疏水表面流体流动特性的格子Boltzmann方法模拟

采用格子Boltzmann方法研究了微形貌对固体表面润湿性的影响,在此基础上进一步模拟了具有微形貌的疏水表面通道内的流体流动,从法向速度、剪应力、滑移速度等角度分析了疏水表面的流场特性,揭示了疏水表面滑移流动的产生机制。结果表明,疏水表面的滑移流动是由低表面能作用和微形貌共同引起的。具有微形貌的疏水表面比光滑疏水表面具有更好的减阻效果,原因在于微形貌能够驻留气体,形成的气液自由剪切面加剧了疏水表面的滑移流动,最大滑移速度可以达到主流平均速度的50%左右。     

超疏水性表面上的流体滑移及其减阻应用

文章从边界层理论出发,探讨了超疏水性表面的微观结构模型,分析了流体的滑移长度对粘性阻力的影响机理.通过水槽和水洞的实验,研究了超疏水性表面在不同流动条件下的减阻特性.实验结果表明:在低雷诺数流动下,最大减阻量可达到8.76%,在高雷诺数流动下,最大减阻量可达到2.63%.     

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。     

低表面能船舶防污涂料的疏水结构及防污性能

以有机硅改性丙烯酸树脂为基料,添加纳米SiO2和超细颜填料粉体,制备了低表面能船舶防污涂料.用接触角检测仪测量涂膜表面的接触角,用数码显微镜观察水与涂膜之间的界面,用扫描电镜对涂膜表面形貌进行分析,并在大连湾进行实海挂板试验.结果表明,水滴与防污涂料涂膜的接触角可达149°,接触界面间存在着大量气垫,涂膜表面具有微米-纳米阶层结构,这是涂膜疏水及防止污损生物附着的主要原因.     

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。     

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.     

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.     

微气泡减阻理论分析及构想

提高船舶和气艇的速度具有非常重要的意义,通过引入微气泡的方法可减小船(或艇)在水中的摩擦阻力.这里提出了研究课题的设想,提出了边界条件和控制方程,并对方程进行了初步处理.     

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.     

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。     

基于仿生的非光滑表面防污减阻技术发展现状分析

基于船舶防污减阻的必要性,从仿生角度出发,介绍了仿生表面防污减阻这种新型环境友好型防污方法。重点分析了鲨鱼、海豚、贝壳和甲鱼壳等仿生原型的表面微结构,探索了这些生物表面微结构的防污减阻机理。基于生物表面微结构的防污减阻效应,阐述了现有的水生生物非光滑表面防污减阻技术,最后对仿生表面防污减阻方法进行了展望。     

Frictional drag reduction with air lubricant over a super-water-repellent surface

This paper presents a new technique for reducing frictional drag using a super-water-repellent surface and air-injection (called an SWR & A technique). Its effectiveness was examined by carrying out pressure-loss measurements with a tube of rectangular cross section, along with resistance tests on a horizontal flat plate, a 7.2-m-long tanker model, and a 12-m-long high length-to-beam-ratio model ship. These test results showed that the new technique can significantly reduce the models' frictional drag; for example, the frictional resistance on the SWR surface was reduced by 80% at a speed of 4 m/s and 55% at 8 m/s. Received: October 16, 2000 / Accepted: December 4, 2000     

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。     

Experimental study on microbubble ejection method for frictional drag reduction

The formation of air bubbles ejected through a single hole in a flat plate was observed in uniform flow of 2–10 m/s It was confirmed that the size of the air bubbles was governed by main flow velocity and air flow rate. According to previous experiments, the size of the bubbles is an important factor in frictional drag reduction by microbubble ejection. Usually bubbles larger than a certain diameter (for example 1 mm) have no effect on frictional drag reduction. Three different methods were proposed and tested to generate smaller bubbles. Among them, a 2D convex (half body of an NACA 64-021 section) with ejection holes at the top was the best and most promising. The diameter of the bubbles became about one-third the size of the reference ejection on a flat plate. Moreover, the bubble size did not increase with increasing flow rate. This is a favorable characteristic for practical purposes. The skin friction force was measured directly with a miniature floating element transducer, and decreased drastically by microbubble ejection from the top of the 2D convex shape.     

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。     

电解水式驻留微气泡减阻技术及其可行性分析

在通常的气幕减阻技术中,由于气泡的不断流失容易产生能耗增大、减阻效果下降等问题。该文提出一种利用驻留微气泡的减阻技术。微气泡产生于阵列布置于航行体表面的微凹坑中,并在航行过程中稳定驻留于凹坑处,从而有效降低局部摩阻系数;微气泡通过电解水产生,并可反过来对电解反应进行自适应控制,从而自适应地控制供气量和气泡形状。通过初步数值模拟和实验,对影响气泡驻留的因素进行了定性的分析。设计了一种电解反应自适应控制的凹坑结构,用于气泡形状和电解反应的自动控制。通过数值计算,对一特定条件下驻留微气泡的理论减阻能力进行了讨论。     

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%.     

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。     

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.