![点击分享此内容可以赚币 分享](/master/images/share_but.png)
潜航器微气泡减阻数值模拟方法研究.pdf
《潜航器微气泡减阻数值模拟方法研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《潜航器微气泡减阻数值模拟方法研究.pdf(11页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、近年来微气泡减阻技术应用于水面舰船的相关研究取得重要进展,许多舰船已经采用了此类技术。然而该技术在潜航器上的应用整体上仍处于理论分析和试验测试阶段。以回转体潜航器简化模型为研究对象,利用多孔介质来简化喷气小孔,并结合不可压缩水体和可压缩理想气体的流体体积(VOF)方法,建立了Realizable k湍流计算模式。通过拖曳试验验证了多孔介质等效喷气小孔的合理性和数值模式的准确性,结合试验和数值结果探究了微气泡减阻技术对潜航器航行阻力的影响。数值结果显示,气泡对潜航器尾流低速区的改变使尾部压力分布产生变化从而导致压差阻力增高。同时气泡可以显著降低其覆盖区域的黏性阻力。并且随着来流速度的提高,气泡覆
2、盖范围扩大,黏性减阻率持续增加。进一步地,建立了加长改进模型,数值模拟结果表明,微气泡减阻技术不仅能大幅减小黏性阻力,还能有效减小模型总阻力。关键词:微气泡减阻;潜航器;拖曳试验;Realizable k湍流模式;多孔介质中图分类号:U664.5 文献标志码:A DOI:10.16483/j.issn.1005-9865.2023.04.001Numerical study of micro-bubble drag reduction on underwater vehicleZHAN Jiemin,LU Shangping,LI Yihua,LI Yutian,HU Wenqing(Depa
3、rtment of Applied Mechanics and Engineering,Sun Yat-sen University,Guangzhou 510275,China)Abstract:In recent years,important progresses have been made in the research related to the application of micro-bubble drag reduction technology to ships,and many kinds of ships have adopted such technology.Ho
4、wever,the application of this technology to underwater vehicles is still at the stage of theoretical analysis and experimental testing.In this research,the simplified models of rotary underwater vehicle are studied,and the Realizable k turbulence model is established with volume of fluid(VOF)method
5、combining in-compressible water and compressible ideal gas.The validity of using porous media to equate the small air holes and the accuracy of the numerical model are verified by the dragging experiments,and then the experimental and numerical results are used to investigate the effect of micro-bub
6、ble drag reduction technology on underwater vehicles resistance.Numerical results show that the change of the wake pressure distribution due to the influence of bubbles on the low velocity region at the wake flow zone results in a higher differential pressure resistance.At the same time,the viscous
