船舶仿生防污沟槽表面减阻性能数值模拟分析

发布时间：2017-07-13 12:13

  本文关键词：船舶仿生防污沟槽表面减阻性能数值模拟分析

  更多相关文章： 仿生 防污贝壳 微沟槽表面形貌 减阻机理

【摘要】：船舶在航行过程中会由于污损而加大船舶的阻力。因此采取防污措施，降低船舶的“负载”，对于降低船舶在航行中受到的摩擦阻力，实施航运业的节能减排有重要的意义。因此，一直以来人们就船舶的防污减阻表面进行了大量的理论和试验探究，并形成了防污减阻涂料、减阻剂、低表面能减阻等多种防污减阻技术。但表面涂料一般都对海洋环境存有负面影响，有效工作的寿命短，工程应用时的实效很有限。 自然界中包含很多具有减阻、防污、自清洁等特性的生物结构和各种功能型表面。论文基于仿生学原理，以自然界中生物（贝壳）的非光滑形态表面为原型，，在其具备防污功能的基础上，探讨其阻力性能，选择设计出具有防污减阻协同效应的表面，将其应用于船舶仿生防污减阻表面上。论文首先确定仿生微结构表面的简化形态、尺寸，构建物理模型和几何模型，然后选定数值模拟方法计算光滑平板的摩擦阻力系数，将光滑平板模型的计算结果和经验公式的计算结果进行对比，计算误差均在工程计算的范围之内，确保了论文所选用数值模拟方法的合理性与准确性。 论文研究了仿生非光滑表面的壁面剪切应力、近壁面区域的速度分布、湍动能和湍流强度分布、流场速度矢量等。计算结果表明沟槽顶部是高剪切应力区域，但其面积小，沟槽谷内区域的剪切应力低，所占面积大，进行积分后，沟槽表面具有减阻效果；沟槽表面能够影响近壁区的速度分布，通过降低近壁区的速度梯度，减小了沟槽表面的壁面剪切应力，进而降低了沟槽面的摩擦阻力。而通过对沟槽表面谷内的速度矢量图进行分析发现，沟槽谷内存在低速的二次涡对，这些涡对能够将高剪切应力区域推离壁面，犹如起到了滚动轴承的作用，将固-液接触的滑动摩擦转变为液-液接触的滚动摩擦降低摩擦阻力。 对不同雷诺数下的沟槽表面进行了阻力性能对比计算，发现对于同一种沟槽（V形沟槽），当由雷诺数计算出的无量纲尺寸s+和h+都等于16.49时，减阻效果最佳。比较了五种不同简化形态的沟槽表面的阻力性能，研究表明由于L形沟槽表面在约束展向流动和稳定流场方面表现最突出，其减阻效果最佳（减阻率为5.636%），U形、V形、间距V形沟槽表面的减阻效果分别为3.122%、5.135%和1.926%。但L形沟槽表面相比其他表面耐用性较差（易折损），因此U形、V形、间距V形更容易应用于实际情况。 对于顶角为60°、90°和顶角有倒角的V形沟槽表面的阻力性能进行了计算，结果表明60°顶角的沟槽表面顶角附近的湍动能和涡量值最低，即流体动能耗散量最低，其减阻效果最佳，减阻率为3.405%，顶角有倒角的沟槽表面在阻碍展向流动方面的作用比较弱，阻力性能较差；对于不同沟槽间距的沟槽表面，计算结果表明沟槽间距既不能太大以至旋涡落入沟槽，也不能太小以至表面积增加超过了沟槽效应而增阻。对于横向沟槽的间距，计算结果表明，当间隔d等于s时，取得的减阻效果最好。
【关键词】：仿生 防污贝壳 微沟槽表面形貌 减阻机理
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U661.311;U664.9
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-22
• 1.1 船舶仿生防污减阻的研究背景及意义10
• 1.2 船舶阻力的组成及影响因素10-12
• 1.3 国内外减阻的方法12-21
• 1.3.1 层流减阻技术12-13
• 1.3.2 湍流减阻技术13-15
• 1.3.3 仿生表面的防污减阻研究进展15-21
• 1.4 论文的主要工作21-22
• 第2章 减阻的相关理论和研究方法22-29
• 2.1 边界层的组成22-26
• 2.1.1 边界层概述22-23
• 2.1.2 湍流边界层23-25
• 2.1.3 边界层的比较分析25-26
• 2.2 研究方法的分类26-27
• 2.2.1 理论研究和实验研究方法26-27
• 2.2.2 数值模拟方法27
• 2.3 数值模拟方法的求解过程27-28
• 2.4 本章小结28-29
• 第3章 仿生防污表面的数值模拟29-40
• 3.1 仿生对象的选取和物理问题的描述29-31
• 3.2 物理模型和计算域的设计31-33
• 3.3 网格的划分33-34
• 3.4 湍流模拟的相关选定34-37
• 3.4.1 控制方程34-35
• 3.4.2 湍流数值模拟方法的选取35
• 3.4.3 湍流模型的选择35-36
• 3.4.4 仿生防污表面数值模拟方法的设定36-37
• 3.5 算例验证37-38
• 3.6 本章小结38-40
• 第4章 仿生防污表面的阻力性能计算和减阻机理分析40-49
• 4.1 剪应力分析40-41
• 4.2 速度场分析41-43
• 4.2.1 速度矢量图分析41-42
• 4.2.2 速度云图和曲线图分析42-43
• 4.3 湍动能和湍流强度分析43-46
• 4.3.1 湍动能分析43-44
• 4.3.2 湍流强度分析44-45
• 4.3.3 涡量分析45-46
• 4.4 减阻机理分析46-48
• 4.4.1 沟槽对旋涡的阻隔作用46-47
• 4.4.2 沟槽的推离作用47-48
• 4.4.3 沟槽对流体展向流动的阻隔作用48
• 4.4.4 粘性亚层厚度增加48
• 4.5 本章小结48-49
• 第5章 影响仿生防污沟槽表面减阻因素的探讨49-66
• 5.1 不同雷诺数对减阻效果的影响49-51
• 5.2 形状和结构尺寸对减阻性能的影响分析51-64
• 5.2.1 沟槽形状对减阻性能的影响51-55
• 5.2.2 沟槽顶角的形状对减阻性能的影响55-60
• 5.2.3 相邻沟槽间距对减阻性能的影响60-64
• 5.3 本章小结64-66
• 第6章 结论与展望66-68
• 6.1 主要结论66-67
• 6.2 后续工作展望67-68
• 致谢68-69
• 参考文献69-73
• 攻读硕士期间发表的论文73

