高速艇尾部橫剖面面積曲線變化對氣泡減阻效果影響的數(shù)值模擬.docx

1、Vol38No.6Dec.2009DOI：10.3963/j.issn.1671-7953.2009.06.009高速艇尾部橫剖面面積曲線變化對氣泡減阻效果影響的數(shù)值模擬陳克強，黃麗（武漢理工大學(xué)交通學(xué)院,武漢430063）摘要:對一內(nèi)河高速艇，在保證排水量D及船長L不變的條件卜，改變其尾部橫剖面面積曲線形狀，利用CFD商業(yè)軟件FLUENT進行建模訂算，模擬微氣泡作用下船體周圍的粘性流場，討論尾部形狀變化對氣泡減阻效果的影響,計算結(jié)果表明，在中后底部具有較小斜升角的船舶,氣泡穩(wěn)定性好有利于微氣泡減阻.關(guān)鍵詞:尾部橫剖面面積曲線;氣泡減阻;數(shù)值模擬文章編號:1671-7953(2009)06-0

2、032-05中圖分類號:U661.31文獻標(biāo)志碼：A圖中A為各站橫剖面面積,Am圖1改型前后橫剖面面積曲線圖R變小R變大為最大剖面面積。微氣泡減阻的技術(shù)原理是利用水與空氣的密度、粘度的差別，在船底充入空氣,形成一層薄的氣液兩相混合流，通過混合流密度、粘度以及運動模式的改變，減少船體的摩擦阻力。由于兩相湍流流動的復(fù)雜性，微氣泡導(dǎo)致摩擦阻力減少的準(zhǔn)確機理還不甚清楚。但有關(guān)實驗研究報告指出，減阻效果除了與氣泡的直徑、氣泡體積濃度、氣膜覆蓋的濕面積等因素有關(guān)外，還與氣壓、流量、速度、氣泡層厚度以及氣膜在物面上的覆蓋范圍有關(guān)。高速艇橫剖面面積曲線的形狀，特別是尾部形狀對于快速性能有著重要影響。一般來說，

3、速度越高，為有好的阻力性能，尾部越豐滿;但是，豐滿的尾部會導(dǎo)致螺旋槳直徑受限或存在較大的軸線縱傾角。為了增大槳的直徑或減小軸線角度，也可以采取船體尾部上抬，以壓浪板控制航態(tài)的辦法獲得較好的快速性能。因此，考慮采用FLUENT軟件模擬氣泡船三維流場，探討尾部橫剖面面積曲線的變化對氣泡減阻的影響，為氣泡船船型的設(shè)計和改良提供參考園。1物理模型叱常對象為內(nèi)河高速艇，在保證排水址D及船長L不變的條件下，同時變化船寬B及吃水T,改變其尾部橫剖面面積曲線，改型前后模型的主要參數(shù)見表1。表1模型主尺度模型排水量/t設(shè)計水線長/m設(shè)計吃水/m原型0.05562.730.0923改型1（尾部下壓）0.05562

4、.730.0869改型2（尾部上抬）0.05562.730.0977改型前后的無因次橫剖面面積曲線見圖1。收稿日期：2009-02-10修回日期:2009-06-11基金項目：國家“863”項目（2006AA11Z223）。作者簡介:陳克強.（1955-）.男，大學(xué)，副教授。研究方向:船舶水動力性能。E-mail:ckq5505船體左右對稱，故以中縱剖面為對稱面，取一半的船體為模擬對象。選用長方體計算域:縱向（X軸方向）為5倍的船長，橫向（Y軸方向，距船中的距離）為1倍船長，垂向（Z軸方向，距水線面的距離）為1倍船長；人口距船首1倍船長，出口距船尾3倍船長。為了便于網(wǎng)格劃分，將計算域2數(shù)學(xué)模型

5、微氣泡流動屬于微氣泡與水的混合兩相流動。微氣泡在水中受到不同作用力的作用，氣泡在運動中的變形、破裂、聚并以及微氣泡群的影響等使流動問題十分復(fù)雜。為了簡化模型，不考慮自由液面影響，認(rèn)為湍流為連續(xù)相，湍流以及湍流擴散和輸運均為各向同性;并且假設(shè)微氣泡不溶于水，即微氣泡和水之間無質(zhì)量交換;微氣泡在運動過程中表面張力均勻，體積大小不變。2.1數(shù)值方法計算不噴氣狀態(tài)時，選用標(biāo)準(zhǔn)全£湍流模型及標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù),有利于計算的收斂;考慮重力作用;速度壓力耦合方程采用半隱式算法，采用標(biāo)準(zhǔn)壓力離散格式，一階體積分?jǐn)?shù)離散格式，其余均采用精度高的二階離散格式。噴氣狀態(tài)下，采用mixture混合相模型，其中水為基

