船舶前缘引流和微气泡综合减阻数值模拟

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本文以一艘带球首和双尾的低速肥大型集装箱船为数值模拟对象,以计算流体动力学(CFD)软件Fluent为平台,通过借鉴钝体引流减阻技术,在船首至第14站底部开通一条引流通道,研究其对粘压阻力及流场的影响。为了研究含微气泡的两相流对船体绕流场和粘性阻力的影响,在引流通道出流面(即断阶面)使部分水流汽化实现微气泡的生成。为了避开直接求解控制方程中因微气泡的生成所带来的源项,采用了流场分块计算和边界条件的特殊处理来实现,通过改变微气泡流速、浓度、直径以及船首远前方来流速度等参数,研究含微气泡的两相流场对断阶下游船体表面摩擦阻力影响。分析计算结果和流场特性,得到以下结论和规律:1)与原船相比,加设引流通道后,船体总摩擦阻力基本无变化,粘压阻力则明显减小。进一步分析表明,在来流速度V=1.589m/s,即Fn=0.225下,粘压阻力减阻效果最明显,可达20.5%,此时对应的粘性阻力减阻率为5.92%。2)仅改变断阶面微气泡流速,断阶面下游船体表面摩擦总阻力减阻率随气泡流速的增大而增大,而当气泡流速增大至某一值后,船体总摩擦阻力减阻率将基本不变。3)仅改变断阶面微气泡浓度,断阶面下游船体表面摩擦总阻力减阻率随着气泡浓度的增大而增大。当调节不同浓度下气泡流速,使得气泡流量一致时,各浓度下对应的摩擦阻力减阻率十分接近。说明气泡流量与摩擦总阻力减阻率息息相关。4)仅改变来流速度,在小气泡流速下,断阶下游船体表面摩擦阻力减阻率与来流速度影响不大;当气泡流速逐步增大后,来流速度越大,对应的摩擦总阻力减阻率越大。5)仅改变微气泡直径,在一定范围内,可以增大断阶下游船体表面摩擦阻力减阻率,但是大直径微气泡在船体表面的覆盖浓度不如小直径情况下均匀。6)加设引流通道明显的减小了船体首尾部压差,从而使粘压阻力减小;微气泡流明显减小了船体近壁区的流体粘性系数,同时也改变了边界层内的流体流动速度分布,使摩擦阻力减小
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