非光滑表面微气泡减阻特性的数值研究

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1、硕士学位论文非光滑表面微气泡减阻特性的数值研究NUMERICALSIMULATIONOFFRICTIONDRAGREDUCTIONBYMICRO-BUBBLESFORTHENON-SMOOTHSURFACES李新海哈尔滨工业大学2017年12月国内图书分类号：O359学校代码：10213国际图书分类号：532.5密级：公开工学硕士学位论文非光滑表面微气泡减阻特性的数值研究硕士研究生：李新海：导师：曹华丽：助理教授申请学位：工学硕士：学科：动力工程及：工程热物理所在单位：深圳研究生院：答辩日期：2017：年12月授予学位单位：哈尔滨工业大学：ClassifiedIndex:O359U

2、.D.C:532.5AdissertationsubmittedinpartialfulfillmentoftherequirementsfortheacademicdegreeofMasterofEngineeringNUMERICALSIMULATIONOFFRICTIONDRAGREDUCTIONBYMICRO-BUBBLESFORTHENON-SMOOTHSURFACESCandidate：LiXinhaiSupervisor：Dr.CaoHualiAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：PowerEng

3、ineeringandEngineeringThermophysicsAffiliation：ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence：December,2017Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要航行体自身有限的体积与重量限制了其携带有限量的气体。为满足其长时间的航行过程中能有足够的微气泡维持减小行进中的阻力，低通气量下提升减阻率的研究就显得尤为重要，这样在减小行进阻力的同时也降低了能量的消耗。本文针对平板的表面状态对微气泡的减阻效果进行了探索研究。以带有粗糙表面区

4、域的平板的表面状态为研究对象，利用Weierstrass-Mandelbrot(W-M)分形函数生成了粗糙度值Ra=25、45和75共3种不同粗糙度的粗糙表面的表面轮廓曲线。采用大涡模型和Mixture多相流模型相结合的方式分别对不同粗糙度以及粗糙表面处于不同位置时的平板湍流边界层流动进行了数值模拟。湍流边界层模拟的雷诺数Reθ=1430，并且在计算域的速度入口处添加三维速度扰动方程以缩短边界层内流体流动从层流向湍流转捩的距离，其中扰动方程的扰动参数参考文献中相同雷诺数下光滑平板微气泡数值模拟的参数值。研究结果显示，带有粗糙表面的平板的阻力除了与光滑平板一样随着入口处通气量的增加而

5、减小之外，其阻力的减小量与光滑平板有些许的差别。与光滑平板在相同通气条件下的减阻率相比，带有粗糙表面的平板的减阻率随着入口处通气量的增大呈现先减小后增大的变化趋势，且由于边界层内微气泡的含量的增大，粗糙表面对流场的影响将逐渐减小。粗糙表面在入口处的通气体积分数Φv,in=0.1时的减阻率为15.9%，比光滑平板在相同通气状态下的减阻量高出1.5%；而Φv,in=0.2、0.3时，粗糙表面的减阻率要小于光滑平板下的减阻率。粗糙表面在流场中相对于速度入口的位置从4δ变化到7δ时发现，在通气状态下，粗糙表面距离入口越远，在其下游处平板的减阻效果越好。在Φv,in=0.3时，位于7δ位置处

6、的粗糙表面的减阻量达到51.9%比粗糙表面在4δ时的减阻量高12.1%。与此同时，在Φv,in=0.3，表面粗糙度Ra75粗糙表面的减阻量高于另外两种粗糙度较小的粗糙表面的减阻量，并且此时的减阻率随着粗糙度的增大有继续增大的趋势，但变化的程度较小。关键词：微气泡；粗糙表面；数值模拟；湍流边界层；减阻-I-AbstractAbstractTheunder-watervehiclehasafixedvolumeofcontainertocarrytheairforwhichcanreducethedragwhenvoyagingunderthewater.Itisimportantto

7、studyhowtoincreasethedragreductionratiounderalowairvolumefractionattheinletregionforitcanmaketheunderwatervehiclehasalowerenergyconsumption.Here,wemainstudiedtheeffectofthesurfacestructureonthemicrobubbledragreduction.WeusedtheWeierstra