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 陈强,唐登斌,曹起鹏;湍流大涡破碎装置的减阻研究[J];弹道学报;2001年04期

2 陈瑞芳,江志东,吴嘉;高分子减阻流场湍流结构实验研究[J];大连理工大学学报;1998年05期

3 逯艳英,吴建华,孙明先,崔严,陈光章;海洋生物污损的防治——电解防污技术的新进展[J];腐蚀与防护;2001年12期

4 吴嘉,陈瑞芳;高分子减阻剂对水在管心区湍流时间相关结构的影响[J];化工学报;1998年06期

5 刘志华;董文才;熊鹰;;雷诺数对沟槽减阻特性影响的数值分析[J];海军工程大学学报;2007年02期

6 安卫;使用微细孔进行层流控制[J];航空精密制造技术;1996年06期

7 杨弘炜,高歌;一种新型边界层控制技术应用于湍流减阻的实验研究[J];航空学报;1997年04期

8 刘占一;宋保维;黄桥高;胡海豹;;基于CFD技术的脊状表面湍流流场特性研究[J];空气动力学学报;2011年05期

9 田军,薛群基;平板上低表面能涂层的水筒减阻研究[J];科学通报;1996年18期

10 张召明，章子林，熊筱珍;NLF－1自然层流机翼低速转捩位置测定[J];气动实验与测量控制;1994年01期

本文编号：536874