气泡船三维粘性绕流的数值模拟

发布时间：2017-05-11 05:12

  本文关键词：气泡船三维粘性绕流的数值模拟，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】： 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三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三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。 三维模型: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。
【关键词】：气泡船 气泡减阻 两相流 数值模拟
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：U661.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-23
• 1.1 立题依据及背景10-11
• 1.2 国内外微气泡减阻研究现状11-18
• 1.3 本文工作18-23
• 1.3.1 模型介绍18-19
• 1.3.2 微气泡理论分析19-20
• 1.3.3 研究思路20-21
• 1.3.4 研究方法21
• 1.3.5 本文的主要内容21-23
• 第2章 两相流粘性数值方法23-28
• 2.1 FLUENT软件中多相流数值方法23-25
• 2.1.1 欧拉—拉格朗日方法24
• 2.1.2 欧拉—欧拉方法24-25
• 2.2 混合物模型25-28
• 2.2.1 混合模型的连续方程25-26
• 2.2.2 混合模型的动量方程26
• 2.2.3 相对(滑流)速度和漂移速度26-27
• 2.2.4 第二相的体积分数方程27-28
• 第3章 无气泡二维近似船体模型粘性数值模拟28-40
• 3.1 物理模型28-30
• 3.1.1 二维近似船体模型及计算域28-29
• 3.1.2 对模型进行简化处理29
• 3.1.3 控制方程29
• 3.1.4 边界条件29-30
• 3.1.5 数值计算方法30
• 3.2 数值计算结果30-38
• 3.2.1 L=1m，H=1m改变底部边界条件得到的速度云图30-33
• 3.2.2 L=1m，改变H33-35
• 3.2.3 H=11.2m，改变L35-36
• 3.2.4 L=5.6m，H=5.6m36-37
• 3.2.5 L=5.6m，H=11.2m改变底部边界条件得到的速度云图37-38
• 3.3 小结38-40
• 第4章 气泡减阻二维近似船体数值模拟40-50
• 4.1 物理模型及计算域40
• 4.2 控制方程40-41
• 4.3 边界条件41
• 4.4 数值方法41-42
• 4.5 数值模拟结果42-49
• 4.5.1 气泡体积浓度、速度分布42-43
• 4.5.2 气泡体积分数与纵坐标的散点图43-45
• 4.5.3 减阻效果分析45-49
• 4.6 结论49-50
• 第5章 气泡减阻三维近似船体数值模拟50-69
• 5.1 物理模型及网格划分50-52
• 5.1.1 三维近似船体的模型50-51
• 5.1.2 计算域51-52
• 5.1.3 网格划分52
• 5.2 控制方程52-53
• 5.3 边界条件53
• 5.4 数值计算方法53-54
• 5.5 数值模拟计算结果54-63
• 5.5.1 气泡的逃逸情况54-59
• 5.5.2 气泡的横向速度分布情况59-61
• 5.5.3 其它的一些数值模拟结果图61-63
• 5.6 结论63-64
• 5.7 船舶横倾的数值模拟结果图(横倾角5°)64-67
• 5.8 船舶纵倾的数值模拟结果图67-69
• 第6章 结论与展望69-77
• 6.1 结论69-70
• 6.1.1 参数变化对减阻的影响69
• 6.1.2 三维模型数值模拟的结论69-70
• 6.2 展望70-77
• 致谢77-78
• 攻读学位期间发表的论文和参加科研情况78

【引证文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 邱云明;;操纵运动船艇水动力计算方法研究[J];舰船科学技术;2009年04期

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3 陈显文;孙江龙;;基于大涡模拟的槽道微气泡减阻数值模拟[J];船海工程;2011年06期

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2 潘冬华;江海直达船型优化及研究[D];武汉理工大学;2011年

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5 魏玮;船舶前缘引流减阻流场特性数值模拟[D];武汉理工大学;2010年

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8 徐琼霞;运输船舶气泡润滑减阻技术研究[D];武汉理工大学;2013年

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本文编号：356331