仿河鲀表皮形貌的水下减阻构件设计与机理分析

摘要

随着社会的进步和科技的发展，人们对于不可再生能源的重视程度越来越大，如何减少或避免不可再生能源的消耗成为人类共同关注的问题。本文主要对常见船舶表面减阻技术中的仿生非光滑表面减阻技术进行研究。
　　受河鲀洄游特性启发，结合对河鲀体表非光滑表面特征的研究，构建出仿河鲀体表骨刺结构表面运用于流体减阻领域。研究河鲀体表骨刺形貌特征和尺寸参数对水下减阻的影响，具体研究内容如下：
　　（1）结合边界层相关理论确定仿河鲀体表骨刺单元的尺寸参数，同时确定可能会对减阻效果造成影响的相关因素影响指标。通过合适的正交表设计出数值模拟的正交试验组。建立计算区域并且对其进行离散化，对近壁面网格使用特殊的处理方式。
　　（2）选择数值模拟方法为雷诺平均法，湍流模型为RNG k-g模型，壁面处理方式为壁面函数法，控制方程离散化方法为有限体积法，离散格式为二阶迎风格式，流场数值解法为 SIMPLE格式，同时确定边界条件和初始条件，且为保证计算结果精度做一些措施。
　　（3）通过数值模拟得出仿真结果，计算每组试验对应的减阻率。正交表中减阻效果最好的试验组为第3组，减阻率为3.80％。通过极差分析得出对减阻效果影响程度的主次排序为：A＞B＞C＞D＞E，同时获得具有最好减阻效果的组合是A1B1C3D2E3。通过方差分析得出因素影响指标A、B、C对于减阻效果有影响的猜想具有显著性，而因素影响指标D、E对于减阻效果有影响的猜想不具有显著性。
　　（4）通过分析壁面剪切应力、流向速度及减阻元周边速度矢量等因素，得到水下仿生减阻表面的减阻机理是减阻元阻挡了经过其体表的流体，使得流体从减阻元两侧绕流，在减阻元表面形成边界层，由于粘性作用使流体之间继续保持贴合。边界层内部的流体与减阻元接触受到影响，使边界层内部流体的流速下降，最终边界层分离。分离后的边界层内的流体速度小且不稳定，逐渐形成“漩涡”，“漩涡”从减阻元底部沿着表面朝着顶部滚动，由于速度与流向速度相反，最终实现减阻效果。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景与研究意义

1.2 鱼类洄游特性

1.3 仿生减阻技术国内外研究现状

1.4 本文的主要研究内容

第2章 仿河鲀表皮形貌的水下减阻表面设计

2.1 河鲀及其洄游特性概述

2.2 表皮形貌特征研究

2.3 仿骨刺减阻耦元模型的建立

2.4 仿河鲀表皮形貌的水下减阻表面模型的建立

2.5 正交试验设计

2.6 本章小结

第3章 水下仿生减阻表面数值模拟方法研究

3.1 计算流体力学的基本理论概述

3.2 数值模拟方法

3.3 计算域模型建立

3.4 控制方程的离散

3.5 流场数值解法的选择

3.6 边界条件和初始条件的确定

3.7 保证计算结果精度的措施

3.8 本章小结

第4章 水下仿生减阻表面数值模拟结果分析

4.1 各组试验数值模拟结果的减阻率计算

4.2 各个因素指标对减阻效果影响的直观分析

4.3 各个因素指标对减阻效果影响的统计分析

4.4 本章小结

第5章 水下仿生减阻表面机理研究

5.1 水下仿生减阻表面对壁面剪切应力的影响

5.2 水下仿生减阻表面对流向速度的影响

5.3 减阻元周围速度矢量分析

5.4 减阻机理分析

5.5 本章小结

总结与展望

本文工作总结

后续工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