摘 要

当今世界的环境可以看出，整体的能源消耗及其严重，而在航运业中，船舶阻力的能源消耗就占有很大一部分，因此为了研究出减少船舶摩擦阻力，从而减少能源消耗，论文研究了船体非光滑表面对减阻性能的影响规律，借助计算流体力学仿真软件comsol multiphysics对多种凹坑模型进行了仿真模拟，讨论研究了凹坑尺寸和流体速度对模型减阻效果的影响。同时对凹坑模型导致增阻和减阻的原因进行了考察，通过一系列的计算分析，发现凹坑型的壁面出现漩涡，但是仍在边界层内部并未扩散到中心处加剧紊流，涡流和主流之间的流动性质就会发生变化，两股流之间就会产生类似于滚动摩擦代替滑动摩擦的情形，从而达到减阻的效果。

研究结论表明：当其他参数保持不变时，减阻率随着半径的增大而先增大后减小，而速度对减阻率的虽有影响，却不是线性的。最后论文也提出了改进了的凹坑模型的设计，尤其是在减小整体模型和凹坑尺寸后，其减阻率高达14.3%。 这种凹坑类似于生物表面沟槽结构，论文最后对生物表面减阻原理作出了解释，同时对仿生减阻进行了探讨与展望。

关键词：船体表面减阻；仿生表面减阻；表面凹坑结构

Abstract

The environment of today's world can see that the overall energy consumption is very serious, and in the shipping industry, the energy consumption of ship resistance is a large part. Therefore, in order to reduce the friction resistance of ships and reduce energy consumption, the paper studies the law of the influence of the ship's non smooth surface on the drag reduction performance. The simulation software of computational fluid dynamics simulation software COMSOL multiphysics is used to simulate a variety of pits model. The influence of the size of the pit and the velocity of the fluid on the drag reduction effect is discussed. At the same time, the causes of increase resistance and drag reduction caused by the pit model are investigated. Through a series of calculation and analysis, it is found that the whirlpool appears on the wall of the pit type, but the turbulence is not spread to the center of the boundary layer, and the flow property between the vortex and the mainstream will change, and the two strand of flow will produce the similarity. In the case of rolling friction instead of sliding friction, the effect of drag reduction can be achieved.

The results show that when the other parameters remain unchanged, the drag reduction rate increases first and then decreases with the increase of the radius, while the velocity has an influence on the drag reduction rate, but it is not linear. Finally, the paper also proposes the design of improved dent model, especially after reducing the overall model and dimple size, the drag reduction rate is as high as 14.3%. The pits are similar to the surface groove structure of the biological surface. At the end of this paper, the principle of the biological surface drag reduction is explained, and the bionic drag reduction is discussed and prospected at the same time.

Key Words：Drag reduction on hull surface；bionic surface drag reduction；surface dent structure

