纳米限域Couette流边界气泡减阻机理

气泡减阻技术对于提高水下航行器推进效率,降低航行过程中的综合能耗具有重要意义.本文采用分子动力学方法研究了气-液两相Couette流在平行壁板纳米通道内的流动特性和气泡边界减阻特性,分析了表面润湿性、壁面粗糙度和气体浓度对边界滑移速度和减阻效果的影响规律.研究结果表明:气泡减阻效果随边界滑移速度的增大而增强;在气-液两相流动区域,随着剪切速度的增大,边界吸附气泡的横向变形和边界滑移速度增大,边界气泡减阻效果增强.固-气相互作用强度和气体浓度增大均导致气体原子在近壁面的富集现象增强,提高了壁面上气泡的铺展特性,从而增大了固-液界面滑移速度.壁面粗糙度会改变气泡的铺展特性,影响边界滑移速度,进而改变流固界面减阻效果;随着肋高的增大,气体原子在肋条间凹槽中聚集,肋条上表面气体原子吸附量减少,导致固-液界面边界滑移速度减小,并最终降低了减阻效果.研究结果将对大型舰船和水下航行器边界减阻技术提供重要理论指导.

低速船舶微气泡减阻数值研究

为了研究船舶微气泡减阻规律,本文基于OpenFOAM中两相欧拉数值模型,对低速散货船进行微气泡减阻数值研究。对气液两相分别建立控制方程,考虑五种相间作用力及气泡聚合和破碎,采用考虑气泡影响的改进k-ε湍流模型,忽略自由面影响,采用叠模模型研究喷气量、气泡直径、航速及吃水等因素对船舶微气泡减阻的影响,分析气体体积分数、湍流粘度和气泡直径分布等。结果表明:微气泡可以同时减少船舶摩擦阻力、粘压阻力和总阻力;喷气量直接影响减阻率,喷气量越大,减阻率越高;较小气泡的平均气体体积分数较大且气体分布更均匀,同时湍流运动粘度较小,可以更有效减阻;气泡沿着流向会聚并,气泡越小聚并越剧烈;较高航速和小吃水更有利于减阻。

驻留式微气泡阵列流动减阻机理数值研究

为了完善驻留式微气泡阵列减阻的机理理论,基于有限体积方法,采用大涡模拟(LES)方法对平板及驻留微气泡阵列近壁面复杂湍流流动开展数值模拟研究,采用本征正交分解法(POD)提取2种模型近壁区湍流拟序结构进行对比分析.结果表明:相较于平板,驻留微气泡阵列近壁面切应力变化更加平稳,减小了约13.7%;微气泡气/水界面的动态形变使边界层间歇性流动分离再附着,抑制低速流体上抛、高速流体下扫形成的“猝发”现象,湍流相干结构“猝发”频率减小5.6 Hz.利用POD方法,能够有效地提取近壁面复杂湍流拟序结构的主要分布特征,微气泡的存在加强了湍流近壁区内的小尺度结构,促进流场内湍流动能的均匀分布,抑制了拟序结构的发展,体现了驻留微气泡良好的减阻特性.

波浪中KCS船气泡减阻效能计算分析

随着世界范围内对节能减排问题越来越重视,如何高效减少船舶阻力成为我国航运业重点关注的问题之一,为解决船舶在波浪中航行时能耗大,摩擦阻力大的问题,针对波浪中的船舶气泡减阻效能进行分析。以韩国船舶与海洋工程研究所研制的KCS集装箱船船模为研究对象,基于欧拉多相流,对船底通入微气泡,考虑气体和液体之间的相互作用力,保持船舶航速和通气孔的直径不变的情况下,通过研究不同通气量下波高波长变化对气体体积分数和船舶总阻力变化影响。结果表明,浪高越高,船舶运动越剧烈,阻力越大;在一定通气量下,波长船长比变化亦会对船舶阻力产生影响。根据实验结果用曲线和云图的形式,论述了波浪增阻与气泡润滑减阻相互耦合作用的机理并且从能量守恒的角度分析了通气量的变化对减阻效果的影响。

潜航器微气泡减阻数值模拟方法研究

近年来微气泡减阻技术应用于水面舰船的相关研究取得重要进展,许多舰船已经采用了此类技术。然而该技术在潜航器上的应用整体上仍处于理论分析和试验测试阶段。以回转体潜航器简化模型为研究对象,利用多孔介质来简化喷气小孔,并结合不可压缩水体和可压缩理想气体的流体体积(VOF)方法,建立了Realizableε-k湍流计算模式。通过拖曳试验验证了多孔介质等效喷气小孔的合理性和数值模式的准确性,结合试验和数值结果探究了微气泡减阻技术对潜航器航行阻力的影响。数值结果显示,气泡对潜航器尾流低速区的改变使尾部压力分布产生变化从而导致压差阻力增高。同时气泡可以显著降低其覆盖区域的黏性阻力。并且随着来流速度的提高,气泡覆盖范围扩大,黏性减阻率持续增加。进一步地,建立了加长改进模型,数值模拟结果表明,微气泡减阻技术不仅能大幅减小黏性阻力,还能有效减小模型总阻力。