6、本相，微氣泡為第二相，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的&£兩方程模型，考慮速度滑移和體積力的作用，速度與壓力耦合使用改進的半隱式算法，離散格式的選取中壓力使用體積力加權(quán)格式，其余均為二階迎風(fēng)格式。2.2邊界條件噴氣方式采用縫噴,噴口在7#理論站，距船首0.755m,縫寬0.5mm,氣泡直徑為0.01mm,入口體積比為1。來流進口和噴氣口都采用速度入口邊界條件，出口采用出流邊界條件.船體表面選用壁面邊界條件，并且滿足不可滑移邊界條件,其余邊界均選用對稱邊界條件。2.3控制方程2.3.1混合流體的連續(xù)性方程房0）+V（伽2=舟式中:伽混合密度，伽=人佝十人|0«；4混合質(zhì)量平均密度，

7、（7b何Vw）/pm；r體積分?jǐn)?shù),八+*=1,其中：b、w氣泡、水；m由氣泡或用戶定義的質(zhì)雖源的質(zhì)量傳遞。2.3.2混合流體的動量方程V（伽44）=-Vp+V“m（V-Vm+nVVmFl+g+V-（。甲沙心*）式中:叫第k相的體積分?jǐn)?shù)；pk第&相的密度；n相數(shù)；F體積力；收混合粘性；Vdr.i第為相的飄移速度；g重力加速度。2. 3.3氣泡的體積分?jǐn)?shù)方程*（appp）+V,（aPpVm）=V（am%p）式中:op微氣泡的體積分?jǐn)?shù)；外微氣泡的密度；Vdr.p微氣泡的飄移速度。3計算結(jié)果及分析1不噴氣狀態(tài)對3個模型，分別計算來流速度u=3、4、5m/s時的粘壓阻力、摩擦阻力及其系數(shù)。在排水

8、址D及船長L不變的情況下，船體的濕表面積不變，因此摩擦阻力變化不大,尾部橫剖面曲線形狀的變化主要體現(xiàn)在對粘壓阻力的影響上，粘壓阻力見圖3。圖3改型前后的粘壓阻力圖3改型前后的粘壓阻力31975319752211II1從圖3可以看出改型2（尾部上抬）的粘壓阻力最小，其次為原型，改型1（尾部下壓）最大。橫剖面面積曲線對阻力的影響主要體現(xiàn)在浮心縱向位置、平行中體的長度和位置及橫剖面面積曲線兩端的形狀。由于計算對象無平行中體,故只需要考慮浮心縱向位置和橫剖面面積曲線尾端形狀變化的影響。在一定的梭形系數(shù)下，浮心縱向位置Xb表示了船艇的排水體積的縱向分布，即反映了船艇腫前和腫后的相對豐滿度。浮心縱向位置的

9、改變對船體濕表面積改變不大，故對摩擦阻力影響很小，但對剩余阻力影響較大。當(dāng)Xb在腫前時，船首豐滿，會使興波阻力增加，尾部瘦削可降低漩渦阻力。當(dāng)Xb在腫后時則產(chǎn)生相反的結(jié)果。由于僅計算船體的粘性阻力,不涉及興波阻力，因此浮心偏前的粘壓阻力小，即尾部上抬的粘壓阻力小。3.2噴氣狀態(tài)3.2.1航速和噴氣量對減阻率的影響分析在噴氣狀態(tài)下，對不同來流速度w=3、4、5m/s與4種不同噴氣最Q=5、10、15、20m3/h的組合共36種狀態(tài)進行數(shù)值計算，得到3個船型在不同速度、不同噴氣量下的摩擦阻力的相對減阻率，見表24。表2原型計算結(jié)果來流速度流量Q/(m,s_,)/(m3h-1)XqXlO3XrXlO

