能效果。针对我国目前气泡减阻节能技术在实船上的应用现状,分析存在的问题和不足,探讨我国船舶气泡减阻技术的应用前景。
高杰强[3]2010年在《高速船舶微气泡减阻数值模拟研究》文中研究表明在船舶节能方式中,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。
王炳亮[4]2012年在《船舶微气泡减阻数值模拟及机理研究》文中研究表明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。
蔡红玲[5]2008年在《高速气泡船流场数值模拟》文中进行了进一步梳理本课题来源于国家863攻关项目‘高速气泡船船型研究',主要工作是在项目前期工作基础上,使用Fluent软件对气泡船黏性流场进行数值模拟,并得到船体摩擦阻力、船底气泡浓度分布、气泡速度矢量分布等流场信息。由于能源日趋紧张,开发节能船型成为必然课题。减阻及有效提高航速是船舶优化研究的主攻方向。气泡船是阻力性能优良船型之一,是指采用微气泡减阻技术的一类船舶,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。自上世纪60年代以来,国内外许多学者对气泡减阻进行了大量理论和实验研究,实验结果表明微气泡的注入对船舶减阻的效果非常明显。本文模拟对象为一艘高速快艇,针对喷气与不喷气两种情况下船体粘性流场的数值模拟,并对其结果进行了对比性分析,探讨了微气泡对船舶摩擦阻力的减阻效果。本文采用欧拉方法的混合两相流模型及标准k-ε湍流模型对气泡船进行数值模拟,并进行相关设置,具体见第四章第3节。在计算中为简化模型,对气泡—水两相流做了相关假设,具体见第四章第1节。本文在网格方面,采用分块网格。为便于数值的传递,提高计算精度,块与块之间使用正则网格过渡。因为船体表面形状的复杂,不能很好生成边界层网格,为了更好的反映边界层内的流动,本文在包含船体的块内采用非结构网格,并使用梯度网格节点布置,通过对网格节点的不断调节,达到边界层网格的效果。为了节省计算空间,提高计算速度,在其它块均采用结构化网格。本文通过数值模拟,得到了不同速度、不同喷气量下,船底气泡浓度分布、船底气泡速度矢量分布等流场信息。通过对船模速度V=2.281、2.566、2.851、3.136m/s与喷气量Q=15、18、21、24 m3/h不同组合的16组状态计算结果进行对比,分析了速度和喷气量对微气泡减阻效果的影响,具体见第四章第4节,并将计算得到喷气状态下的船体摩擦阻力系数与没喷气状态下的结果进行比较,得到了微气泡对船舶摩擦阻力的减阻率,分析结果与美国学者Madavan等人的平板试验结果吻合较好。
杨鹏[6]2008年在《气泡船叁维粘性绕流的数值模拟》文中提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。
黄丽[7]2009年在《尾部横剖面面积曲线变化对气泡减阻效果影响的数值模拟》文中研究说明本课题来源于国家科技攻关863项目‘高速气泡船船型研究',主要工作是在项目组人员前期的数值模拟工作基础上,结合船模试验,对一内河高速艇(过渡级艇),在保证排水量D及船长L不变的条件下,改变其尾部横剖面面积曲线,利用Fluent软件对不同尾部形状的气泡船黏性流场进行数值模拟,得到船体粘压阻力、摩擦阻力、船底气泡浓度分布等流场信息。减阻提速、降低耗能是船舶设计研究人员的主要目标之一,通过线型优化减少剩余阻力是目前的主要手段。而对多数水面和水下航行物而言,摩擦阻力所占的比例较大,所以减小摩擦阻力有望成为更有效的手段。摩擦阻力是由船舶湿面积、周围流体以及流体的流动决定,而湿面积一般难以改变,因此减小摩擦阻力不外乎两条途径:一是减小船体附近介质的粘性系数,二是改变船体附近流动即边界层的湍流结构。而微气泡恰好可能会从这两条途径达到减阻的目的。横剖面面积曲线的形状,特别是尾部形状对高速艇快速性能有着重要影响,一般来说,速度越高,尾部越丰满,阻力性能越好。但是,丰满的尾部会导致螺旋桨直径受限或存在较大的轴线纵倾角,为了增大桨的直径或减小轴线角度,可以采取船体尾部上抬,以压浪板控制航态的办法获得较好的快速性能。对高速气泡船,由于尾部横剖面面积曲线的变化,导致气泡在船底尾部的分布也不同,从而影响减阻效果。本文采用欧拉方法的混合两相流模型及标准k-ε湍流模型对三种气泡船船型在喷气与不喷气两种情况下进行数值模拟,探讨不同的尾部横剖面面积曲线对气泡减阻的影响规律以及尾部横剖面面积曲线的变化对气泡减阻的有利影响是否与无气泡时对快速性影响规律相同。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,考虑重力作用。喷气状态下,采用mixture混合相模型,其中水为基本相,微气泡为第二相。通过数值模拟,得到了无气泡时,尾部形状变化对阻力性能的影响;喷气状态下,对不同来流速度及气流量组合的计算,分析了速度和喷气量对减阻效果的影响,其中原型的计算结果与试验比较吻合;在同航速及气流量下,对不同船型的减阻效果进行比较,结果表明:在保证排水量及船长不变的条件下,将船体尾部上抬,气泡在船底分布较好,有利于微气泡减阻。
李瑞, 孙玉杰, 方鸿强, 毋波[8]2014年在《船舶微气泡润滑减阻的研究进展与数值模拟》文中进行了进一步梳理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。
