高速艇尾部横剖面面积曲线变化对气泡减阻效果影响的数值模拟.docx

1、Vol38No.6Dec.2009DOI：10.3963/j.issn.1671-7953.2009.06.009高速艇尾部横剖面面积曲线变化对气泡减阻效果影响的数值模拟陈克强，黄丽（武汉理工大学交通学院,武汉430063）摘要:对一内河高速艇，在保证排水量D及船长L不变的条件卜，改变其尾部横剖面面积曲线形状，利用CFD商业软件FLUENT进行建模订算，模拟微气泡作用下船体周围的粘性流场，讨论尾部形状变化对气泡减阻效果的影响,计算结果表明，在中后底部具有较小斜升角的船舶,气泡稳定性好有利于微气泡减阻.关键词:尾部横剖面面积曲线;气泡减阻;数值模拟文章编号:1671-7953(2009)06-0

2、032-05中图分类号:U661.31文献标志码：A图中A为各站横剖面面积,Am图1改型前后横剖面面积曲线图R变小R变大为最大剖面面积。微气泡减阻的技术原理是利用水与空气的密度、粘度的差别，在船底充入空气,形成一层薄的气液两相混合流，通过混合流密度、粘度以及运动模式的改变，减少船体的摩擦阻力。由于两相湍流流动的复杂性，微气泡导致摩擦阻力减少的准确机理还不甚清楚。但有关实验研究报告指出，减阻效果除了与气泡的直径、气泡体积浓度、气膜覆盖的湿面积等因素有关外，还与气压、流量、速度、气泡层厚度以及气膜在物面上的覆盖范围有关。高速艇横剖面面积曲线的形状，特别是尾部形状对于快速性能有着重要影响。一般来说，

3、速度越高，为有好的阻力性能，尾部越丰满;但是，丰满的尾部会导致螺旋桨直径受限或存在较大的轴线纵倾角。为了增大桨的直径或减小轴线角度，也可以采取船体尾部上抬，以压浪板控制航态的办法获得较好的快速性能。因此，考虑采用FLUENT软件模拟气泡船三维流场，探讨尾部横剖面面积曲线的变化对气泡减阻的影响，为气泡船船型的设计和改良提供参考园。1物理模型叱常对象为内河高速艇，在保证排水址D及船长L不变的条件下，同时变化船宽B及吃水T,改变其尾部横剖面面积曲线，改型前后模型的主要参数见表1。表1模型主尺度模型排水量/t设计水线长/m设计吃水/m原型0.05562.730.0923改型1（尾部下压）0.05562

4、.730.0869改型2（尾部上抬）0.05562.730.0977改型前后的无因次横剖面面积曲线见图1。收稿日期：2009-02-10修回日期:2009-06-11基金项目：国家“863”项目（2006AA11Z223）。作者简介:陈克强.（1955-）.男，大学，副教授。研究方向:船舶水动力性能。E-mail:ckq5505船体左右对称，故以中纵剖面为对称面，取一半的船体为模拟对象。选用长方体计算域:纵向（X轴方向）为5倍的船长，横向（Y轴方向，距船中的距离）为1倍船长，垂向（Z轴方向，距水线面的距离）为1倍船长；人口距船首1倍船长，出口距船尾3倍船长。为了便于网格划分，将计算域2数学模型

5、微气泡流动属于微气泡与水的混合两相流动。微气泡在水中受到不同作用力的作用，气泡在运动中的变形、破裂、聚并以及微气泡群的影响等使流动问题十分复杂。为了简化模型，不考虑自由液面影响，认为湍流为连续相，湍流以及湍流扩散和输运均为各向同性;并且假设微气泡不溶于水，即微气泡和水之间无质量交换;微气泡在运动过程中表面张力均匀，体积大小不变。2.1数值方法计算不喷气状态时，选用标准全£湍流模型及标准壁面函数,有利于计算的收敛;考虑重力作用;速度压力耦合方程采用半隐式算法，采用标准压力离散格式，一阶体积分数离散格式，其余均采用精度高的二阶离散格式。喷气状态下，采用mixture混合相模型，其中水为基

