船舶气泡减阻研究进展

船体表面气体润滑减阻技术在过去近二十年中取得了长足的进步,尤其是实船应用方面。论文全面地回顾了国内外气体润滑减阻研究的历史与现状,将气体润滑减阻技术划分为气泡减阻和气层减阻,重点介绍了气泡减阻的机理、气泡发生方式、气泡减阻理论研究和试验研究。在气泡减阻的实船应用方面,结合国内外成功案例进行分析,提出了我国发展气泡减阻技术需要进一步研究的问题。     

由多孔介质注射的微气泡和气层对减小自航驳船模型拖曳力效果的比较研究（英文）

Ship resistance issues are related to fuel economy, speed, and cost efficiency. Air lubrication is a promising technique for lowering hull frictional resistance as it is supposed to modify the energy in the turbulent boundary layer and thereby reduce hull friction. In this paper, the objective is to identify the optimum type of air lubrication using microbubble drag reduction(MBDR)and air layer drag reduction(ALDR) techniques to reduce the resistance of a 56-m Indonesian self-propelled barge(SPB). A model with the following dimensions was constructed: length L = 2000 mm, breadth B = 521.60 mm, and draft T = 52.50 mm.The ship model was towed using standard towing tank experimental parameters. The speed was varied over the Froude number range 0.11–0.31. The air layer flow rate was varied at 80, 85, and 90 standard liters per minute(SLPM) and the microbubble injection coefficient over the range 0.20–0.60. The results show that the ship model using the air layer had the highest drag reduction up to a maximum of 90%. Based on the characteristics of the SPB, which operates at low speed, the optimum air lubrication type to reduce resistance in this instance is ALDR.     

B.H.型气泡滑行艇阻力模型试验研究

通过艇底开槽的B.H.型气泡滑行艇(简称为B.H.艇)气层减阻的模型试验,初步研究了不同因素(气流量、艇速、开槽方式等)对B.H.艇的气层减阻规律及运动姿态的影响,并对艇底流态进行了较全面的观测.结果表明:当空腔在艇底的投影面积相同时,不同开槽方式对喷气减阻效果的影响不大;航速与气流量均是影响B.H.艇气层减阻效果的重要因素,在饱和气流量下B.H.艇的相对减阻率可达50%以上,绝对减阻率可达15%以上.开槽使得不喷气时的阻力增加较大,但空腔对保持气层的稳定性是相当有利的.     

二维船舶微气泡减阻数值模拟

为了研究来流雷诺数、微气泡浓度等因素对减少船舶摩擦阻力的影响,采用Lam-Bremhorst低雷诺拓展的K-ε模型,应用相间滑移算法,考虑了气-水两相的相间阻力、相间升力、相间压力和相间虚质量力以及气泡对湍流的作用,对二维平底型船舶,在船首底部喷射微气泡,进行了微气泡减阻的数值模拟.结果显示：提高边界层内气泡浓度是减阻的重要因素,而来流雷诺数过高对减阻不利.     

基于OpenFOAM的平板微气泡减阻数值分析

本文基于OpenFOAM两相欧拉求解器(twoPhaseEulerFoam)对二维平板进行微气泡减阻数值模拟。模型直接求解两相N-S方程,同时采用标准k-ε湍流模型,并考虑两相间作用力的影响,通过求解界面输运方程来模拟气泡的聚并和破碎。将数值结果和Madavan[1]试验结果进行对比,验证了模型的可行性。分析了不同流速下气泡直径、通气速度、浮力对减阻率的影响,并且研究了气泡对边界处流体速度分布、气体体积分数的影响。从数值结果可以看出通气速度较大且气泡直径较小时,减阻效率高,并且浮力对减阻有一定影响。     

气泡高速艇波浪中阻力及纵向运动模型试验研究

在高速拖曳水池里,开展了气泡高速艇规则波中阻力及纵向运动模型试验,研究了气流量、艇型、艇底开槽等因素对气层减阻率及艇体纵向运动性能的影响。结果表明:艇底形式对波浪中的气层减阻率有重要影响。艇底设置断阶时,在短波中减阻率为5%,长波中的减阻率达20.5%;艇底开槽时,在试验波长范围内,减阻率可达30%左右;对本身具有良好喷溅抑制作用的艇型,艇底直接喷气减阻率为8%,且不受波长变化的影响。艇底气层对纵向运动性能影响较小,长波中还略有改善;艇底槽深主要影响不喷气时的阻力,对饱和喷气下的阻力影响甚微。     