7、resistance in the covered area by the bubbles is significantly reduced.And the bubble coverage area expanding with the increased incoming velocity makes the viscous force reduction rate increased continuously.Further,an elongated modified model is established and the numerical simulation results sho
8、w that the micro-bubble drag reduction technique could not only significantly reduce the viscous drag but also effectively reduce the total drag of the model.Keywords:micro-bubble drag reduction;underwater vehicle;dragging experiment;Realizable k turbulence model;porous media在走向深海的总体战略思想指导下,水面舰船及潜航器
9、(如水下探测器、鱼雷和潜艇等)的发展趋势是文章编号:1005-9865(2023)04-0001-11收稿日期:2022-08-31基金项目:国家重点基金资助项目(6140206040301);深圳市科技计划资助项目(JCYJ20220818102012024)作者简介:詹杰民(1963),男,广东饶平人,教授,主要从事流体力学相关研究。E-mail:通信作者:李雨田(1991),男,湖北黄冈人,博士后,主要从事计算流体力学方面研究。E-mail:第 41 卷 海 洋 工 程具有更高航速和更远航程。为了满足上述需求,设法减小航行阻力无疑是最为直接有效的方式。舰艇在航行过程中,受到的阻力一般由兴
10、波阻力、压差阻力和黏性阻力3个部分组成,通常占主导地位的是黏性阻力1。其中水面舰船受到的黏性阻力通常占总阻力的50%左右,而潜航器的黏性阻力占比最高可达70%2。因此如何减小航行器受到的黏性阻力便成为水面、水下减阻技术领域的重点研究方向,其中微气泡喷射减阻日益成为高速航行器黏性减阻的常用方法。Latorre等3采用微气泡垂直喷射方法对带有非湿润涂层的高速模型进行了模型试验。结果表明涂层的减阻率为4%6%,带有涂层的微气泡总减阻率为4%11%。Wu等4采用试验观察和测量技术,讨论了液体湍流边界层与群聚微气泡之间的相互作用影响,并比较了两种孔隙率下的减阻效率。Zhao 等5采用OpenFoam开源
11、软件研究了轴对称结构的两相微气泡流动,结果表明边界层内的气流速度和空气体积分数对微气泡减阻起到重要作用。Mohanarangam等6采用欧拉欧拉双流体模型研究了微气泡注入湍流边界层的减阻现象,对减阻的复杂机制进行了仔细剖析,并研究了由随机碰撞和湍流冲击引起的气泡聚结和破裂的影响。Xu等7采用直接数值模拟方法,对平均体积分数为8%的湍流通道流进行了系列研究,结果表明即使是相对较大的气泡,也会出现初始瞬态减阻现象而相对小的球形气泡会产生持续的减阻效果。Li等8提出了一种制造柔性皮肤状装置的方法,用于产生和捕获微气泡以减小水下阻力,并进一步建立了多相计算流体力学模型,分析了钟形孔的减阻性能。相比于圆
12、柱形通孔,钟形孔的减阻效果提高了34%。Zhao等9采用欧拉欧拉双流体模型和流体体积(VOF)模型,研究了轴对称物体的三维空气喷射减阻。对于微气泡减阻(MBDR或BDR)区域,空气层减阻(ALDR)区域以及两者之间的过渡区域,Zhao等9建立了相应的模拟方法,结果与试验数据吻合良好。Sindagi等10综述了船舶微气泡减阻的研究现状,认为阻力的降低取决于孔隙率、注入气泡的聚结和破裂、水的盐度和所用气体的类型、注入气泡的水深等,还采用Star CCM+软件,针对不同流速、不同的含气率和注入点,对微气泡减阻进行了三维数值研究。Rawat等11基于连续相欧拉方法和离散相拉格朗日方法,数值研究了由微气
