發(fā)布時(shí)間：2017-07-13 12:13

  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

  更多相關(guān)文章： 仿生 防污貝殼 微溝槽表面形貌 減阻機(jī)理

【摘要】：船舶在航行過(guò)程中會(huì)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(fù)載”，對(duì)于降低船舶在航行中受到的摩擦阻力，實(shí)施航運(yùn)業(yè)的節(jié)能減排有重要的意義。因此，一直以來(lái)人們就船舶的防污減阻表面進(jìn)行了大量的理論和試驗(yàn)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(duì)海洋環(huán)境存有負(fù)面影響，有效工作的壽命短，工程應(yīng)用時(shí)的實(shí)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(xué)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(jì)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(jiǎn)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(jì)算光滑平板的摩擦阻力系數(shù)，將光滑平板模型的計(jì)算結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算誤差均在工程計(jì)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(zhǔn)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(dòng)能和湍流強(qiáng)度分布、流場(chǎng)速度矢量等。計(jì)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(jìn)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(guò)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(jìn)而降低了溝槽面的摩擦阻力。而通過(guò)對(duì)溝槽表面谷內(nèi)的速度矢量圖進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，溝槽谷內(nèi)存在低速的二次渦對(duì)，這些渦對(duì)能夠?qū)⒏呒羟袘?yīng)力區(qū)域推離壁面，猶如起到了滾動(dòng)軸承的作用，將固-液接觸的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)橐?液接觸的滾動(dòng)摩擦降低摩擦阻力。 對(duì)不同雷諾數(shù)下的溝槽表面進(jìn)行了阻力性能對(duì)比計(jì)算，發(fā)現(xiàn)對(duì)于同一種溝槽（V形溝槽），當(dāng)由雷諾數(shù)計(jì)算出的無(wú)量綱尺寸s+和h+都等于16.49時(shí)，減阻效果最佳。比較了五種不同簡(jiǎn)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(dòng)和穩(wěn)定流場(chǎng)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(shí)際情況。 對(duì)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(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明60°頂角的溝槽表面頂角附近的湍動(dòng)能和渦量值最低，即流體動(dòng)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(dòng)方面的作用比較弱，阻力性能較差；對(duì)于不同溝槽間距的溝槽表面，計(jì)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(guò)了溝槽效應(yīng)而增阻。對(duì)于橫向溝槽的間距，計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)間隔d等于s時(shí)，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(jī)理
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類(lèi)號(hào)】：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(guó)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(jìn)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(lèi)26-27
• 2.2.1 理論研究和實(shí)驗(yàn)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(guò)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(duì)象的選取和物理問(wèn)題的描述29-31
• 3.2 物理模型和計(jì)算域的設(shè)計(jì)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(yàn)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(jì)算和減阻機(jī)理分析40-49
• 4.1 剪應(yīng)力分析40-41
• 4.2 速度場(chǎng)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(dòng)能和湍流強(qiáng)度分析43-46
• 4.3.1 湍動(dòng)能分析43-44
• 4.3.2 湍流強(qiáng)度分析44-45
• 4.3.3 渦量分析45-46
• 4.4 減阻機(jī)理分析46-48
• 4.4.1 溝槽對(duì)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(duì)流體展向流動(dòng)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(duì)減阻效果的影響49-51
• 5.2 形狀和結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)減阻性能的影響分析51-64
• 5.2.1 溝槽形狀對(duì)減阻性能的影響51-55
• 5.2.2 溝槽頂角的形狀對(duì)減阻性能的影響55-60
• 5.2.3 相鄰溝槽間距對(duì)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(xiàn)69-73
• 攻讀碩士期間發(fā)表的論文73

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 陳強(qiáng),唐登斌,曹起鵬;湍流大渦破碎裝置的減阻研究[J];彈道學(xué)報(bào);2001年04期

2 陳瑞芳,江志東,吳嘉;高分子減阻流場(chǎng)湍流結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)研究[J];大連理工大學(xué)學(xué)報(bào);1998年05期

3 逯艷英,吳建華,孫明先,崔嚴(yán),陳光章;海洋生物污損的防治——電解防污技術(shù)的新進(jìn)展[J];腐蝕與防護(hù);2001年12期

4 吳嘉,陳瑞芳;高分子減阻劑對(duì)水在管心區(qū)湍流時(shí)間相關(guān)結(jié)構(gòu)的影響[J];化工學(xué)報(bào);1998年06期

5 劉志華;董文才;熊鷹;;雷諾數(shù)對(duì)溝槽減阻特性影響的數(shù)值分析[J];海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào);2007年02期

6 安衛(wèi);使用微細(xì)孔進(jìn)行層流控制[J];航空精密制造技術(shù);1996年06期

7 楊弘煒,高歌;一種新型邊界層控制技術(shù)應(yīng)用于湍流減阻的實(shí)驗(yàn)研究[J];航空學(xué)報(bào);1997年04期

8 劉占一;宋保維;黃橋高;胡海豹;;基于CFD技術(shù)的脊?fàn)畋砻嫱牧髁鲌?chǎng)特性研究[J];空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào);2011年05期

9 田軍,薛群基;平板上低表面能涂層的水筒減阻研究[J];科學(xué)通報(bào);1996年18期

10 張召明，章子林，熊筱珍;NLF－1自然層流機(jī)翼低速轉(zhuǎn)捩位置測(cè)定[J];氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)與測(cè)量控制;1994年01期

本文編號(hào)：536874