多相流相互作用及船舶減阻氣泡聚合破裂研究.pdf

1、面對(duì)全球能源約束趨緊、環(huán)境污染嚴(yán)重問(wèn)題，節(jié)能減排已經(jīng)成為世界性話題。隨著環(huán)境問(wèn)題對(duì)船舶業(yè)發(fā)展的制約，IMO國(guó)際組織出臺(tái)了國(guó)際防止船舶造成污染公約，嚴(yán)格限制了XNO、硫化物、可吸入顆粒物及2CO的排放，開(kāi)展綠色船舶節(jié)能減排勢(shì)在必行。目前船舶節(jié)能減排研究主要有減小阻力、提高燃油利用率、提高螺旋槳推進(jìn)效率、改進(jìn)船型、尾氣回收等。其中，減小船舶阻力可以從源頭上節(jié)約燃油消耗，一直是船舶節(jié)能減排的重點(diǎn)研究問(wèn)題。利用微氣泡減小船舶阻力的有效性已經(jīng)得到

2、共識(shí)，特別是對(duì)三大主力船型而言，因其摩擦阻力占總阻力的主要部分，利用微氣泡可以很好的減小船體表面的摩擦阻力，進(jìn)而降低能源消耗，節(jié)能減排，進(jìn)而產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
　　本文主要研究氣體、水和壁面之間相互作用、氣泡聚合破裂、以及影響氣泡減阻的重要影響因素。基于歐拉多相流模型對(duì)平板及船舶微氣泡減阻數(shù)值模擬方法進(jìn)行了研究。研究了平板和三維船體的網(wǎng)格劃分、聚合破裂模型、壁面潤(rùn)滑力及松弛因子等基本理論和數(shù)值計(jì)算方法。通過(guò)數(shù)值結(jié)果與試

3、驗(yàn)值分析驗(yàn)證，得到了更加有效的氣泡聚合破裂和減阻的理論預(yù)報(bào)方法。討論了平板沿程減阻變化，研究分析了微氣泡在流場(chǎng)中的分布、聚合破裂對(duì)微氣泡大小、體積分?jǐn)?shù)、以及減阻率的影響等。結(jié)果顯示，微氣泡自通氣口進(jìn)入后沿平板壁面存在過(guò)渡段，該段上微氣泡在壁面上的覆蓋較差、減阻效果較差，過(guò)渡段后壁面氣相體積分?jǐn)?shù)提高，減阻率提高。在壁面上微氣泡直徑沿程逐漸增大，呈聚合狀態(tài)，在距離壁面一定距離處微氣泡直徑沿程減小，呈破裂狀態(tài)。用多相流理論、standard

4、k-epsilon湍流模型及l(fā)uo-lehr聚合破裂模型，以一艘2200噸貨船為例進(jìn)行了船舶微氣泡減阻的數(shù)值模擬預(yù)報(bào)方法及性能研究。數(shù)值模擬中考慮了壁面潤(rùn)滑力，微氣泡聚合破裂等諸多因素，船體表面的氣泡分布、聚合、破裂及其與減阻的關(guān)系。結(jié)果顯示，船舶底部微氣泡輸入后與平板類似存在減阻效果較差的過(guò)渡段；沿船體側(cè)面減阻率隨著來(lái)流速度和通氣量的增大而提高；船體表面上微氣泡沿程迅速聚合。隨著通氣量的增加，在船體底部增設(shè)通氣口可以提高微氣泡減阻效果