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究意义 1

1.2 国内外研究动态 1

1.3研究内容 3

第2章 模拟船体表面凹坑模型设计 4

2.1模拟仿真数据参数 4

2.2模型尺寸的确定 5

2.3软件建模与划分网格 7

2.4 模型的建立 7

2.4.1几何模型建立 7

2.4.2边界条件 8

2.5 划分网格 8

第3章 计算结果与数据分析 10

3.1 基础数据 10

3.1.1速度变化图 10

3.1.2压力变化图 11

3.1.3流线变化图 12

3.1.4湍流动能变化图 13

3.1.5湍流耗散率变化图 14

3.2不同模型减阻率对比 15

第4章 拓展模型研究 19

4.1 模型的建立 19

4.2 模型的各项参数图 20

4.3 模型的数据分析 23

4.4仿生表面减阻原理 24

第5章 总结与展望 25

参考文献 27

致谢 29

第1章 绪论

从当今世界的环境可以看出，整体的能源消耗及其严重，本来地球的可用能源就十分的有限，却有很多的能源都耗散在了摩擦等无用的地方，而真正的有用功很少，因而为了提高能源的使用效率，需要我们通过技术手段去改良装置的损耗，来减少能量的无效消耗。以船舶来讲，船舶在海中航行，大量的能量消耗在了抵抗船体表面与海水的摩擦阻力上，船舶阻力按照物理本质分为摩擦阻力、兴波阻力和粘压阻力,高速船的摩擦阻力占船舶总阻力的40%～50%左右,对于中低速船舶来说,摩擦阻力达到了总阻力的70%～ 80%左右。因此,探索能够有效的减小船舶与海水的摩擦阻力的方法也是船舶减阻一直在努力想达到的目标。而达到节约能源减少能源消耗的一个重要方法就是研究与开发出具有减阻功能的新型船舶，而减阻表面的结构设计是减少能源消耗的一个研究方向，虽然这种阻力是不能消除的，但是我们可以通过改良船体表面结构来达到减少与海水的黏性摩擦力的作用，从而减少能源的多余损耗^[1-2]。

1.1 研究意义

我们通过研究多种船体表面减阻技术来减少流体介质对船体的阻力，可以适应于多种不同特性船舶的减阻需求，从而减少能源的不必要的消耗，也是为了达到绿色船舶的理念。同时研究船舶减阻技术由于减少了能源的消耗也是促进了航运业的发展，更是促进了水路运输业的进程。我们想通过本次的研究学习找出未来船舶更好地减阻方案，为船舶减阻提出关键性意见。

1.2国内外研究动态

周明刚等设计出来一种具有凸包非光滑表面的船壳。利用有限元方法对凸包非光滑表面船壳在水田泥介质中进行数值仿真研究，发现凸包非光滑表面船壳有较好的减阻效果，凸包结构改变流体对船壳的粘性剪应力是其产生减阻特性的重要原因。该设计得到了减阻率达到9.33%的较好减阻效果^[3]。

胡海豹等根据脊状表面流场的特点，通过实验测量和数据模拟的方法对脊状表面微观流场进行了研究，发现与光滑的表面相比，脊状表面的微观流场接结构中存在“二次涡”，近壁区的黏性底层厚度比平板的要厚的多，湍流度显著降低，并且脊状表面表现出明显的疏水性，因而提出基于壁面隔离效应、增大湍流阻尼效应和改变壁面物性效应的减阻机制^[4]。

彭倩等基于仿生学原理和平板边界层的理论，设计凹坑型、凸起型和波浪型等三种非光滑管道壁面造型，通过数值模拟方法找出不同非光滑管道壁面形态对流体摩擦阻力的影响规律，发现凹坑型非光滑管道壁面沿程阻力系数最小，相对于基准管道壁面模型，它的减阻率可提高35.57%，均匀排列方式的管道沿程减阻效果最为有效^[5]。

王绍敏受到了气泡船和仿生表面减阻的启发，通过学习与实践，提出了一种凸包表面结构的船体表面，并且对其进行了模拟仿真计算和减阻性能分析 ^[6]。

吴波受到仿生学的启发，将具有减阻特性的凹槽形态加工再发送机活塞裙部，并通过正交试验分析得出最优凹槽形态，从而得到最佳减阻耐磨性能

严新平、袁成清、白秀琴等学习探讨了船舶减阻的摩擦学原理，整理并且对增加船舶能源的有效利用的方法作出了总结，同时也是论述了摩擦学在船舶减阻方向的作用和研究方向 ^[1]。

Li－mei Tian等通过流体仿真软件对凹坑、凸包和沟槽进行了模拟仿真计算，范闲了其中的减阻原理，更是从多面论述了各种结构减阻的原理 ^[3]。

Gray J和 Kramer M O等通过对海豚的表皮外貌研究发现海豚的皮肤具有自适应性，能够减少海豚表面所受到的阻力。

日本东京大学AkihiroKanai和HideakiMiyata采用密度函数法(MDF)对湍流状态下气泡管道流进行直接数值模拟(DNS),论述了气泡和壁面湍流的相互作用,阐明了包含微气泡的湍流边界层和摩擦减阻的机理^[6]。

irovich等通过实验研究表明,对比于光滑表面，凸起结构的阻力系数较小，同时均匀排列的结构又较大， 受到这种现象的启发，研究发现了一种非常规结构化表面,也就是仿生结构化表面^[6]。

