船舶仿生防污溝槽表面減阻性能數(shù)值模擬分析.pdf

1、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(fù)載”，對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

2、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。

3、>　　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(qiáng)度分布、流場速度矢量等。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。而通過對溝槽表面谷內(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，這些渦對能夠?qū)⒏呒羟?/p>

4、應(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(jìn)行了阻力性能對比計(jì)算，發(fā)現(xiàn)對于同一種溝槽（V形溝槽），當(dāng)由雷諾數(shù)計(jì)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

5、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