基于仿生的船体防污减阻协同作用及其进展

船体防污和减阻一直是研究的热点,几十年来,船舶、制造、材料等领域的许多学者从不同角度对防污、减阻机理与技术进行了广泛研究,已取得了一系列的丰硕成果。但迄今为止,防污与减阻技术的研究仍分属于2个不同的研究领域,如果将微结构仿生防污延伸到微结构的主动仿生减阻,利用仿生表面微结构同时实现防污和主动减阻,构建仿生防污、减阻的一体化技术,这将具有重要意义,可望为解决防污、减阻2种技术分别使用时面临的技术难题提供新的思路。本文提出船体防污减阻协同作用技术的概念,分析它具有的优势,并详细介绍基于贝壳仿生的防污减阻协同作用技术及其实现手段。     

新型微结构船体防污表面的制备与分析

为解决船体表面生物污损现象造成的船舶运行阻力增大、寿命降低等问题。本文研究利用反应离子刻蚀(RIE)技术方法,制备具有特定微结构的304不锈钢防污表面,选用三角褐指藻(P. tricornutum)和小球藻(C. pyrenoidosa)为目的污损生物,对微结构表面开展防污实验。使用接触角测量仪分析微结构表面的浸润性,利用激光扫描共聚焦显微镜(LSCM)和ImageJ软件对微结构表面的防污性能进行评价。结果表明:微结构表面接触角增大至108.5°,为疏水表面;微结构表面对三角褐指藻和小球藻的抑制率达到91.5%和89.8%,显示出优异的防污能力。该新型微结构表面为船舶绿色防污减阻表面的设计提供依据。     

基于低表面能设计的船体表面绿色防污研究进展

基于低表面能材料的防污机理分析,阐述通过改变表面物质和表面结构来制备低表面能材料的两种方法的原理及研究现状,综述生物有机金属的发展历程和研究现状,介绍使用多肽合成技术以及基因工程技术在生物肽上添加疏水基团来改变有机金属疏水性能,提出使用表面微结构手段进一步降低生物有机金属的表面能,为低表面能生物有机金属的研究提供一些新的思路和方法。     

疏水微形貌表面水下减阻研究进展

疏水微形貌表面减阻是一种新型仿生减阻方法,也是国内外减阻研究领域的热点之一。该文在分析天然及人造疏水微形貌表面界面一般特性的基础上,从壁面滑移流动、表面微形貌等角度总结了国内外疏水微形貌表面减阻理论研究的最新成果,然后分类给出了近年来疏水微形貌表面减阻微观及宏观试验的研究进展,最后分析了疏水微形貌表面可能的减阻机理及目前存在的技术问题。     

船用梯形微沟槽表面减阻效应的仿真分析与实验验证

基于微沟槽减阻机理,采用改变船体表面微结构形貌尺寸的方法,以期降低船舶运行中的航行阻力,提高船舶航行效率,节约能源。利用流体软件FLUENT对梯形肋条和梯形沟槽两种微结构表面流场进行模拟仿真,分析了沟槽深宽比h/d1的减阻效果。仿真结果表明,对于梯形肋条,在h/d1时均具有减阻效果,当h/d为0.45时减阻效果最好;对于梯形沟槽,当h/d为0.30、0.36时表现为增阻,h/d为0.45、0.60、0.75时表现为减阻,其中当h/d为0.60时的减阻效果最好。为了验证模拟计算的规律,进行了阻力冲刷实验,实验结果与模拟计算结果的对比分析表明模拟计算与实验结论一致。     

水下微结构功能表面设计及减阻特性研究

研究表明,当物体表面存在微结构时,可以减小阻力,降低能源消耗。本文设计M形和V形两种微结构,使用SST k-ω湍流模型,分析微结构的减阻机理及影响微结构减阻的因素。将V形微结构应用于水下航行器模型,探讨湍流状态下外流域的减阻率和流场变化。结果表明微结构能够减缓湍流猝发过程,降低湍流猝发强度,改善边界层的流态;当微结构夹角为60o、高度小于0.04mm时具有较好减阻作用;V形微结构在水下航行器模型中的减阻率达到1.77%,且减阻率随布置面积增加而增大。     

平板仿生沟槽表面减阻性能数值模拟研究

本文借助Ansys Fluent开展平板仿生沟槽表面减阻性能数值模拟研究,系统分析沟槽形状、几何尺寸等参数对其减阻性能的影响。数值模拟结果表明,平板表面仿生沟槽的存在使得平板表面的剪应力大幅减小,且可以大幅降低平板表面的速度梯度,因而可以起到减阻的效果。另外,通过对比分析3种不同沟槽形状平板的减阻性能发现,V形沟槽的减阻性能较U形和L形减阻性能更优,在后续设计中可考虑V形沟槽。     

舰船表面仿生高分子涂料的防污特性研究

在人类对海洋开发与利用的过程中,舰船是不可或缺的工具之一。为了提高船舶的抗污染能力,使得船舶表面不被海洋生物附着污染,必须通过一定的方法使得附着生物死亡,进而消除这些生物,但是这会对生态环境造成严重的污染。以仿生学视角分析,海洋当中的大部分生物都会根据其表面形貌来对海洋生物附着加以抵制。为展开深入地研究,本文将生物抗附着特性作为切入点,阐述了舰船表面仿生高分子涂料所具备的防污特性。     

船用防污减阻复合功能涂层的制备及性能

水面舰船和水下航行体等海洋装备长期浸泡在海水环境中,会遭受海洋生物的附着和污损。海洋生物污损会破坏船体表面固有形态,使已有的表面减阻技术失效。为了保证表面减阻技术的有效性和长效性,应确保船体表面具有良好的防止海洋生物污损能力。通过在聚合物减阻涂料体系中加入阳离子型聚丙烯酰胺,制备出新型防污减阻功能涂层。深水拖曳水池阻力测试及海洋动态挂板试验结果表明,新型功能涂层具有较好的减阻及防止海洋生物污损能力,可以实现聚合物涂层减阻技术的长期有效性。     

仿生结构化船体表面减阻性能分析

在分析摩擦阻力形成的机理的同时,以减小船舶摩擦阻力为出发点,介绍了在该领域相关学术的发展状况,并在2种理论途径的基础上,分析了气泡船及仿生非光滑表面船的减阻机理.在结合自身实践经验的基础上,提出凸包表面的船体表面结构设计,并对其减阻机理进行了简要的分析.     

