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PHOENICS计算软件及微气泡减阻的数值模拟

林黎明

  本文对微气泡减小表面摩擦阻力的现象进行了数值计算。数值模拟分成两个部分:第一部分是平板微气泡减阻的数值模拟;第二部分是平底近似船模数值模拟的初探。计算采用由PHOENICS(计算流体力学软件)的IPSA(相间滑移算法)模型,应用UPWIND(迎风)格式和直角坐标网格。IPSA模型对每一相求解N-S方程,并考虑水-气体两相间的相间互互作用,包括相间阻力、相间升力、相间压力和虚质量力。考虑到气泡对湍流的作用,本文采用了经过气泡修正的K-ε湍流模型,并假定湍动能K及其耗散率ε是连续相的属性。在平板微气泡减阻中,由于水-微气泡之间的各种相互作用力的量级,以及这些作用力的系数模型对计算结果的影响是未知的,而这一点在建立简化模型开将期应用于理论和工程实践中是相当重要的,因此本文对此进行了计算,以为深入研究作准备。并对两种不同喷气方式的物理环境进行了模拟计算。结果表明,相间压力可以忽略掉,相间升力起的作用比较小,而重力-浮力、相间阻力和虚质量力的影响比较大,特别是在大气泡中。作为湍流边界层中运动的粒子,微气泡受到水的阻力可能会在Stokes阻力范围内。然而通过计算表明,另一种阻力关系——球形气泡阻力要比Stokes阻力更合适。此外,对影响减阻的因素计算结果表明,随着气泡直径(100μm以内)和入口处气泡体积浓度的垂向梯度增大,减阻量增加。喷气率是一个重要的参数,它是喷射气体体积与喷射面积和自由来流速度乘积的比率。结果预示,随着喷气率增大,局部减阻率增加,但离喷气口的距离越远,局部减阻率减小。这和实验结果是一致的。作为深入研究近似船体微气泡减阻机理的初步工作,计算中为了了解喷气率与减阻率之间定性上的关系,在一定的喷气率范围内,模拟结果同10m长的平底船实验结果在自由来流速度为5m/s和7m/s的情况下进行了比较。计算结果表明,平底船的减阻率与喷气率成正比,而与离喷气口距离成反比。此外,对自由面与船首附近的速度场,考察了采用零通量近似的自由面边界条件,算结果是可靠的。……   
[关键词]:微气泡;表面摩擦阻力减成少;数值模拟;修正的K-ε模型
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:武汉理工大学2002年