13、泡组成的分散相与湍流边界层流动之间的相互作用。目前关于微气泡减阻的研究大多基于简单的平板模型或者船模,针对水下潜航器的试验和数值研究仍较为缺乏。Wu等12利用k湍流和多相流模型模拟计算了不同微气泡直径对水下回转体模型周围微气泡群分布状态和阻力的影响,认为产生的微气泡平均直径足够小时可以更好地附着于物体表面以提高气膜覆盖效果。郭峰等13基于Fluent软件研究了回转体潜航器微气泡减阻效率,其结果表明微气泡群可使试验模型局部黏性阻力降低80%,总阻力降低30%。黄磊等14设计制作了一种表面布有微孔充气阵列的回转体试验模型,并利用高速摄影仪器及动态测力系统进行了系列水洞试验。结果表明模型周围气液混合
14、流场可分为稳定段、脉动段和回流段3个区域,而随着充气量的提高,稳定段和脉动段空隙率逐渐增加,回流段分离点渐渐向后移动,直至临界充气量饱和点。宋武超15基于水洞试验开展了不同流速和通气量下微气泡流形态及聚合物与微气泡减阻特性的试验研究。随后Song等16,宋武超等17在湍流水洞中开展了系列轴对称模型微气泡减阻试验研究,其试验结果表明:微气泡尺寸分布符合高斯分布;当空气充入速度较高时,均匀分散的微气泡流会凝聚成一个连续的气膜,此时的减阻效率较大;直径较小的微气泡具有更好的减阻效率。文中的回转体潜航器拖曳试验中使用喷气小孔在模型前端产生微气泡,利用试验数据和气泡流的图像来验证使用多孔介质等效喷气小孔
15、的合理性,并使用数值模拟进一步探究微气泡减阻技术对潜航器阻力的影响规律。1试验研究潜航器基于各自工作环境和目标功能的差异,在局部有着不尽相同的外形设计,但共同特点为头部近似于半球形、中部近似于圆柱体、尾部为流线型锥体,通体狭长且近乎于轴对称的结构。因此采用如图1所示的回转体潜航器简化模型作为研究对象。该模型由3个模块化设计的部分组成:前盖体、中艇体与后艇体,三者之间的相互对接由特殊设计的防漏气螺纹接口实现。其中前盖是一个直径80 mm的半球壳,其上2第 4 期詹杰民,等:潜航器微气泡减阻数值模拟方法研究有两圈呈放射状均匀排布的用于喷射气体的小孔(共72个),孔径为 0.4 mm;中艇体外形为一
16、个直径80 mm、长100 mm的圆柱体;后艇体则为一个底部直径80 mm、高60 mm的流线形锥体,3个部分的壁厚均为6 mm。模型主体结构长度为200 mm,加上充气尾管全长为220 mm,尾管的内径为4 mm、外径为8 mm。模型内部设计有两层隔断肋板,以保证结构的整体强度,同时肋板上留有相应的通气孔洞,便于从充气尾管供入的压缩空气能顺利地流至前盖体的小孔处。另外为了在拖曳试验过程中稳定拖行试验模型并同时测量其所受到的阻力,采用如图2(a)所示的基于滑动平台的阻力测量装置,并在后艇体设计有一个方孔用于插入支撑杆,以便将试验模型与阻力测量平台进行连接、固定。拖曳试验在一个尺寸为30 m0.
17、6 m0.8 m(长宽高)的拖曳水槽中进行。拖车在水槽两侧长25 m的水平直线导轨上运行,有效行进距离为22 m,最高运行速度为2.0 m/s,加速、减速时间均为3 s。试验的供气系统由空气压缩机、储气罐、稳压器、阀门与流量控制器组成,通过PU气管依次连接,最后连接至潜航器的充气尾管。具体过程是空气压缩机提供压缩气体至容积为25 L的储气罐,然后由稳压器滤去来流中的杂质并向后输出压力稳定的气流,最后通过流量控制器主动调节输出气体流量至设定值来实现为模型持续、可控地供给气体。拖曳试验现场各系统整体布置如图2(b)所示。所有试验工况的水深均为0.4 m,潜航器中轴线距离水面均为0.16 m,拖曳速
18、度u则分别为:0.50、0.75、1.00、1.25、1.50、1.75、2.00 m/s。正式试验中在同一拖曳速度下,首先进行非充气工况的模型阻力测量,然后启动供气系统,将供气流量Q调节至10 L/min,进行相应充气工况的阻力测量。2数值模型2.1控制方程可压缩黏性两相流的控制方程为:图1试验模型示意Fig.1Schematic diagram of the test model图2试验系统示意Fig.2Schematic diagram of the test system3第 41 卷 海 洋 工 程t+(U)=0(1)Ut+(UU)=-p+(U)+F(2)其中,、U和分别为流体密度、
