微气泡减阻喷气参数换算关系研究

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近二十年来,随着我国经济的持续快速发展,船舶航运业得到了极大的增长,船舶油运能源消耗逐年增高。再加上世界能源需求的日益紧张,新型节能方式的研究受到各国的广泛关注。其中微气泡减阻是一种前景非常光明的节能方式。微气泡减阻通过微气泡改善边界层结构进而达到减小船舶的摩擦阻力。大量文献报道微气泡减阻效果明显,日本学者曾在一艘7800t的海船上进行试验,取得了绝对减阻率5.44%的减阻效果。然而各国学者虽然在船舶微气泡减阻研究领域取得了一些成果,但是除少数实船应用实例以及部分以实船为对象的实验性质的研究外,大多数成果仍然停留在实验室阶段,无法应用于工程实际。制约微气泡减阻技术应用于实船的一个非常重要原因就是,减阻效果所依赖的因素太多,特别是模型实验的结果与实船之间的相似关系没有解决,即优秀的模型喷气参数无法通过简单的缩尺比换算到实船上。模型实验与实船之间的相似关系在武汉理工大学陈克强老师的《863高速气泡船船型研究报告》中有过初步的探讨,但是其相似关系并不完善。本文通过系列简化模型进行数值模拟,找出不同模型(Fr相同、Re不同)之间喷气参数的数值关系,由此来验证并进一步探讨其对应关系,为微气泡实船预报提供理论依据。本文的研究对象为4个模型,分别是2m、4m、6m、8m四个尺度,对每个尺度的模型都使用喷气参数组合来进行数值模拟,从而可以清晰地发现喷气参数对船舶阻力的影响规律。数值计算中不计算自由面影响。本文中考察的喷气参数有三个:①喷气流量Q、②喷气缝的大小b、③喷缝上缘距船底的垂直距离h。通过数值模拟计算,并对计算结果进行,本文得出以下结论:①.当模型尺度和来流速度大小确定时,减阻率随着喷气流量的增加而增大,当喷气流量达到饱和后,再增大喷气流量,减阻率变化不大。②.本文计算的四个模型在饱和喷气流量下,摩擦阻力减阻率都达到了40%以上,绝对减阻率也均在10%以上,由此可见,微气泡的减阻效果和应用前景十分可观。③.微气泡减阻不仅减小船舶的摩擦阻力,还会影响船体表面的压力分布减小艏艉压力差,进而减小船舶的粘压阻力。④.当来流速度一定时,喷缝处的喷气速度对微气泡在船底的运动速度影响很小。即微气泡在离开喷缝后很短的距离内其速度会降低到与来流速度一致(相近)。⑤.当模型尺度、来流速度和喷气流量确定后,喷气参数h和b对船舶阻力的影响很小,故在微气泡减阻相似换算时h和b值可以不考虑换算。⑥当模型尺度和来流速度大小确定后,喷气流量在达到饱和前对船舶阻力的影响很大。傅汝德相似的模型之间饱和喷气流量换算关系为:
摘要第4-6页
Abstract第6-7页
第1章 绪论第10-21页
    1.1 立题背景及依据第10-11页
    1.2 国内外微气泡减阻研究概况第11-14页
    1.3 微气泡减阻机理的探讨第14-19页
    1.4 本文主要研究工作第19-21页
        1.4.1 研究方法第19页
        1.4.2 模型介绍第19页
        1.4.3 研究思路第19-21页
第2章 数值模拟与数值方法第21-32页
    2.1 CFD软件简介第21页
    2.2 模型的建立第21-25页
        2.2.1 二维模型及计算域选取第21-22页
        2.2.2 网格划分第22-24页
        2.2.3 边界条件的选取第24-25页
    2.3 FLUENT参数设置第25-32页
        2.3.1 选择求解器及运行环境第25-26页
        2.3.2 确定计算模型第26-30页
        2.3.3 设置求解器控制参数第30-31页
        2.3.4 计算的收敛标准第31-32页
第3章 4M模型喷气参数变换数值模拟第32-43页
    3.1 数值模拟方案第32-34页
    3.2 四米模型数值模拟及结果分析第34-42页
        3.2.1 确定饱和喷气流量第34-37页
        3.2.2 微气泡在液相中的运动分析第37-41页
        3.2.3 变换喷气参数对阻力影响分析第41-42页
    3.3 本章小结第42-43页
第4章 模型尺度变换数值模拟第43-50页
    4.1 确定各个尺度模型饱和流量第43-45页
    4.2 各尺度下喷气参数对阻力影响第45-46页
    4.3 模型喷气参数Q、H和B值的换算第46-50页
第5章 结论与展望第50-52页
    5.1 结论第50-51页
    5.2 展望第51-52页
致谢第52-53页
参考文献第53-56页
攻读学位期间发表的论文和参加科研情况第56页
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