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《哈尔滨工业大学》 2017年
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基于大涡模拟的通气微气泡与湍流边界层作用机理研究

郭卫  
【摘要】:水中航行体前进过程中,受到的摩擦阻力约为总阻力的80%,严重制约了航行体速度的提升。研究表明,通过在航行体湍流边界层中注入微气泡的方式可以极大程度地降低其表面的摩擦阻力,能够节省大型航舰的能源消耗或提高水下军事武器的打击速度。因此,开展微气泡与湍流边界层之间相互作用机理的研究,对于微气泡减阻技术的进一步应用具有重要的指导价值,对于提升国家的经济实力和军事实力具有重大的意义。本文针对水-气两相流问题的数值模拟进行了深入探索,以大尺度空泡为研究对象分析了不同的湍流模型以及多相流模型在求解水-气两相流问题上的差异,确定了计算微气泡-水的两相流问题所选用的大涡模型与Mixture多相流模型的最佳求解组合形式。针对1430θRe(28)(基于湍流边界层动量厚度θ的雷诺数)的湍流边界层的数值模拟建立了三维波函数入口扰动方程,对方程参数进行优化与选择,采用大涡模拟的方法计算得到了充分发展的湍流边界层结构。在此基础上,针对微气泡与湍流边界层之间复杂的相互作用开展了一系列数值模拟工作,分别研究了三种不同的入口平均通气体积分数(Φv,in=0.1、0.2、0.3)、五种不同的入口通气厚度(h+=10、50、200、560、850)以及微气泡位于不同位置(平板上方或下方)时对湍流边界层的影响,分析了微气泡减阻效果与这些因素之间的关系。研究表明,微气泡位于平板上方时,减阻的主要机理是湍流边界层中微气泡的存在使得大尺度流向涡破碎变成小尺度流向涡,同时低速条带之间的间距变小,粘性底层厚度增加,从而达到减阻的目的。当通气厚度等于边界层厚度(h+=560)时,微气泡体积分数为0.1、0.2、0.3时的减阻率分别为14.5%、35.5%、48.6%,减阻率随入口平均通气体积分数的增加而增大。当Φv,in=0.1,微气泡的通入厚度小于边界层厚度(h+≤560)时,微气泡在边界层中分布的稳定性差,减阻率不随通气厚度的增加而成正比例增大;但微气泡等于或大于边界层厚度(h+=560、850)时,微气泡在边界层中分布稳定,减阻率分别为14.5%和19.4%,随通气厚度的增加而增大。研究同时发现,Φv,in=0.2时,气泡位于平板下方的减阻率比上方高7.3%,Φv,in=0.3时高5.0%,微气泡位于平板下方时的减阻效果优于位于平板上方的情况,但此情况下微气泡减阻的主要机理是平板近壁区高浓度微气泡的聚集所造成的流体平均动力粘度的急剧减小。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:U661.311

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