6、本相，微气泡为第二相，湍流模型采用标准的&£两方程模型，考虑速度滑移和体积力的作用，速度与压力耦合使用改进的半隐式算法，离散格式的选取中压力使用体积力加权格式，其余均为二阶迎风格式。2.2边界条件喷气方式采用缝喷,喷口在7#理论站，距船首0.755m,缝宽0.5mm,气泡直径为0.01mm,入口体积比为1。来流进口和喷气口都采用速度入口边界条件，出口采用出流边界条件.船体表面选用壁面边界条件，并且满足不可滑移边界条件,其余边界均选用对称边界条件。2.3控制方程2.3.1混合流体的连续性方程房0）+V（伽2=舟式中:伽混合密度，伽=人佝十人|0«；4混合质量平均密度，

7、（7b何Vw）/pm；r体积分数,八+*=1,其中：b、w气泡、水；m由气泡或用户定义的质虽源的质量传递。2.3.2混合流体的动量方程V（伽44）=-Vp+V“m（V-Vm+nVVmFl+g+V-（。甲沙心*）式中:叫第k相的体积分数；pk第&相的密度；n相数；F体积力；收混合粘性；Vdr.i第为相的飘移速度；g重力加速度。2. 3.3气泡的体积分数方程*（appp）+V,（aPpVm）=V（am%p）式中:op微气泡的体积分数；外微气泡的密度；Vdr.p微气泡的飘移速度。3计算结果及分析1不喷气状态对3个模型，分别计算来流速度u=3、4、5m/s时的粘压阻力、摩擦阻力及其系数。在排水

8、址D及船长L不变的情况下，船体的湿表面积不变，因此摩擦阻力变化不大,尾部横剖面曲线形状的变化主要体现在对粘压阻力的影响上，粘压阻力见图3。图3改型前后的粘压阻力图3改型前后的粘压阻力31975319752211II1从图3可以看出改型2（尾部上抬）的粘压阻力最小，其次为原型，改型1（尾部下压）最大。横剖面面积曲线对阻力的影响主要体现在浮心纵向位置、平行中体的长度和位置及横剖面面积曲线两端的形状。由于计算对象无平行中体,故只需要考虑浮心纵向位置和横剖面面积曲线尾端形状变化的影响。在一定的梭形系数下，浮心纵向位置Xb表示了船艇的排水体积的纵向分布，即反映了船艇肿前和肿后的相对丰满度。浮心纵向位置的

9、改变对船体湿表面积改变不大，故对摩擦阻力影响很小，但对剩余阻力影响较大。当Xb在肿前时，船首丰满，会使兴波阻力增加，尾部瘦削可降低漩涡阻力。当Xb在肿后时则产生相反的结果。由于仅计算船体的粘性阻力,不涉及兴波阻力，因此浮心偏前的粘压阻力小，即尾部上抬的粘压阻力小。3.2喷气状态3.2.1航速和喷气量对减阻率的影响分析在喷气状态下，对不同来流速度w=3、4、5m/s与4种不同喷气最Q=5、10、15、20m3/h的组合共36种状态进行数值计算，得到3个船型在不同速度、不同喷气量下的摩擦阻力的相对减阻率，见表24。表2原型计算结果来流速度流量Q/(m,s_,)/(m3h-1)XqXlO3XrXlO

10、3w%璧摩擦阻力减阻率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（尾部下压）计算结果来流速度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）计算结果来流速度v/（m*s-1）流量Q/(n?h-1)X。X103X.X103汹/

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将原型的计算结果与由试验结果换算出的摩擦阻力减阻率进行比较，其中摩擦阻力相对减阻率定义如下：Xf=（XLX"/Xf式中:Xf、X”一一不喷气和喷气状态下

13、计算的船体摩擦阻力系数。试验摩擦阻力减阻率=实验中总阻力减阻率/（采用ITTC平板公式估算出来的摩擦阻力系数/实验所得的总阻力系数）。从表24可以看出：1）同一来流速度下，摩擦阻力减阻率，随气流量的增大而增大，直至饱和气流量，与文献3所报告的模型试验结果一致。2）在低气流最下，即气流最为5.10m3/h时，随着来流速度的增加,减阻率降低。这是因为在小流量下,来流速度的增大会加快气泡向后的扩散,从而降低了船底气泡浓度；高气流量下，即当气流量大于10m3/h时,速度从3m/s增加到4m/s,减阻率也在增大,气流量的增加，使得来流对气泡的附带效果减弱，气泡层浓度增加，覆盖面积增大，从而有更好的减阻效

