本文關(guān)鍵詞：船舶仿生防污溝槽表面減阻性能數(shù)值模擬分析

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【摘要】：船舶在航行過程中會由于污損而加大船舶的阻力。因此采取防污措施，降低船舶的“負載”，對于降低船舶在航行中受到的摩擦阻力，實施航運業(yè)的節(jié)能減排有重要的意義。因此，一直以來人們就船舶的防污減阻表面進行了大量的理論和試驗探究，并形成了防污減阻涂料、減阻劑、低表面能減阻等多種防污減阻技術(shù)。但表面涂料一般都對海洋環(huán)境存有負面影響，有效工作的壽命短，工程應(yīng)用時的實效很有限。 自然界中包含很多具有減阻、防污、自清潔等特性的生物結(jié)構(gòu)和各種功能型表面。論文基于仿生學原理，以自然界中生物（貝殼）的非光滑形態(tài)表面為原型，，在其具備防污功能的基礎(chǔ)上，探討其阻力性能，選擇設(shè)計出具有防污減阻協(xié)同效應(yīng)的表面，將其應(yīng)用于船舶仿生防污減阻表面上。論文首先確定仿生微結(jié)構(gòu)表面的簡化形態(tài)、尺寸，構(gòu)建物理模型和幾何模型，然后選定數(shù)值模擬方法計算光滑平板的摩擦阻力系數(shù)，將光滑平板模型的計算結(jié)果和經(jīng)驗公式的計算結(jié)果進行對比，計算誤差均在工程計算的范圍之內(nèi)，確保了論文所選用數(shù)值模擬方法的合理性與準確性。 論文研究了仿生非光滑表面的壁面剪切應(yīng)力、近壁面區(qū)域的速度分布、湍動能和湍流強度分布、流場速度矢量等。計算結(jié)果表明溝槽頂部是高剪切應(yīng)力區(qū)域，但其面積小，溝槽谷內(nèi)區(qū)域的剪切應(yīng)力低，所占面積大，進行積分后，溝槽表面具有減阻效果；溝槽表面能夠影響近壁區(qū)的速度分布，通過降低近壁區(qū)的速度梯度，減小了溝槽表面的壁面剪切應(yīng)力，進而降低了溝槽面的摩擦阻力。而通過對溝槽表面谷內(nèi)的速度矢量圖進行分析發(fā)現(xiàn)，溝槽谷內(nèi)存在低速的二次渦對，這些渦對能夠?qū)⒏呒羟袘?yīng)力區(qū)域推離壁面，猶如起到了滾動軸承的作用，將固-液接觸的滑動摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)橐?液接觸的滾動摩擦降低摩擦阻力。 對不同雷諾數(shù)下的溝槽表面進行了阻力性能對比計算，發(fā)現(xiàn)對于同一種溝槽（V形溝槽），當由雷諾數(shù)計算出的無量綱尺寸s+和h+都等于16.49時，減阻效果最佳。比較了五種不同簡化形態(tài)的溝槽表面的阻力性能，研究表明由于L形溝槽表面在約束展向流動和穩(wěn)定流場方面表現(xiàn)最突出，其減阻效果最佳（減阻率為5.636%），U形、V形、間距V形溝槽表面的減阻效果分別為3.122%、5.135%和1.926%。但L形溝槽表面相比其他表面耐用性較差（易折損），因此U形、V形、間距V形更容易應(yīng)用于實際情況。 對于頂角為60°、90°和頂角有倒角的V形溝槽表面的阻力性能進行了計算，結(jié)果表明60°頂角的溝槽表面頂角附近的湍動能和渦量值最低，即流體動能耗散量最低，其減阻效果最佳，減阻率為3.405%，頂角有倒角的溝槽表面在阻礙展向流動方面的作用比較弱，阻力性能較差；對于不同溝槽間距的溝槽表面，計算結(jié)果表明溝槽間距既不能太大以至旋渦落入溝槽，也不能太小以至表面積增加超過了溝槽效應(yīng)而增阻。對于橫向溝槽的間距，計算結(jié)果表明，當間隔d等于s時，取得的減阻效果最好。
【關(guān)鍵詞】：仿生 防污貝殼 微溝槽表面形貌 減阻機理
【學位授予單位】：武漢理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：U661.311;U664.9
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 緒論10-22
• 1.1 船舶仿生防污減阻的研究背景及意義10
• 1.2 船舶阻力的組成及影響因素10-12
• 1.3 國內(nèi)外減阻的方法12-21
• 1.3.1 層流減阻技術(shù)12-13
• 1.3.2 湍流減阻技術(shù)13-15
• 1.3.3 仿生表面的防污減阻研究進展15-21
• 1.4 論文的主要工作21-22
• 第2章 減阻的相關(guān)理論和研究方法22-29
• 2.1 邊界層的組成22-26
• 2.1.1 邊界層概述22-23
• 2.1.2 湍流邊界層23-25
• 2.1.3 邊界層的比較分析25-26
• 2.2 研究方法的分類26-27
• 2.2.1 理論研究和實驗研究方法26-27
• 2.2.2 數(shù)值模擬方法27
• 2.3 數(shù)值模擬方法的求解過程27-28
• 2.4 本章小結(jié)28-29
• 第3章 仿生防污表面的數(shù)值模擬29-40
• 3.1 仿生對象的選取和物理問題的描述29-31
• 3.2 物理模型和計算域的設(shè)計31-33
• 3.3 網(wǎng)格的劃分33-34
• 3.4 湍流模擬的相關(guān)選定34-37
• 3.4.1 控制方程34-35
• 3.4.2 湍流數(shù)值模擬方法的選取35
• 3.4.3 湍流模型的選擇35-36
• 3.4.4 仿生防污表面數(shù)值模擬方法的設(shè)定36-37
• 3.5 算例驗證37-38
• 3.6 本章小結(jié)38-40
• 第4章 仿生防污表面的阻力性能計算和減阻機理分析40-49
• 4.1 剪應(yīng)力分析40-41
• 4.2 速度場分析41-43
• 4.2.1 速度矢量圖分析41-42
• 4.2.2 速度云圖和曲線圖分析42-43
• 4.3 湍動能和湍流強度分析43-46
• 4.3.1 湍動能分析43-44
• 4.3.2 湍流強度分析44-45
• 4.3.3 渦量分析45-46
• 4.4 減阻機理分析46-48
• 4.4.1 溝槽對旋渦的阻隔作用46-47
• 4.4.2 溝槽的推離作用47-48
• 4.4.3 溝槽對流體展向流動的阻隔作用48
• 4.4.4 粘性亞層厚度增加48
• 4.5 本章小結(jié)48-49
• 第5章 影響仿生防污溝槽表面減阻因素的探討49-66
• 5.1 不同雷諾數(shù)對減阻效果的影響49-51
• 5.2 形狀和結(jié)構(gòu)尺寸對減阻性能的影響分析51-64
• 5.2.1 溝槽形狀對減阻性能的影響51-55
• 5.2.2 溝槽頂角的形狀對減阻性能的影響55-60
• 5.2.3 相鄰溝槽間距對減阻性能的影響60-64
• 5.3 本章小結(jié)64-66
• 第6章 結(jié)論與展望66-68
• 6.1 主要結(jié)論66-67
• 6.2 后續(xù)工作展望67-68
• 致謝68-69
• 參考文獻69-73
• 攻讀碩士期間發(fā)表的論文73

【參考文獻】

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本文編號：536874