1978年，WALSH等最早对二维沟槽平板流动的湍流减阻机理进行研究，他们对各种类型沟槽进行试验，研究表明：当沟槽无量纲间距小于30，且无量纲高度小于25时，沟槽平板具有减阻效果；1985年，BACHERT等观察并测量沟槽平板的速度分布，同时用边界层动量积分的方法研究得到25%的减阻效果；1992年，BECHERT等通过试验测量得到V型沟槽的最大减阻率为8.2%；2000年，BACHERT等模仿鲨鱼表面微结构生成三维的非光滑表面，可以得到高达9.2%的减阻率。PARK等使用速度测量装置测量平板沟槽的速度分布，并分析沟槽壁面切应力，减阻率为4%。KAZUMI等对沟槽表面喷管进行超音速流动试验，用临界压力减小程度来衡量沟槽的减阻效果，研究表明：当速度达到2.0MA(1MA=340m/s)时，沟槽表面的临界压力减小了29%^[7]。

choi等在沟槽结构减阻试验中发现，因为沟槽内部的间距很小，当流体介质顺着沟槽的方向流动时，会导致沟槽间距小于径向涡旋的宽度，径向涡旋就只能与沟槽的顶端发生小范围接触，所以沟槽结构的存在明显减小了对沟槽内壁的剪切压力。盾鳞结构的存在也是能够阻滞横向涡旋，从而降低表面的摩擦阻力。研究发现，盾鳞结构的存在在减阻的同时也能够阻碍流体分离 ^[8]。

1.3研究内容

在近几年人们对船舶减阻技术的研究来看，在船舶技术上进行了多方向的探索与研究，发现了很多减阻机理与方案。在目前湍流理论有了一定的研究发展之后，人们对船舶减阻原理的研究有了一些更新的进展。目前在船舶减阻的方式上，人们已经探索出了肋条减阻（沟槽法）、仿生减阻法、柔顺壁减阻法、气泡减阻法、壁面振动减阻法、聚合物添加剂减阻法、超疏水表面减阻法等。这些船舶减阻技术对我们的研究起到了重要推动的作用，在本文中我们也是对一些简单的凹坑模型进行模拟仿真计算与讨论^[9]。

论文设计的基本内容是船舶减阻。为了减少船舶航行时船体表面的摩擦阻力，基于非光滑表面减阻机理，将船体表面设计成凹坑球型或凸起球型，利用comsol multiphysics对非光滑表面流场进行模拟仿真计算，分析模型的减阻效果。

而我们的技术方案就是先通过对物理模型和计算域的设计、网格划分、湍流模拟的相关选定等；利用comsol multiphysics对凹坑型或凸起型非光滑表面流场进行模拟仿真，分析其流体阻力特性，从而得到非光滑表面减阻的特性结论。

第2章 凹坑模型设计与划分网格

2.1 模拟仿真船体表面流体流动数据参数

在正常情况下，一般的的杂货船的航行速度在12~15节，也就是6.1~7.5m/s；大型的集装箱船的航行速度在20~28节，也就是10~14.4m/s；大型的核动力航母的最高航行速度能达到32~35节，也就是16.6~18m/s。

因此这次设计，取船的速度为5-10m/s。流体介质为水，密度ρ=998.2kg/m³,动力黏性系数υ=1.00374×10^-6m²/s, 流体流动的方向要使湍流能够充分发展，运行中的船舶表面达到湍流状态的临界雷诺数为 Re=5×10⁵。

设计模型时，取凹坑为圆球形，得到的三维模型如图2.1所示，整体模型的得到过程是先画出一个长方体之后做出球体实体（不是挖去球体），再在球体阵列之后与长方体做布尔运算取交集，这样的模型在仿真时，水是从内部流动流过，计算域在整个模型内部，从而在外表面看是球体突出的地方，从内部流过就是相当于是流体流过了凹坑表面，从而达到对凹坑表面的模拟仿真。