气体润滑减阻研究综述

在我国“碳达峰、碳中和”战略背景下,气体润滑减阻作为一种流动控制节能与降碳方法,可有效降低船舶航行阻力,对我国船舶及航运业的低碳发展意义重大。本文介绍了气体润滑减阻研究的国内外背景及意义,阐述了气体润滑减阻的定义及分类方式,特别是提出了基于气液两相界面形态与减阻机理的离散气泡减阻和连续气层减阻分类方式,并在此基础上分别梳理了离散气泡减阻和连续气层减阻在减阻特性、减阻机理、两相流态及其影响因素等方面的进展情况,总结并展望了气体润滑减阻的研究现状和该领域的未来发展趋势。

船舶气层减阻技术研究综述

随着全球生态环境变化的要求以及我国“碳达峰、碳中和”目标的提出,船舶气层减阻技术作为船舶运输手段中一种有效的节能、降碳手段,近年来备受关注。文章阐述了气层减阻技术中气层的形成过程以及工作原理;从模型试验以及理论与数值计算方面分析了船舶气层减阻技术的发展和研究现状;列举分析了国内外部分研究单位的应用实例和实际效果;针对研究和应用现状,对船舶气层减阻技术面对的问题和未来发展方向进行了展望。

不同喷气形式下船舶微气泡减阻水池试验研究

针对一平底型船模 ,分别在船模底部的首、中部安装多孔硅材料板以生成微气泡 ,在大型拖曳水池中进行了五种拖曳速度、五种喷气量、三种喷气形式下的对比性试验 .试验结果表明 ,在相同条件下 ,船模首、中部同时喷气 ,减阻效果均优于仅在首部喷气的情况 ,总减阻率达 32 .8% .在相同拖曳速度和不同喷气形式下 ,纵倾角随喷气量变化很小 ,可忽略对总减阻率的影响 .

微气泡减阻的数值模拟方法及尺寸效应

分别采用混合物模型、欧拉双流体模型和相群平衡模型对底部通气的二维平板微气泡减阻效果进行了模拟分析,探讨了气泡直径、喷气速度对微气泡减阻率的影响,并对其尺度效应进行研究.结果表明:减小气泡直径可以增加微气泡减阻率;在一定的范围内,减阻率随着喷气速度的增加而增大,但喷气速度过小或过大都将影响减阻效果;相群平衡模型比其他2种模型的数值模拟结果更接近于试验结果;由于物体尺寸增加所致的雷诺数增大在一定程度上会降低微气泡减阻率.

通过微气泡控制湍流边界层减阻的研究与进展

本文介绍了微气泡减阻的研究现状 ,阐述了湍流状态下微气泡减阻机理 ;对平板、轴对称体和船模等典型微气泡减阻试验做了简述后 ,总结了微气泡减阻理论研究的成果及相关的数学模型 ,最后介绍了微气泡减阻在实船上应用的现状和前景。

船舶气泡减阻研究进展

船体表面气体润滑减阻技术在过去近二十年中取得了长足的进步,尤其是实船应用方面。论文全面地回顾了国内外气体润滑减阻研究的历史与现状,将气体润滑减阻技术划分为气泡减阻和气层减阻,重点介绍了气泡减阻的机理、气泡发生方式、气泡减阻理论研究和试验研究。在气泡减阻的实船应用方面,结合国内外成功案例进行分析,提出了我国发展气泡减阻技术需要进一步研究的问题。

船舶吃水对微气泡减阻影响的水池试验研究

针对大比尺平底型船模 ,分别在船模底部的首、中部安装多孔硅材料板以生成微气泡 ,在大型拖曳水池中进行了不同拖曳速度、不同喷气量下 ,吃水对减阻率影响的对比性试验。试验结果表明 ,仅在首部喷气以及首、中部等量同时喷气且Fr≤ 0 6 46时 ,浅吃水时的减阻效果好。Fr <0 6 46时 ,浅吃水下纵倾角较深吃水明显减小 ;Fr >0 6 46时 ,浅吃水下纵倾角增幅较深吃水大。

微气泡减阻实验研究

该文研究设计了一种基于超声空化的微气泡产生电路,利用AD9850产生正弦信号,经功率放大电路后驱动换能器使其空化,产生微气泡。分析了转盘转动过程中所受水流的阻力矩。同时,为了验证微气泡的减阻效果,提出了一种与该方法相配套的实验方案。实验结果表明,该方法产生的微气泡有较好的减阻效果,并且在工程上容易实现,具有较好的应用前景。