10、3w%璧摩擦阻力減阻率52.5193.33324.420102.3183.33330.4593152.2583.33332.259202.2313.33333.06952.5363.18520.36519.240102.2843.18528.27823.4954152.053.18535.62627.209201.9823.18537.76228.07652.5513.07617.08016.979102.2983.07625.30323.1015152.1253.07630.92730.513202.0063.07634.79534.308表3改型1（尾部下壓）計算結(jié)果來流速度v/(m*s&

11、#39;1)流量Q/S-L)Xxio3XXI"M/%52.6543.32620.2133102.3363.32629.761152.2783.32631.505202.2513.32632.31452.6723.17715.8924102.3823.17725.042152.1573.17732.109201.9883.17737.42452.6643.06913.1935102.3873.06922.215152.1973.06928.425202.0683.06932.615表4改型2（尾部上抬）計算結(jié)果來流速度v/（m*s-1）流量Q/(n?h-1)X。X103X.X103洶/

12、%52.4363.34227.094Q102.2423.34232.9220152.2213.34233.539202.1873.34234.54452.4923.19421.957A102.1723.19431.982q152.0283.19436.493201.9763.19438.12852.5283.08618.0625102.2613.08626.734152.1073.08631.715201.9953.08635.343將原型的計算結(jié)果與由試驗結(jié)果換算出的摩擦阻力減阻率進行比較，其中摩擦阻力相對減阻率定義如下：Xf=（XLX"/Xf式中:Xf、X”一一不噴氣和噴氣狀態(tài)下

13、計算的船體摩擦阻力系數(shù)。試驗?zāi)Σ磷枇p阻率=實驗中總阻力減阻率/（采用ITTC平板公式估算出來的摩擦阻力系數(shù)/實驗所得的總阻力系數(shù)）。從表24可以看出：1）同一來流速度下，摩擦阻力減阻率，隨氣流量的增大而增大，直至飽和氣流量，與文獻3所報告的模型試驗結(jié)果一致。2）在低氣流最下，即氣流最為5.10m3/h時，隨著來流速度的增加,減阻率降低。這是因為在小流量下,來流速度的增大會加快氣泡向后的擴散,從而降低了船底氣泡濃度；高氣流量下，即當(dāng)氣流量大于10m3/h時,速度從3m/s增加到4m/s,減阻率也在增大,氣流量的增加，使得來流對氣泡的附帶效果減弱，氣泡層濃度增加，覆蓋面積增大，從而有更好的減阻效

14、果；當(dāng)速度由4m/s增加到5m/s時，減阻率反而下降，但仍然大于3m/s時的減阻率。在高氣流量下，來流速度可能存在某一臨界值,在該臨界值內(nèi)，速度越大，氣流量越高，減阻效果越好，超過該臨界值,氣泡濃度的增加會加快氣泡的聚集和逃逸，影響了氣泡層的減阻效果。3）計算得到的原型的摩擦阻力減阻率比由試驗換算得出的要稍微大一些，這主要是由于船模試驗時存在波浪的干擾及浮態(tài)的變化,而數(shù)值模擬中沒有考慮自由面的影響，但兩者差異不大。由此可以看出利用FLUENT軟件可以較準(zhǔn)確地模擬氣泡船流場,預(yù)報摩擦阻力、摩擦阻力系數(shù)等參數(shù)，為試驗研究提供參考。3.2.2不同船型在同航速及噴氣址下對減阻率的影響分析在同一來流速度

15、、不同氣流信下，對3種船型的減阻率進行比較，見圖46。圖7原型船底氣體體積分?jǐn)?shù)圖8尾部下壓時船底體體積分?jǐn)?shù)圖-一，O050505O433221%/瓣玉«苞®075'圖9尾部上抬時船底氣體體積分?jǐn)?shù)圖圈4來流速度p=3m/s時改型前后減阻率-AxO0505050433221%/院瑟毯底的分布比原型和尾部下壓的要好，這主要是由于尾部上抬后，船底尾部壓力變?。ㄒ姶讐毫Ψ植紙D12）,導(dǎo)致船底首尾壓差變大,使得氣泡在船底的流動更加順暢。原型與尾部下壓相比，氣泡在船底的降勢要緩，尾部下壓時，氣泡在船底受到水流的阻塞作用，容易從兩側(cè)逃逸出水面。由此可知,尾部橫剖面形狀對微氣泡的分