两相流相互作用下的船模微气泡减阻性能数值仿真

基于两相流理论,对集装箱船船模进行微气泡减阻性能数值仿真研究。分析船模在不同喷气口位置、不同流体含气率、不同喷射速度和不同喷射角度下的流场分布和减阻效果。结果表明:当流体内的微气泡含量过高时,会增大船体的摩擦阻力,流体的含气率为10%～20%时有较好的减阻效果,喷气口在距离球鼻艏后缘约1/3船长附近具有较高的空气覆盖率,喷气口喷气方向垂直向下产生的减阻效果比喷气方向偏向船侧产生的减阻效果要好,且船速较高时可允许含气率较高的流体注入流场并增大减阻效果。     

微气泡层减阻的边界层模型计算

以流体中光滑平板为例,建立微气泡层覆盖平板的气液简单边界层模型,采用平板层流理论,对给定的气泡喷射参数和流体特性参数计算了微气泡层状态下平板的摩擦阻力,结果显示微气泡层对平板有明显减阻效果;最后给出了气体边界层的速度分布和剪切应力分布.     

船舶微气泡减阻数值试验研究

针对二维平底型近似船舶，从船首底部喷气生成微气泡，考虑了气-水两相的相间阻力、相间升力、相间压力和虚质量力以及气泡对湍流的作用，采用Lam-Bremhorst低雷诺拓展的K-ε模型，应用Inter-Phase Slip Algorithm相间滑移算法，在不同来流雷诺数、微气泡浓度下进行了微气泡减阻的数值试验，所得结果与模型试验结果定性符合，可为微气泡减阻技术的推广应用提供参考依据。     

基于大涡模拟的槽道微气泡减阻数值模拟

以大涡模拟和mixture两相流模型计算微气泡对湍流边界层的影响,以达到减小湍流边界层阻力的目的.数值模拟中,在同一水流速度和不同气泡喷射速度下,阻力随着气泡的喷射速度的增加而得到很大的减小,但当气泡量达到饱和时,减阻效果下降.数值模拟结果表明,在湍流边界层中注入微气泡是一种有效的减阻方式.     

两相流相互作用下的船模微气泡减阻性能数值仿真

基于两相流理论,对集装箱船船模进行微气泡减阻性能数值仿真研究。分析船模在不同喷气口位置、流体含气率、不同喷射速度和角度下的流场分布和减阻效果。结果表明：当流体微气泡含量过高时,会增大船体摩擦阻力,流体含气率为10%~20%时,有较好的减阻效果,喷气口位置在距离球鼻艏后缘约三分之一船长附近具有较高的空气覆盖率,喷气口喷气方向垂直向下所产生的减阻效果比喷气方向偏向船侧效果要好,且船速较高时可允许较高含气率流体注入流场并增大减阻效果。     

气层减阻技术关键因素影响研究

气层减阻技术可显著降低船舶阻力、减少燃料消耗和提高船舶航速,是极具潜力的新型船舶节能减排技术。在大型低速船上应用这项技术时,由于航速低的原因,气层难以在船舶底部生成并稳定保持。针对气层减阻技术在低速船上的应用难点,以平板为研究对象,进行气层生成和稳定保持的试验研究,探讨低速状态下气层能稳定保持的关键因素。对喷气方式、喷口形式、气流量等因素展开了系列研究,获得了低速状态下具有较高减阻节能效果的喷气模式(喷气方式+喷口形式)和关键设计参数。以此为设计依据,对船模、百吨级原理样船以及沿海实船等为多种尺度的研究对象进行气层减阻方案设计,获得了较好的减阻节能效果,船模减阻率达47%,百吨级原理样船净节能11%,沿海实船净节能7%以上,验证了寻获的气层减阻关键因素的合理性和有效性,为气层减阻技术在低速船上应用提供技术支撑。     

简易气泡船型不同浮态下粘性流数值模拟研究

采用mixture模型,应用有限体积法,对一简易船型在船首底部喷射微气泡,进行微气泡减阻的数值模拟.计算中考虑气泡与水之间相对运动的影响,分析不同浮态下微气泡对减少船舶阻力的影响,获取了不同浮态时微气泡在船底的分布及流动情况.     