气泡减阻技术研究进展

总结气泡减阻技术研究的发展历程,介绍微气泡减阻和大气泡减阻技术研究进展,介绍气泡减阻技术的实船应用情况,指出存在的问题和重点技术研究方向.     

沟槽面减阻效果影响因素及减阻机理的分析

采用雷诺平均N-S方程和RNG k-ε湍流模型计算V型沟槽面的湍流边界层流动和粘性阻力,研究了沟槽尖峰形状和雷诺数对减阻效果的影响规律,初步分析了沟槽面减阻机理.指出:沟槽尖峰处的圆角半径越小其减阻效果越好,沟槽斜面中下部的壁面应力随着圆角半径的减小而降低,但尖峰处的局部壁面应力会随之增大;来流速度对沟槽减阻率的影响很大,对于一种尺度的V型沟槽,存在着一个具有较好减阻效果的来流速度范围,而沟槽面在沿来流方向上的布置位置对减阻效果的影响非常小;沟槽尺度对减阻效果很剧烈;沟槽尖峰处生成的二次涡是产生减阻效果的根本原因,二次涡的强弱与沟槽减阻率的大小紧密相关.     

采用微气泡缩减高速船拖曳阻力(英文)

Ship hull form of the underwater area strongly influences the resistance of the ship.The major factor in ship resistance is skin friction resistance.Bulbous bows,polymer paint,water repellent paint(highly water-repellent wall),air injection,and specific roughness have been used by researchers as an attempt to obtain the resistance reduction and operation efficiency of ships.Micro-bubble injection is a promising technique for lowering frictional resistance.The injected air bubbles are supposed to somehow modify the energy inside the turbulent boundary layer and thereby lower the skin friction.The purpose of this study was to identify the effect of injected micro bubbles on a navy fast patrol boat(FPB) 57 m type model with the following main dimensions:L=2 450 mm,B=400 mm,and T=190 mm.The influence of the location of micro bubble injection and bubble velocity was also investigated.The ship model was pulled by an electric motor whose speed could be varied and adjusted.The ship model resistance was precisely measured by a load cell transducer.Comparison of ship resistance with and without micro-bubble injection was shown on a graph as a function of the drag coefficient and Froude number.It was shown that micro bubble injection behind the mid-ship is the best location to achieve the most effective drag reduction,and the drag reduction caused by the micro-bubbles can reach 6%-9%.     

绿色生物防污剂及控制释放技术研究进展

基于传统防污剂的毒性危害和释放不稳定性问题,聚焦于绿色生物防污剂和防污剂缓控释放技术,总结天然生物防污剂和人工合成防污剂近年来的相关研究进展。微纳米管控释技术、微胶囊包覆技术和温敏水凝胶控释技术在控释方面具有显著优势,综述其最新进展,并给出未来开发绿色防污剂和新型防污剂控释技术方面的相关建议。     

基于CFD的半潜式钻井服务支持平台拖航阻力数值分析

通过分离涡模拟法（detached eddy simulation,DES）对半潜式钻井服务支持平台拖航阻力进行了研究,重点对平台拖航阻力、阻力系数和平台表面附近流场分布等特性进行了研究。研究表明：流方向下平台各结构所受阻力各不相同,下浮体占据总阻力比最大（尤其是90°来流方向下）。阻力系数及升力系数时历曲线变化具有“脉动性”。通过平台表面附近流场分布可以分析涡形成及受力原因,逆方向流及涡之间相互作用使得阻力有所减小。     

通过微气泡控制湍流边界层减阻的研究与进展

本文介绍了微气泡减阻的研究现状，阐述了湍流状态下微气泡减阻机理，对平板、轴对称体和船模等典型微气泡减阻试验做了简述后，总结了微气泡减阻理论研究的成果及相关的数学模型，最后介绍了微气泡减阻在实船上应用的现状和前景。     

Experimental investigation on the drag reducing efficiency of the outer-layer vertical blades

An experimental assessment has been made of the drag reducing efficiency of the outer-layer vertical blades, which were first devised by Hutchins and Choi (Proceedings of ASME FEDSM’02 2002 ASME Fluids Engineering Division Summer Meeting, Montreal) and Hutchins (An investigation of larger-scale coherent structures in fully developed turbulent boundary layers, Hutchins N (2003), PhD thesis, University of Nottingham). The reported drag reduction efficiency, which was as much as 30%, was quantified only in terms of the reduction in the local skin-friction coefficient. The assessment of the drag reducing efficiency did not take the side effects of the inclusion of the blades into considerations. Those effects are the increase in the wetted surface area and the flow disturbances due to the presence of the blades. In the present study, a series of drag force measurements in towing tank has been performed toward the assessments of the total drag reduction efficiency of the outer-layer vertical blades. It was found that for the case of h 4.0 × z 4.0 (h/δ = 1.04), the outer-layer vertical blades array achieved about 9.6% drag reduction without considering the increase in the wetted surface area. A proper scaling method to give collapsed plot of drag reduction efficiency C _F/C _F0 was attempted, but the correlation remained limited. Of the two scaling methods, the outer scaling is found to be relevant one.