基于壳体加热的船舶减阻基础研究

发布时间：2020-04-07 02:55

【摘要】：船舶运输是物资运输中最主要的、最经济的运输方式。在船舶航行中,船用柴油机主动力推进装置的有效热效率为百分之五十左右,这部分有用功主要用于克服船舶阻力,推动船舶行进。其余部分主要以各种废热的形式散失到外界环境中。如何进一步提高船舶能效是本领域的重要研究工作。本文提出了基于壳体加热的船舶减阻新思路,利用船舶废热减小船舶摩擦阻力,并开展了相关基础研究,主要完成以下工作:(1)选择某型号散货船作为母型船设计加工船模,设计简便、可有效调节的加热方式以及合适的加热功率。(2)在船模壳体外壁流体处于混合状态时,通过理论计算模型计算加热功率以及航速对船模层流减阻效果的影响,并进行实船减阻的理论计算。(3)试验探究加热功率以及船模航速对船模层流减阻的影响并与理论计算对比,并通过试验探究当船模壳体外壁流体处于紊流状态时,加热功率以及航速对船模减阻效果的影响。通过上述工作主要得出以下几点结论:(1)建立壳体加热条件下的船模阻力计算模型,通过该模型可以分析加热功率、航速等因素对层流加热减阻的影响。通过理论分析发现,在同一航速下,减阻率随着加热功率的提高而增大;在同一加热功率下,减阻率随着航速的提高呈现出先增加后减小的趋势,这主要与转捩点推移距离有关,在航速为0.71m/s,加热功率为0.7W/cm2时可以实现最大的减阻效果8.1%。(2)通过该模型对实船进行理论分析时发现,在设计航速14.5kn航行时,减阻率随着加热面积的增加呈现先增大后减小的趋势,当加热面积为90.7m2时,实船减阻效果可以达到最大值1.8%～2.025%。(3)在层流加热减阻试验中,在同一航速下,船模减阻率随着加热功率的增加而增加;同一加热功率下,船模减阻率随着航速的增加而降低。在航速为0.5m/s,加热功率为0.7W/cm2时,减阻效果达到最佳5.21%。理论与试验的差距可能是由船模表面的不平整度、粗糙度和漏热问题导致的。(4)紊流加热减阻在试验中,同一航速下,船模减阻率随着加热功率的增加而稳步提高;同一加热功率下,船模减阻率随着航速的增加而降低。在加热功率为0.7W/cm2,航速为0.5m/s时,同时减阻率也达到最大值9.88%。
【图文】：

紊流边界层

的流动状态包括层流和紊流两种形式。流体在层流运动时会层结构的影响，在满足一定的条件下产生扰动波，在小雷诺抗拒这种扰动或者说是有免疫能力，因此流体处于层流稳定后，微弱的扰动可以在流体中增长，此时流体会失去对扰动流场中出现各种形式的旋涡，使得流体层与层之间的质量、程度的传输和混合，流动逐渐由层流状态转捩为紊流状态。自名的圆管流动试验发现流体在流动过程中存在紊流状态后，流体雷诺数的增加，，处于层流状态的流体会出现起伏，而起流体雷诺数的增加而逐渐加强，直至由层流状态转捩为紊流状最后阶段是湍斑｜７］的出现、发展与合并，并最终使整个流场完一过程中还伴随着紊流的间歇特性。上世纪９０年代以来的研熟的湍斑内部己经具有了与壁紊流相似的结构｜８“１］。此时，近流摩擦阻力转变为紊流摩擦阻力，摩擦阻力大大提高。逡逑＾邋Ａ逡逑＿＿

紊流边界层,条带结构

逡逑紊流边界层结构较为复杂，如图１．１所示，根据无量纲的壁面距离可以将紊流逡逑边界层分为内层结构和外层结构，而内层结构又包括黏性子层，对数律层和两者逡逑之间的过渡层。内层结构中流体的流动状态对于摩擦阻力有着重大影响。逡逑Ｋｌｉｎｅ等〖１２］人首先用氢气泡显示技术发现了紊流边界层内层用于描述流体流动逡逑运动轨迹的氢气泡并不是按照直线沿流体流动的方向移动，而是沿展向汇聚并积逡逑累成一系列的沿流向发展的拉伸区，他们将这些拉伸区命名为“条带结构”，简逡逑称“条带”。随后的一些试验进一步表明，流体沿展向方向可以交替出现流动速逡逑度较高和较低的区域，前者又称为“高速条带”，后者称为“低速条带”。通过逡逑试验观察发现，在内层结构的对数律层附近，条带会出现变短和弯曲的现象；随逡逑着远离壁面，在边界层的外层结构中，条带会出现逐渐模糊并消失的现象，如图逡逑１．２所示
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U661.311

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