基于大涡模拟的通气微气泡与湍流边界层作用机理研究

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1、硕士学位论文基于大涡模拟的通气微气泡与湍流边界层作用机理研究LARGEEDDYSIMULATIONOFTHEINTERACTIONBETWEENVENTILATEDMICRO-BUBBLEANDTURBULENTBOUNDARYLAYER郭卫哈尔滨工业大学2017年1月万方数据国内图书分类号：TB126学校代码：10213国际图书分类号：623密级：公开工程硕士学位论文基于大涡模拟的通气微气泡与湍流边界层作用机理研究硕士研究生：郭卫导师：周裕教授申请学位：工程硕士学科：动力工程所在单位：深圳研究生院答辩日期：2016年12月授予学位单位：哈尔滨工业大学万方数据ClassifiedIndex:T

2、B126U.D.C:623DissertationfortheMaster’sDegreeofEngineeringLARGEEDDYSIMULATIONOFTHEINTERACTIONBETWEENVENTILATEDMICRO-BUBBLEANDTURBULENTBOUNDARYLAYERCandidate：GuoWeiSupervisor：Prof.ZhouYuAcademicDegreeAppliedfor：Master’sDegreeofEngineeringSpeciality：PowerEngineeringAffiliation：ShenzhenGraduateSchoolDa

3、teofDefence：December,2016Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology万方数据摘要摘要水中航行体前进过程中，受到的摩擦阻力约为总阻力的80%，严重制约了航行体速度的提升。研究表明，通过在航行体湍流边界层中注入微气泡的方式可以极大程度地降低其表面的摩擦阻力，能够节省大型航舰的能源消耗或提高水下军事武器的打击速度。因此，开展微气泡与湍流边界层之间相互作用机理的研究，对于微气泡减阻技术的进一步应用具有重要的指导价值，对于提升国家的经济实力和军事实力具有重大的意义。本文针对水-气两相流问题的数值模拟进行了深入

4、探索，以大尺度空泡为研究对象分析了不同的湍流模型以及多相流模型在求解水-气两相流问题上的差异，确定了计算微气泡-水的两相流问题所选用的大涡模型与Mixture多相流模型的最佳求解组合形式。针对Reθ1430（基于湍流边界层动量厚度θ的雷诺数）的湍流边界层的数值模拟建立了三维波函数入口扰动方程，对方程参数进行优化与选择，采用大涡模拟的方法计算得到了充分发展的湍流边界层结构。在此基础上，针对微气泡与湍流边界层之间复杂的相互作用开展了一系列数值模拟工作，分别研究了三种不同的入口平均通气体积分数（Φv,in=0.1、0.2、0.3）、+五种不同的入口通气厚度（h=10、50、200、560、850）

5、以及微气泡位于不同位置（平板上方或下方）时对湍流边界层的影响，分析了微气泡减阻效果与这些因素之间的关系。研究表明，微气泡位于平板上方时，减阻的主要机理是湍流边界层中微气泡的存在使得大尺度流向涡破碎变成小尺度流向涡，同时低速条带之间的间距变小，粘性底层厚度增加，从而达到减阻的目的。当通气厚度等于边界层厚度+（h=560）时，微气泡体积分数为0.1、0.2、0.3时的减阻率分别为14.5%、35.5%、48.6%，减阻率随入口平均通气体积分数的增加而增大。当Φv,in=0.1，微气泡+的通入厚度小于边界层厚度（h≤560）时，微气泡在边界层中分布的稳定性差，减阻率不随通气厚度的增加而成正比例增大；

6、但微气泡等于或大于边界层厚度+（h=560、850）时，微气泡在边界层中分布稳定，减阻率分别为14.5%和19.4%，随通气厚度的增加而增大。研究同时发现，Φv,in=0.2时，气泡位于平板下方的减阻率比上方高7.3%，Φv,in=0.3时高5.0%，微气泡位于平板下方时的减阻效果优于位于平板上方的情况，但此情况下微气泡减阻的主要机理是平板近壁区高浓度微气泡的聚集所造成的流体平均动力粘度的急剧减小。关键词：微气泡；湍流边界层；大涡模拟；减阻机理-I-万方数据AbstractAbstractMorethaneightypercentoftheunderwatervehicledragisfric

7、tion,whichpreventsspeedincreaseofthevehicle.Ithasbeenverifiedthatthefrictiondragcanbereducedsignificantlybyinjectingmicro-bubbleintoaturbulentboundarylayer,thiscanhelpcargoshiptoreducetheenergywastean