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船舶微气泡减阻数值模拟

曹春燕  
【摘要】: 国家自然科学基金项目“高速气泡船减阻试验及理论研究”的目的在于研究高速气泡船喷气装置的关键技术及其相关问题,并从理论上预测喷气气泡在船底边界层的扩散规律和计算船体摩擦阻力,为将这一技术应用到实船上提供基础。本文工作主要是通过计算流体力学方法对船舶微气泡减阻进行数值模拟。 在微气泡减阻基金项目理论研究方面,梁志勇采用伪谱矩阵方法对平板微气泡减阻进行了数值模拟;林黎明则主要是采用PHOENICS软件提供的IPSA模型进行平板微气泡减阻计算。本文在林黎明研究的基础上进行船舶微气泡减阻的数值计算。在船型方面,通过AutoCAD软件绘制更符合实际的船体插入到PHOENICS软件中;理论模型方面,为研究边界层中的速度分布而增加对壁面条件的处理;最后,对林黎明在平板微气泡减阻研究中未能解释的一些现象,做出了作者自己的解释。 本文计算中采用由PHOENICS提供的IPSA相间滑移算法模型,应用有限体积法对方程进行离散,并应用迎风格式计算。IPSA模型对每一相求解N-S方程,并考虑水-气体两相间的相间相互作用,包括相间阻力、相间升力、相间压力和虚质量力。考虑到气泡对湍流的作用,文中对湍流模型进行了微气泡修正。对壁面条件的处理,本文采用Patel等人(1984)提出的K-ε模型的Lam-Bremhorst低雷诺拓展(LB模型);而将自由面处理为刚盖自由面条件,进行船舶微气泡减阻数值计算。 在以上计算中分析了不同来流速度和气泡体积浓度下近壁面处速度分布和减阻率的变化。计算结果表明,直径为100μm的微气泡能减小近壁面连续相的速度梯度;微气泡在边界层中的浓度分布近似为三角形或梯形分布;受粒子间相互作用的影响,存在一饱和浓度;减阻率随喷气量的增大而增大,直至饱和喷气量,此后,增大喷气量,壁面摩擦阻力变化不大;相同喷气量下,来流速度越大,减阻率越低。减阻率变化计算结果基本和文献的实验结果相吻合。


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