16、布有一定影響。在腫后底部具有較小斜升角的高速船，氣泡穩(wěn)定性較好,有利于微氣泡減阻。圖1012為3種船型下噴氣時的船底壓力等值線圖。-L05050504332211圖6來流速度Vg=5m/s時改型前后減阻率圖5來流速度v=4m/s時改型前后減阻率圖10原型船底總壓等值線圖（單位：Pa）圖11尾部下壓時船底總壓等值線圖（單位:Pa）圖46顯示：在同航速及氣流景下，改型2（尾部上抬）減阻效果最好，原型其次，改型1（尾部下壓）減阻效果最差。氣泡的減阻效果主要與氣泡層的濃度以及氣膜在物面上的覆蓋范圍有關(guān)。圖79給出了來流速度8=4m/s、氣流員Q=15nrVh時的改型前后船底的氣泡體積分?jǐn)?shù)等值線圖。從圖

17、79可以發(fā)現(xiàn)，尾部上抬時，氣泡在船圖12尾部上抬時船底總壓等值線圖（單位:Pa）分析發(fā)現(xiàn).改型2（尾部上抬）船體尾部的壓力最小，這主要是與船底氣泡的體積分?jǐn)?shù)有關(guān)（見圖9）,由混合密度表達式伽=人伽+人內(nèi)可知，尾部氣體體積分?jǐn)?shù)越大，混合密度就越小,船底壓力也相應(yīng)的越小。對氣泡船而言，噴氣后通過船體底部的微氣泡使水流在船體的尾部形成一個很大的漩渦，該漩渦造成了船體.首部與尾部的壓差阻力的增加，繼而增加了船舶篇:行中的阻力，從而導(dǎo)致減阻效果變差?？梢钥紤]加壓浪板,加壓浪板后大量微氣泡在船尾沒有引起漩渦而被壓浪板直接引導(dǎo)流過船尾，使減阻效果變好。4結(jié)論1）低氣流量下,來流速度越小減阻率越高;高氣流量下

18、,來流速度與氣流量存在一個最佳匹配值。2）船底壓力與船底氣泡的體積分?jǐn)?shù)有關(guān)，氣泡在兩相流中的體積分?jǐn)?shù)越大，混合密度就越小,船底壓力越小，尾部上抬時由于氣泡的浮力，船底氣體體積分?jǐn)?shù)較高,船底壓力較小。3）改型2（尾部上抬）的減阻效果較原型和改型1（尾部下壓）的更好，在腫后底部具有較小斜升角的船舶，氣泡穩(wěn)定性好,有利于微氣泡減阻。參考文獻王家楣.曹春燕.船舶微氣泡減阻數(shù)值試驗研究J.船海工程，2005（2）:21-24.1 董文才，郭日修.平板氣幕減阻試驗研究J.中國造船，1998（5）:73-78.2 王家楣，鄭曉偉，姜曼松.船舶吃水對微氣泡減阻影響的水池試驗研究J.船舶工程,2004（9）:9

19、-12.NumericalSimulationoftheMicro-bubblesResistanceReductionEffectofDifferentCurvesofTransverseSectionalAreaCHENKe-qiang,HUANGLi(SchoolofTransportation*WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063China)Abstract：Forainlandhigh-speedcraft,undertheconditionoftheunchangeddisplacementDandlengthL,alteritscurve

20、oftransversesectionalareaofthestem.TheFLUENTsoftwarewasusedtomodelandsimulatetheviscousflowa-roundthehulltakingaccountintothemicro-bubbles,soastodiscusstheinfluenceofthestemshapeupontheresistancereductionbymicro-bubbles.Thenumericalresultsshowedthatfortheshipwithcomparativelysmallerangleinthebottomo

21、fafter-amidships,themicro-bubblesisstabilityandhelpfulfordragreduction.Keywords：curveofareaoftransversesection；micro-bubbledragreductionnumericalsimulation（上接第19頁）3 賈欣樂，楊鹽生.船舶運動數(shù)學(xué)模型M.大連：大連5王新洲.非線性模型參數(shù)估計理論與應(yīng)用M.武漢:海事大學(xué)出版社，1999.武漢大學(xué)出版社，2002.ModelingofShipManoeuvringMotionBasedonRidgeRegressionLUOWeMin*2,ZOUZao-jian*(1CollegeofMechanicalEngineeringandAu