林黎明[9]2002年在《PHOENICS计算软件及微气泡减阻的数值模拟》文中研究表明本文对微气泡减小表面摩擦阻力的现象进行了数值计算。数值模拟分成两个部分：第一部分是平板微气泡减阻的数值模拟；第二部分是平底近似船模数值模拟的初探。计算采用由PHOENICS(计算流体力学软件)的IPSA(相间滑移算法)模型，应用UPWIND(迎风)格式和直角坐标网格。IPSA模型对每一相求解N-S方程，并考虑水-气体两相间的相间互互作用，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，本文采用了经过气泡修正的K-ε湍流模型，并假定湍动能K及其耗散率ε是连续相的属性。 在平板微气泡减阻中，由于水-微气泡之间的各种相互作用力的量级，以及这些作用力的系数模型对计算结果的影响是未知的，而这一点在建立简化模型开将期应用于理论和工程实践中是相当重要的，因此本文对此进行了计算，以为深入研究作准备。并对两种不同喷气方式的物理环境进行了模拟计算。结果表明，相间压力可以忽略掉，相间升力起的作用比较小，而重力-浮力、相间阻力和虚质量力的影响比较大，特别是在大气泡中。作为湍流边界层中运动的粒子，微气泡受到水的阻力可能会在Stokes阻力范围内。然而通过计算表明，另一种阻力关系——球形气泡阻力要比Stokes阻力更合适。 此外，对影响减阻的因素计算结果表明，随着气泡直径(100μm以内)和入口处气泡体积浓度的垂向梯度增大，减阻量增加。喷气率是一个重要的参数，它是喷射气体体积与喷射面积和自由来流速度乘积的比率。结果预示，随着喷气率增大，局部减阻率增加，但离喷气口的距离越远，局部减阻率减小。这和实验结果是一致的。 作为深入研究近似船体微气泡减阻机理的初步工作，计算中为了了解喷气率与减阻率之间定性上的关系，在一定的喷气率范围内，模拟结果同10m长的平底船实验结果在自由来流速度为5m／s和7m／s的情况下进行了比较。计算结果表明，平底船的减阻率与喷气率成正比，而与离喷气口距离成反比。此外，对自由面与船首附近的速度场，考察了采用零通量近似的自由面边界条件，算结果是可靠的。
张艳[10]2007年在《高速双体船船型微气泡减阻试验研究》文中提出本文针对船舶行业前沿课题之一“高速气泡船气膜减阻”进行试验研究。由于微气泡能够有效地减少固体壁面与其它介质之间的摩擦阻力，如果在船舶的底部形成微气泡，使与船舶底部接触的水变成水与微气泡的混合液，形成一薄层气膜紧贴在船底表面，就可以减少船舶航行阻力，达到提高航速或航速不变减少主机功率的节能目的。本文对微气泡减阻机理进行了初步探讨。分析了单个微气泡从壁面产生的过程及其影响因素；由于微气泡的运动总是以成群的状态出现，因此对微气泡群的运动分析也作了初步的研究，以更多的了解减阻过程中的主导因素。在试验研究部分中，依照国内某船舶研究所设计的叁艘具有良好性能的高速双体船的主尺度及船型参数，设计出一艘具有对称片体、圆舭、方尾的高速双体船船型，并进行模型试验。试验研究了减阻效果与航行速度、喷气压力和喷气面积等因素的关系。试验结果表明：当喷气压力一定时，减阻率随速度的增大而增大，但超过一定的速度后，减阻率则出现下降，这主要是由于速度太大不利于微气泡在船底附着保持稳定的气膜；在同一速度下，减阻率基本上是随着喷气压力的增大而增大的，但当压力增大至一定值后再继续增大，则对减阻率的影响不大；模型改变喷气面积的比较试验结果显示阻力相差不大，说明喷气面积不是微气泡减阻的主要影响因素，这一点与国内外试验所得到的结论一致。当喷气面积为530mm×85mm、喷气压力为0.12Mpa时，船模在速度为4.160m／s(即船长傅氏数Fr=0.939)时的减阻率达到最大值23.85％，这个结果与俄罗斯进行的高速双体船试验结果相符。安装尾压浪板对减阻率也有较大的影响，船模加装10°尾压浪板后的减阻效果得到了提高。当Fr=0.959(相当于实船的设计航速32kn)时，本气泡船与国内两艘同类型优良船型相比，单位排水量阻力要分别低10.89％和15.03％。本文没有考虑微气泡直径的大小对减阻效果的影响，这方面的内容还有待进一步研究。
参考文献：
[1]. 船舶微气泡减阻理论分析及试验研究[D]. 蔡成法. 武汉理工大学. 2003
[2]. 国内外船舶气泡减阻技术的研究与应用[J]. 胡以怀, 李慧晶, 何浩. 船舶与海洋工程. 2017
[3]. 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
[4]. 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
[5]. 高速气泡船流场数值模拟[D]. 蔡红玲. 武汉理工大学. 2008
[6]. 气泡船叁维粘性绕流的数值模拟[D]. 杨鹏. 武汉理工大学. 2008
[7]. 尾部横剖面面积曲线变化对气泡减阻效果影响的数值模拟[D]. 黄丽. 武汉理工大学. 2009
[8]. 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
[9]. PHOENICS计算软件及微气泡减阻的数值模拟[D]. 林黎明. 武汉理工大学. 2002
[10]. 高速双体船船型微气泡减阻试验研究[D]. 张艳. 武汉理工大学. 2007