图2.1 三维模型图

然而实际上，在用comsol multiphysics计算三维模型的时侯，由于受到计算机硬件条件以及仿真时画网格和计算时间的限制，做了如图2.2的二维模型来代替图2.1的三维模型来进行模拟仿真计算，但事实上二维的这种模型在大大的减少了网格划分的时间和计算的时间的同时，二维模型也是能够说明流体介质在流过凹坑表面时的减阻效果，最后通过对二维模型分别算出光滑表面和凹坑表面的摩擦阻力，分析得到的数据也是能够说明凹坑模型的减阻效果。

图2.2 二维模型图

如图2.2的二维模型是先画出一个长方形，然后在下表面画出一个圆并且在x方向阵列这个圆，之后经过布尔运算取交集得到如图2.2所示的二维模型。上面一条线代表光滑壁面，下面的直线与圆弧组成的线代表着凹坑表面，左边为层流区，右边为湍流充分发展区。通过软件设置进出口变量对流体介质从左进口到右出口进行模拟仿真计算。

2.2 模型尺寸的确定

在实验中，采用控制变量的方法，为了研究凹坑的减阻效果与流体介质流动速度的关系，在保持凹坑尺寸凹坑间距不变的情况下，即控制单一变量凹坑尺寸，分别取了6组不同的速度进行模拟实验，分别为v=5~10 m/s，同时为了研究凹坑的减阻效果与凹坑尺寸的关系，在保持速度v=5 m/s不变时，取了8组不同的凹坑的尺寸分别为R=0.8~0.1mm以作研究。

具体模型尺寸计算过程如下：

临界雷诺数Re'=5×10⁵

速度v确定时求出湍流区域长度L"= Reυ/v

取实验湍流区域尺寸L'≥l

取实际板长L=2 L'

算出修正后的雷诺数Re= VL/υ

从而得到边界层厚度ϭ=0.37× L' ×Re^-0.2

取模型宽度h≈10ϭ

取凹坑圆球半径Rlt;ϭ

按照上述计算过程，依次计算各个速度下的模型尺寸：

当速度为5m/s时：

因为临界雷诺数Re=5×10⁵, 而Re=VL/υ，所以L"=Reυ/v=0.1m=100mm。此时取L'=0.12m=120mm，L=0.24m=240mm。修正后的雷诺数Re'=1.2×10⁶。边界层厚度ϭ=0.37×L'×Re'^-0.2=2.7mm。取高度h=10ϭ=27mm，要求球的半径Rlt;ϭ，论文选取了多组凹坑尺寸：R=0.8~0.1mm;为了保持单一变量，统一取球心轴间距为12mm。

当速度为6m/s时：

因为临界雷诺数Re=5×10⁵, 而Re=VL/υ，所以L"=Reυ/v=0.083m。此时取L'=90mm，L=180mm。修正后的雷诺数Re'=1.08×10⁶。边界层厚度ϭ=0.37×L'×Re'^-0.2=2.07mm。取高度h=10ϭ=20.7mm，要求球的半径Rlt;ϭ，取R=0.5mm，球心轴间距为12mm。

当速度为7m/s时：

因为临界雷诺数Re=5×10⁵, 而Re=VL/υ，所以L"=Reυ/v=0.0714m。此时取L'=80mm，L=160mm。修正后的雷诺数Re'=1.12×10⁶。边界层厚度ϭ=0.37×L'×Re'^-0.2=1.83mm。取高度h=10ϭ=18.3mm，要求球的半径Rlt;ϭ，取R=0.5mm，球心轴间距为12mm。

当速度v=8m/s时：

因为临界雷诺数Re=5×10⁵, 而Re=VL/υ，所以L"=Reυ/v=0.0625m=62.5mm。此时取L'=80mm，L=160mm。修正的雷诺数Re'=1.28×10⁶。边界层厚度ϭ=0.37×L'×Re'^-0.2=1.78mm。取高度h=10ϭ=17.8mm，要求球的半径Rlt;ϭ，取R=0.5mm，球心轴间距为12mm。

当速度为9m/s时：

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