B.H.型气泡高速艇规则波中纵向运动试验研究

在高速拖曳水池里开展了B.H.型气泡高速艇静水阻力及规则波纵向运动模型试验,研究了气流量、航速、波长、波高等因素变化对B.H.艇波浪中阻力、垂荡、纵摇、垂向运动加速度的影响。探讨了波高变化对饱和气流量的影响。研究结果表明:静水中B.H.艇相对减阻率可达36.25%,绝对减阻率可达20.79%,迎浪规则波中相对减阻率可达32.3%,与静水减阻效果基本相当,波长变化对减阻率的影响甚微。气层并未导致纵向运动性能的恶化,相反在一定航速与波长范围内,艇底气层能改善垂荡与纵摇运动;饱和气流量下,阻力、垂荡、纵摇及重心垂向运动加速度随波高呈非线性变化,航速增大非线性增强,波长增加非线性降低;波浪中饱和气流量随波高呈非线性变化。     

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%.     

航行姿态对船底气层稳定性影响的数值研究

为揭示气泡船不同航行姿态下的气层稳定性,采用RANS方程与VOF模型相结合的方法,构建了大型平底气泡船粘性流场数值计算模型,并对该模型进行了验证。分析了航行横倾角、航行纵倾角对气泡船凹槽中气层形态及稳定性的影响,数值研究结果表明,凹槽深度与宽度之比为h/B时,存在一个临界横倾值arctan(h/B),当横倾角小于该值时可形成稳定的船底气层;横倾角大于该值时船底气层出现破碎现象,且横倾增加,破碎现象加重;较大的船体尾倾角会使气层发生破碎,对气层的稳定性不利,在航行过程中应尽量避免。     

近无阻尼态下柔管自激振动减阻效果的实验研究

为寻求具有减阻效能的流体管路输送技术,采用双重管结构,在对柔管壁外侧分别加以几乎与管内压力相平衡的水及空气的条件下,对柔管的自激振动减阻效果进行了实验研究。研究结果表明:管的壁厚越小,自激振动的减阻率越大;管壁外为压力空气时,阻尼较小,自激振动减阻率较大,在雷诺数Re约为1.75×104时,壁厚为2 mm、3 mm及4 mm柔管的自激振动减阻率依次约为12%、10%、9%。从流体力学上为设计高效的流体输送技术提供一种新视野。     

医疗保健用超声波雾化器

一种新型超声波雾化器最近在船舶总公司上海七二六厂研制成功。该仪器经试用证明效果极为良好。超声雾化的理论依据是:超声波发生器的辐射面在液体(水)中强烈振动时,会从振动面发生无数细小气泡(小气泡的直径在1.7～25微米之间),小气泡喷射于空气中,形成雾状化气体。超声波雾化器能广泛用于医疗事     

微气泡流的数值模拟及减阻机理分析

本文采用k-ω湍流模型,进行微气泡流动的数值模拟.在数学模型中,将气泡流作为混合物的流动处理,同时考虑了气泡与水的相对运动.应用该模型,计算了不同气泡直径及喷入速度、不同主流速度下某三维回转体周围微气泡分布及其阻力变化,计算结果与已发表的试验研究的结论相当吻合.对计算结果的分析表明,微气泡减阻的关键是生成足够小的气泡并使之尽量附着在物体表面附近以获得较高的空隙率.     

基于转盘测阻法的天然乳胶涂层减阻特性研究

利用转盘测阻法对天然乳胶涂层的减阻特性进行探究,确定雷诺数和柔性系数对涂层减阻效果的影响。利用喷涂法将天然乳胶和氨水混合溶液喷涂于转盘上,制成一种柔性涂层,并通过密度测定、硬度测定、力学性能测试和动态热力学分析等试验方法对涂层的物理性能与基本力学性能进行测定。试验结果显示,天然乳胶涂层密度为950 kg/m³,与水的密度接近,并且该涂层具有弹性模量低、撕裂强度大,断裂伸长率大的优点。采用转盘测阻法对涂层阻力进行测试,结果显示,当涂层厚度为0.2 mm、转速为100 r/min时达到最大减阻率15%,因此可断定天然乳胶涂层具有良好的物理机械性能,其减阻效果与水流状态及自身柔性存在一定关系,在特定情况下可实现良好的减阻效果。