14、果；当速度由4m/s增加到5m/s时，减阻率反而下降，但仍然大于3m/s时的减阻率。在高气流量下，来流速度可能存在某一临界值,在该临界值内，速度越大，气流量越高，减阻效果越好，超过该临界值,气泡浓度的增加会加快气泡的聚集和逃逸，影响了气泡层的减阻效果。3）计算得到的原型的摩擦阻力减阻率比由试验换算得出的要稍微大一些，这主要是由于船模试验时存在波浪的干扰及浮态的变化,而数值模拟中没有考虑自由面的影响，但两者差异不大。由此可以看出利用FLUENT软件可以较准确地模拟气泡船流场,预报摩擦阻力、摩擦阻力系数等参数，为试验研究提供参考。3.2.2不同船型在同航速及喷气址下对减阻率的影响分析在同一来流速度

15、、不同气流信下，对3种船型的减阻率进行比较，见图46。图7原型船底气体体积分数图8尾部下压时船底体体积分数图-一，O050505O433221%/瓣玉«苞®075'图9尾部上抬时船底气体体积分数图圈4来流速度p=3m/s时改型前后减阻率-AxO0505050433221%/院瑟毯底的分布比原型和尾部下压的要好，这主要是由于尾部上抬后，船底尾部压力变小（见船底压力分布图12）,导致船底首尾压差变大,使得气泡在船底的流动更加顺畅。原型与尾部下压相比，气泡在船底的降势要缓，尾部下压时，气泡在船底受到水流的阻塞作用，容易从两侧逃逸出水面。由此可知,尾部横剖面形状对微气泡的分

16、布有一定影响。在肿后底部具有较小斜升角的高速船，气泡稳定性较好,有利于微气泡减阻。图1012为3种船型下喷气时的船底压力等值线图。-L05050504332211图6来流速度Vg=5m/s时改型前后减阻率图5来流速度v=4m/s时改型前后减阻率图10原型船底总压等值线图（单位：Pa）图11尾部下压时船底总压等值线图（单位:Pa）图46显示：在同航速及气流景下，改型2（尾部上抬）减阻效果最好，原型其次，改型1（尾部下压）减阻效果最差。气泡的减阻效果主要与气泡层的浓度以及气膜在物面上的覆盖范围有关。图79给出了来流速度8=4m/s、气流员Q=15nrVh时的改型前后船底的气泡体积分数等值线图。从图

17、79可以发现，尾部上抬时，气泡在船图12尾部上抬时船底总压等值线图（单位:Pa）分析发现.改型2（尾部上抬）船体尾部的压力最小，这主要是与船底气泡的体积分数有关（见图9）,由混合密度表达式伽=人伽+人内可知，尾部气体体积分数越大，混合密度就越小,船底压力也相应的越小。对气泡船而言，喷气后通过船体底部的微气泡使水流在船体的尾部形成一个很大的漩涡，该漩涡造成了船体.首部与尾部的压差阻力的增加，继而增加了船舶篇:行中的阻力，从而导致减阻效果变差。可以考虑加压浪板,加压浪板后大量微气泡在船尾没有引起漩涡而被压浪板直接引导流过船尾，使减阻效果变好。4结论1）低气流量下,来流速度越小减阻率越高;高气流量下

18、,来流速度与气流量存在一个最佳匹配值。2）船底压力与船底气泡的体积分数有关，气泡在两相流中的体积分数越大，混合密度就越小,船底压力越小，尾部上抬时由于气泡的浮力，船底气体体积分数较高,船底压力较小。3）改型2（尾部上抬）的减阻效果较原型和改型1（尾部下压）的更好，在肿后底部具有较小斜升角的船舶，气泡稳定性好,有利于微气泡减阻。参考文献王家楣.曹春燕.船舶微气泡减阻数值试验研究J.船海工程，2005（2）:21-24.1 董文才，郭日修.平板气幕减阻试验研究J.中国造船，1998（5）:73-78.2 王家楣，郑晓伟，姜曼松.船舶吃水对微气泡减阻影响的水池试验研究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页）3 贾欣乐，杨盐生.船舶运动数学模型M.大连：大连5王新洲.非线性模型参数估计理论与应用M.武汉:海事大学出版社，1999.武汉大学出版社，2002.ModelingofShipManoeuvringMotionBasedonRidgeRegressionLUOWeMin*2,ZOUZao-jian*(1CollegeofMechanicalEngineeringandAu