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利用流体边界层微气泡降低轴对称体壁面摩擦阻力的基础研究

王吉强  
【摘要】:所有的运输工具中船舶是最节约能源的,但由于水上运输在世界贸易中占有相当大的比重,减小船舶的能源消耗也是非常重要的。减小船舶阻力,提高航行速度已势在必行。 而且当飞机、舰船等大尺度物体以较高速度在粘性小的流体如空气、水等中运动时,在固体壁面上将形成一层极薄的流体层即边界层,并将产生很大的摩擦阻力。这势必引起能源的大量消耗并引起大气污染、地球变暖等环境问题。 流体中运动物体受到的基本阻力由摩擦阻力、粘压阻力和兴波阻力组成,不同类型的阻力有不同的减阻方法。载重量很大的船舶,比如说载油、载矿物、载谷物的船舶,在世界航运中占有很重要的地位。它们的特点就是船体非常大,速度非常慢。在这种船的主要阻力成分中,与速度平方成正比关系的自由表面波阻成分比较小,因为船的速度非常小,因此,表面摩擦阻力在总体阻力中占了大约80%,因此对于它的减少是非常重要的。 本文研究的主要目的在于从理论上探讨利用微气泡降低轴对称体壁面摩擦阻力的机理,建立一个完整的、适合于实际应用的微气泡减阻数学模型。 本文首先介绍了在利用微气泡减阻方面国内外理论和实验研究现状,并阐明了流体边界层的概念、边界层内部的分层结构以及各层结构对减阻性能的影响;然后以气液二相流理论为依据,分别对两相控制方程及方程中的各项进行了讨论,并给出了适当的补充方程,在二相湍流范畴内提出了新的考虑气泡影响的数学模型和相关理论,同时对气液两相控制方程采用差分网格方法进行了求解,并对计算结果进行了分析;最后对本文的整个研究进行了总结,同时给出了研究结论。


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