【摘要】：船舶運(yùn)輸是物資運(yùn)輸中最主要的、最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)輸方式。在船舶航行中,船用柴油機(jī)主動力推進(jìn)裝置的有效熱效率為百分之五十左右,這部分有用功主要用于克服船舶阻力,推動船舶行進(jìn)。其余部分主要以各種廢熱的形式散失到外界環(huán)境中。如何進(jìn)一步提高船舶能效是本領(lǐng)域的重要研究工作。本文提出了基于殼體加熱的船舶減阻新思路,利用船舶廢熱減小船舶摩擦阻力,并開展了相關(guān)基礎(chǔ)研究,主要完成以下工作:(1)選擇某型號散貨船作為母型船設(shè)計加工船模,設(shè)計簡便、可有效調(diào)節(jié)的加熱方式以及合適的加熱功率。(2)在船模殼體外壁流體處于混合狀態(tài)時,通過理論計算模型計算加熱功率以及航速對船模層流減阻效果的影響,并進(jìn)行實船減阻的理論計算。(3)試驗探究加熱功率以及船模航速對船模層流減阻的影響并與理論計算對比,并通過試驗探究當(dāng)船模殼體外壁流體處于紊流狀態(tài)時,加熱功率以及航速對船模減阻效果的影響。通過上述工作主要得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:(1)建立殼體加熱條件下的船模阻力計算模型,通過該模型可以分析加熱功率、航速等因素對層流加熱減阻的影響。通過理論分析發(fā)現(xiàn),在同一航速下,減阻率隨著加熱功率的提高而增大;在同一加熱功率下,減阻率隨著航速的提高呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢,這主要與轉(zhuǎn)捩點(diǎn)推移距離有關(guān),在航速為0.71m/s,加熱功率為0.7W/cm2時可以實現(xiàn)最大的減阻效果8.1%。(2)通過該模型對實船進(jìn)行理論分析時發(fā)現(xiàn),在設(shè)計航速14.5kn航行時,減阻率隨著加熱面積的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,當(dāng)加熱面積為90.7m2時,實船減阻效果可以達(dá)到最大值1.8%～2.025%。(3)在層流加熱減阻試驗中,在同一航速下,船模減阻率隨著加熱功率的增加而增加;同一加熱功率下,船模減阻率隨著航速的增加而降低。在航速為0.5m/s,加熱功率為0.7W/cm2時,減阻效果達(dá)到最佳5.21%。理論與試驗的差距可能是由船模表面的不平整度、粗糙度和漏熱問題導(dǎo)致的。(4)紊流加熱減阻在試驗中,同一航速下,船模減阻率隨著加熱功率的增加而穩(wěn)步提高;同一加熱功率下,船模減阻率隨著航速的增加而降低。在加熱功率為0.7W/cm2,航速為0.5m/s時,同時減阻率也達(dá)到最大值9.88%。
【圖文】：

的流動狀態(tài)包括層流和紊流兩種形式。流體在層流運(yùn)動時會層結(jié)構(gòu)的影響，在滿足一定的條件下產(chǎn)生擾動波，在小雷諾抗拒這種擾動或者說是有免疫能力，因此流體處于層流穩(wěn)定后，微弱的擾動可以在流體中增長，此時流體會失去對擾動流場中出現(xiàn)各種形式的旋渦，使得流體層與層之間的質(zhì)量、程度的傳輸和混合，流動逐漸由層流狀態(tài)轉(zhuǎn)捩為紊流狀態(tài)。自名的圓管流動試驗發(fā)現(xiàn)流體在流動過程中存在紊流狀態(tài)后，流體雷諾數(shù)的增加，，處于層流狀態(tài)的流體會出現(xiàn)起伏，而起流體雷諾數(shù)的增加而逐漸加強(qiáng)，直至由層流狀態(tài)轉(zhuǎn)捩為紊流狀最后階段是湍斑｜７］的出現(xiàn)、發(fā)展與合并，并最終使整個流場完一過程中還伴隨著紊流的間歇特性。上世紀(jì)９０年代以來的研熟的湍斑內(nèi)部己經(jīng)具有了與壁紊流相似的結(jié)構(gòu)｜８“１］。此時，近流摩擦阻力轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪髂Σ磷枇�，摩擦阻力大大提高。逡逑＾邋Ａ逡逑＿�?

逡逑紊流邊界層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，如圖１．１所示，根據(jù)無量綱的壁面距離可以將紊流逡逑邊界層分為內(nèi)層結(jié)構(gòu)和外層結(jié)構(gòu)，而內(nèi)層結(jié)構(gòu)又包括黏性子層，對數(shù)律層和兩者逡逑之間的過渡層。內(nèi)層結(jié)構(gòu)中流體的流動狀態(tài)對于摩擦阻力有著重大影響。逡逑Ｋｌｉｎｅ等〖１２］人首先用氫氣泡顯示技術(shù)發(fā)現(xiàn)了紊流邊界層內(nèi)層用于描述流體流動逡逑運(yùn)動軌跡的氫氣泡并不是按照直線沿流體流動的方向移動，而是沿展向匯聚并積逡逑累成一系列的沿流向發(fā)展的拉伸區(qū)，他們將這些拉伸區(qū)命名為“條帶結(jié)構(gòu)”，簡逡逑稱“條帶”。隨后的一些試驗進(jìn)一步表明，流體沿展向方向可以交替出現(xiàn)流動速逡逑度較高和較低的區(qū)域，前者又稱為“高速條帶”，后者稱為“低速條帶”。通過逡逑試驗觀察發(fā)現(xiàn)，在內(nèi)層結(jié)構(gòu)的對數(shù)律層附近，條帶會出現(xiàn)變短和彎曲的現(xiàn)象；隨逡逑著遠(yuǎn)離壁面，在邊界層的外層結(jié)構(gòu)中，條帶會出現(xiàn)逐漸模糊并消失的現(xiàn)象，如圖逡逑１．２所示
【學(xué)位授予單位】：大連海事大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：U661.311

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本文編號：2617352