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波浪中船舶微气泡减阻数值模拟

作　者: 王妍
导　师: 李云波
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 船舶与海洋结构物设计制造
关键词: 多相流微气泡减阻数值模拟波浪作用
分类号: U661.311
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 23次
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内容摘要

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。建立了三维船体模型，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。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-20
  1.1 立题背景及研究意义  10-11
  1.2 微气泡减阻的国内外研究现状  11-18
    1.2.1 试验研究现状  11-16
    1.2.2 数值模拟研究现状  16-18
  1.3 本文的主要工作  18-20
第2章数值模拟理论基础  20-34
  2.1 欧拉模型的控制方程  20-22
    2.1.1 体积分数  20-21
    2.1.2 质量守恒方程  21
    2.1.3 动量守恒方程  21-22
  2.2 VOF 模型的控制方程  22-23
  2.3 船舶自由运动  23-26
    2.3.1 自由运动坐标系  23
    2.3.2 船舶运动方程  23-24
    2.3.3 船舶运动的定义  24-25
    2.3.4 船舶运动的数值模拟方法  25-26
  2.4 控制方程的离散  26-27
  2.5 湍流模型  27-29
  2.6 壁面函数法  29-30
  2.7 边界条件  30-31
  2.8 本章小结  31-34
第3章静水中船模微气泡减阻数值模拟  34-56
  3.1 引言  34
  3.2 计算模型及计算方法  34-38
    3.2.1 计算模型及网格划分  34-36
    3.2.2 边界条件  36-37
    3.2.3 计算方法验证  37-38
  3.3 通气量对静水中船模微气泡减阻的影响  38-41
  3.4 通气面积对静水中船模微气泡减阻的影响  41-47
  3.5 通气方式对静水中船模微气泡减阻的影响  47-53
  3.6 欧拉模型与 VOF 模型计算结果对比  53-55
  3.7 本章小结  55-56
第4章波浪中船模的微气泡减阻数值模拟  56-78
  4.1 引言  56
  4.2 计算模型及网格划分  56-58
  4.3 波浪中通气量对船模微气泡减阻的影响  58-68
    4.3.1 波长船长比 0.5 的波浪中通气量对微气泡减阻影响的研究  58-62
    4.3.2 波长船长比 1 的波浪中通气量对微气泡减阻影响的研究  62-66
    4.3.3 波长船长比 1.5 的波浪中通气量对微气泡减阻影响的研究  66-68
  4.4 波长船长比对波浪中船模微气泡减阻效果的影响  68-71
  4.5 波高对波浪中船模微气泡减阻效果的影响  71-76
  4.6 本章小结  76-78
结论  78-80
参考文献  80-84
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  84-85
致谢  85

波浪中船舶微气泡减阻数值模拟

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