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原文传递基于改善船舶首尾流场特性的减阻研究

论文题名：	基于改善船舶首尾流场特性的减阻研究
关键词：	船舶工程;引流减阻;流场特性;开孔参数;数值计算
摘要：	随着新材料、新工艺的不断出现,船舶节能减阻技术的研究得到迅速发展。对于绝大多数船舶,粘性阻力在总阻力中所占比重最大。随着国际远洋运输的主力船型向着大型化、专业化、集成化的方向发展,航运业对大方形系数船舶需求旺盛,对此类船舶粘性阻力的减阻研究得到学者广泛关注。前缘引流减阻技术源于流体力学中的钝体绕流技术,通过在物体前缘高压区域开通一条贯穿前后的通道,将水流引至物体后部,从而实现减小粘性阻力的目的。其在船舶上减阻应用的理论基础:1)开孔引流降低了船舶艏艉的压力差,减小了形状阻力;2)开孔引流改变了船舶艏艉区域的流场分布,推迟了层流向湍流的转变,减小了摩擦阻力。　　本文依托国家自然科学基金项目“前缘引流和微气泡综合减阻的实验研究”(NO.10972167),采用数值计算的方法,通过在船舶艏部高压区开孔引流对船舶粘性阻力进行减阻研究,旨在得到有效减阻时的开孔参数设置规律,为开孔引流减阻技术在船模和实船上的应用提供参考。本文研究对象选择了一条双尾无球艏的中速船,采用模型试验的缩尺比(λ=8.3)进行建模。在原型数值计算中尝试了不同湍流模型、不同网格类型和不同离散格式,目的是得到与试验结果吻合的数值计算结果以及合理的数值计算参数设置。在开孔引流数值计算中讨论了不同开孔形状、不同开孔尺寸及不同出流位置对船舶阻力及周围流场分布的影响,研究开孔引流的减阻规律。在开孔引流和微气泡综合作用的数值计算中简要讨论了微气泡在船底的分布及船体阻力和周围流场的分布变化情况。本文数值计算中均不计自由面影响,假定船舶处在正浮、无偏航状态,仅研究船舶粘性阻力。在对模型数值计算结果分析的基础上,得到如下结论:1)针对本文模型计算采用SSTκ-ω湍流模型能够得到精度较高的模拟结果;对动量、湍动能的离散采用二阶迎风格式,对比耗散率的离散采用一阶迎风格式,计算的稳定性更好。2)船舶艏部存在明显的高压区;艉部的尾轴处存在流线分离现象,易形成尾涡,造成增阻,这为开孔引流技术减小形状阻力的研究提供了参考。3)相同引流面积、相同出流位置下,模型粘性阻力系数增加值从小到大依次为:圆孔(中间)引流模型、圆孔(侧面)引流模型、方孔引流模型;相同引流面积、相同开孔形状下,模型粘性阻力系数增加值从小到大依次为:出口位于(1＃~2＃)站、出口位于(3＃~4＃)站、出口位于尾封板。4)相同入流口面积,相同出流口位置下:当出流口面积大于入流口面积时,粘性阻力系数增加值随出流口面积的增大而增大;当出流口面积小于入流口面积时,粘性阻力系数增加值随出流口面积的减小而减小,达到某一平衡点后,粘性阻力系数增加值将增大。5)与原型计算比较,开孔引流对尾部伴流场有一定改善作用,使伴流分布更加均匀,平均伴流分数有所增大,对船舶推进有益。6)开孔引流和微气泡综合作用下,模型能够实现有效减阻,同时船舶推进效率得到提高。
作者：	张胜利
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	陈克强
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2011
正文语种：	中文