高速气泡艇阻力数值模拟及气泡减阻效果分析

考虑到复杂界面流动的需要,基于三维非稳态的Navier-Stokes方程,采用有限体积法进行数值离散,VOF方法处理自由面和艇底喷气后的气液流场,在应用分区结构化网格划分技术的基础上,建立了高速气泡艇阻力数值模拟方法。应用该方法对不同气泡艇方案的阻力进行了数值模拟,详细分析了不同气腔形式、不同喷气量、喷口位置及数量对减阻效果、气泡覆盖、压力分布和自由面兴波情况的影响规律,为高速气泡艇方案的进一步优化设计提供了技术支撑。

微气泡流的数值模拟及减阻机理分析

本文采用k-ω湍流模型,进行微气泡流动的数值模拟。在数学模型中,将气泡流作为混合物的流动处理,同时考虑了气泡与水的相对运动。应用该模型,计算了不同气泡直径及喷入速度、不同主流速度下某三维回转体周围微气泡分布及其阻力变化,计算结果与已发表的试验研究的结论相当吻合。对计算结果的分析表明,微气泡减阻的关键是生成足够小的气泡并使之尽量附着在物体表面附近以获得较高的空隙率。

电解水式驻留微气泡减阻技术及其可行性分析

在通常的气幕减阻技术中,由于气泡的不断流失容易产生能耗增大、减阻效果下降等问题。该文提出一种利用驻留微气泡的减阻技术。微气泡产生于阵列布置于航行体表面的微凹坑中,并在航行过程中稳定驻留于凹坑处,从而有效降低局部摩阻系数;微气泡通过电解水产生,并可反过来对电解反应进行自适应控制,从而自适应地控制供气量和气泡形状。通过初步数值模拟和实验,对影响气泡驻留的因素进行了定性的分析。设计了一种电解反应自适应控制的凹坑结构,用于气泡形状和电解反应的自动控制。通过数值计算,对一特定条件下驻留微气泡的理论减阻能力进行了讨论。

船舶通气气泡减阻相似律的研究

提出了船舶通气气泡减阻相似律以及除傅劳德数Fr和雷诺数Re外的第三个相似判据——气体流量系数Q,因此总阻力系数和减阻率可表达为Re,Fr和Q的函数。这些结果可以应用于模型试验的分析和实船性能的预报。文中给出的气泵参数计算公式则可应用于气泵的设计。

水下航行体俯仰运动微气泡流形态及减阻特性试验研究

为研究水下航行体俯仰运动过程中,微气泡流形态及减阻特性的变化规律,采用自主设计的驱动装置、高速摄像系统和测力系统,在水洞中开展水下航行体俯仰运动微气泡减阻特性试验研究。基于该驱动装置,实现了航行体模型以正弦变化规律的角速度绕其头部转动;基于高速摄像系统,分析了微气泡流形态变化特性;基于测力系统,分析了俯仰运动过程中水下航行体流体动力特性及不同通气量下微气泡减阻特性变化规律。试验结果表明:较低通气量下,在水下航行体俯仰运动过程中,离散的微气泡始终均匀分布在航行体表面;随着通气量的增加,微气泡流密度逐渐增加,透明度逐渐降低,并最终融合成透明空泡;航行体俯仰运动过程中,其航行体轴向力系数和法向力系数基本呈正弦变化规律,且其周期与攻角变化周期基本同步;不同通气量下航行体轴向力系数的变化规律基本相同,均呈正弦变化规律,且随着通气量的增加,相同姿态下的航行体轴向力系数逐渐减低,并最终趋于恒定。

平板微气泡减阻预报及影响因素研究

假定气-液两相流均匀混合,且微气泡在水流中存在滑移,运用流体计算软件Fluent中的混合多相流模型对平板微气泡减阻过程进行数值模拟,研究了微气泡流的减阻机理及喷气速度与主流速度之比、微气泡大小、空隙率分布等对水中运动平板减阻效果的影响规律,并指出微气泡减阻率为喷气速度与主流速度之比的非线性对数函数,且存在相对饱和喷气速度,同时建立了一个平板微气泡减阻率大小的预报模型,并从理论上对减阻效果进行了预报。

回转体微气泡减阻影响因素理论研究

为了研究影响回转体微气泡减阻率大小的因素,运用Fluent 6.3软件对某回转体微气泡减阻模型进行了数值计算,分析了喷气速度与来流速度的比值、喷气角度、气泡尺度及空隙率分布等因素对减阻率的影响程度和规律,初步揭示了微气泡减阻的机理,研究了饱和喷气量的形成原因.结果表明,微气泡可使回转体局部摩擦阻力减少80%,总阻力减少约30%;微气泡减阻率的高低主要由喷气速度与来流速度之比、近壁面处空隙率的大小及分布所决定,而与喷气角度以及一定范围内的气泡尺度关系不大;喷气流量增大,摩擦阻力下降,粘压阻力增加,当摩擦阻力减少量与粘压阻力增加量相当时,达到饱和气量.在喷气流量未达到饱和值时,总阻力随气流量的增大而减少.