19、速度以及动力黏性系数;p,F为压力和体积力。Navier-Stokes流动控制方程在雷诺平均(RANS)框架下进行时间平均,并通过引入两个新变量来模拟生成的波动项,即湍流动能k和耗散率。两个新的湍流变量由RNG(renormalization-group)k-方程18来封闭。使用VOF方法计算喷射出的微气泡在流体中的运动。液相和气相的体积分数分别用1和2表示,满足以下关系:0 1 1,0 2 1,1+2=1(3)因此水气混合物的任何材料特性(例如,密度和黏度)都可以改写为:=11+22(4)另外使用改进的高分辨率界面捕获(HRIC)方法19来重建并捕捉气泡的边界(液相体积分数取值=0.5)。该
20、方法虽然不能非常清晰地捕捉气液交界面,但其占用的计算资源更少,满足研究的计算需求。对于可压缩流动,理想气体模型可以写成以下形式:=pop+pRT/MW(5)其中,pop是操作压力,p是相对于操作压力的局部静压,R是通用气体常数,MW是分子量,温度T将根据能量方程计算。2.2计算设置将试验模型后艇体处的支撑结构和充气管去除就得到了图3(a)中用于数值计算的对照模型。另外,在对照模型的头部与试验模型喷气小孔对应的位置,单独划分出5 mm宽的环状多孔介质区域来等效相距5 mm、孔径0.4 mm的双排喷气小孔。同时将多孔介质位于潜航器内部的区域设置为气体产生区,通过添加空气质量源项来调整气体的生成速率
21、至10 L/min。数值计算中通过水流运动来等效替代拖曳试验中的模型运动,即认为模型在静水中运动和流体经过静止模型是等价的。整体计算区域如图3(b)所示,所有计算工况中来流速度与试验工况中模型运动速度相对应。文中采用ANSYS ICEM CFD软件对上述计算模型和区域进行结构化网格划分,以对照模型为例的网格划分策略如图4所示。其中在对模型表面进行网格划分时,将其分成了图4(a)中示意的4个区域。出气面作为多孔介质区域的外表面,是微气泡产生的核心区域,因此其最大网格尺寸控制在0.5 mm;其余3个面最大网格尺寸放大至2 mm;网格总量约300万。模型前方的速度入口边界通过编写的 UDF 文件来控
22、制入口处的水面高度和速度,模型后方及上方边界设置为压力出口,下方底面和左右两侧壁面均为无滑移壁面条件。图3数值计算设置Fig.3Numerical calculation setup4第 4 期詹杰民,等:潜航器微气泡减阻数值模拟方法研究2.3数值模型验证图5(a)中非充气工况的试验数据和数值结果对比显示,当流速小于1.50 m/s时,数值计算得到的模型阻力与试验测量得到的数据非常吻合,然而当流速高于1.50 m/s时,数值结果开始偏小。这是因为流速过高时,试验模型后艇体处的支撑杆和充气管等装置对流场的扰动增强,影响了模型的压差阻力,使测量得到的阻力值高于计算值。综合来看,文中的三维流场数值模
23、型可以用于潜航器的航行阻力计算。充气试验中,潜航器前盖体内的空气在内外压差的作用下通过多个喷气小孔以离散的微气泡形态喷射入水体,形成微气泡流。数值计算中使用环状多孔介质区域来等效上述喷气小孔就需要对该区域的孔隙率和黏性阻力系数进行调试,使其对气体的阻碍效果和小孔近似。文中以来流1.00 m/s时充气拖曳试验的阻力数据和高速摄像机得到的模型附近微气泡流形态作为依据进行多次调试。最终确定多孔介质区域的孔隙率为0.3,黏性阻力系数为2 1010,这与周照耀等20对具有近似孔隙率的不锈钢丝多孔介质进行渗透测试所得到的数据基本相符。将上述参数代入其他充气工况进行验证。如图5(b)所示,试验数据和数值结果
24、吻合良好,证明了使用多孔介质区域来等效喷气小孔的合理性和双相流数值模型的准确性。3试验模型的结果分析3.1微气泡流形态特征通过对比试验和数值计算得到的充气情况下模型受到的阻力,定量评估了采用多孔介质来等效喷气小孔的准确性。除此之外,拖曳试验中气泡流的形态也是一个重要且可观察的物理现象。由于采用的是VOF图4网格划分示意Fig.4Schematic diagram of the mesh图5试验与数值对比Fig.5Comparison of experimental and numerical results5第 41 卷 海 洋 工 程方法并设置多孔介质区域,数值计算并不能精确捕捉气泡群中的单
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 潜航 气泡 数值 模拟 方法 研究
![提示](https://www.zixin.com.cn/images/bang_tan.gif)
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。