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原文传递船舶仿生防污沟槽表面减阻性能数值模拟分析

论文题名：	船舶仿生防污沟槽表面减阻性能数值模拟分析
关键词：	船舶工程;仿生防污沟槽;表面形貌;减阻性能;数值模拟
摘要：	船舶在航行过程中会由于污损而加大船舶的阻力。因此采取防污措施，降低船舶的“负载”，对于降低船舶在航行中受到的摩擦阻力，实施航运业的节能减排有重要的意义。因此，一直以来人们就船舶的防污减阻表面进行了大量的理论和试验探究，并形成了防污减阻涂料、减阻剂、低表面能减阻等多种防污减阻技术。但表面涂料一般都对海洋环境存有负面影响，有效工作的寿命短，工程应用时的实效很有限。　　自然界中包含很多具有减阻、防污、自清洁等特性的生物结构和各种功能型表面。论文基于仿生学原理，以自然界中生物（贝壳）的非光滑形态表面为原型，在其具备防污功能的基础上，探讨其阻力性能，选择设计出具有防污减阻协同效应的表面，将其应用于船舶仿生防污减阻表面上。论文首先确定仿生微结构表面的简化形态、尺寸，构建物理模型和几何模型，然后选定数值模拟方法计算光滑平板的摩擦阻力系数，将光滑平板模型的计算结果和经验公式的计算结果进行对比，计算误差均在工程计算的范围之内，确保了论文所选用数值模拟方法的合理性与准确性。　　论文研究了仿生非光滑表面的壁面剪切应力、近壁面区域的速度分布、湍动能和湍流强度分布、流场速度矢量等。计算结果表明沟槽顶部是高剪切应力区域，但其面积小，沟槽谷内区域的剪切应力低，所占面积大，进行积分后，沟槽表面具有减阻效果；沟槽表面能够影响近壁区的速度分布，通过降低近壁区的速度梯度，减小了沟槽表面的壁面剪切应力，进而降低了沟槽面的摩擦阻力。而通过对沟槽表面谷内的速度矢量图进行分析发现，沟槽谷内存在低速的二次涡对，这些涡对能够将高剪切应力区域推离壁面，犹如起到了滚动轴承的作用，将固-液接触的滑动摩擦转变为液-液接触的滚动摩擦降低摩擦阻力。　　对不同雷诺数下的沟槽表面进行了阻力性能对比计算，发现对于同一种沟槽（V形沟槽），当由雷诺数计算出的无量纲尺寸s+和h+都等于16.49时，减阻效果最佳。比较了五种不同简化形态的沟槽表面的阻力性能，研究表明由于L形沟槽表面在约束展向流动和稳定流场方面表现最突出，其减阻效果最佳（减阻率为5.636％），U形、V形、间距V形沟槽表面的减阻效果分别为3.122％、5.135％和1.926％。但L形沟槽表面相比其他表面耐用性较差（易折损），因此U形、V形、间距V形更容易应用于实际情况。　　对于顶角为60°、90°和顶角有倒角的V形沟槽表面的阻力性能进行了计算，结果表明60°顶角的沟槽表面顶角附近的湍动能和涡量值最低，即流体动能耗散量最低，其减阻效果最佳，减阻率为3.405％，顶角有倒角的沟槽表面在阻碍展向流动方面的作用比较弱，阻力性能较差；对于不同沟槽间距的沟槽表面，计算结果表明沟槽间距既不能太大以至旋涡落入沟槽，也不能太小以至表面积增加超过了沟槽效应而增阻。对于横向沟槽的间距，计算结果表明，当间隔d等于s时，取得的减阻效果最好。
作者：	张璇
专业：	轮机工程
导师：	严新平;白秀琴
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文