非光滑疏水表面的微气泡减阻技术研究

摘要

在船舶运输和管道输运等流体减阻领域中，壁面摩擦阻力在总阻力中占有较大比例。如何减小固体壁面与流体介质间的摩擦阻力提高能源利用效率，一直是大量学者研究的热点。微气泡减阻技术能有效的减小固体壁面与流体介质之间的摩擦阻力，其基本作用原理是将气相介质引入固体表面，在近壁区形成气液两相混合流，降低壁面边界层附近的流体密度改变流体的流动状态，将部分固液界面转变为无剪切应力的滑移气液界面，从而降低固体壁面的摩擦阻力。
　　本文将凹坑型非光滑表面和低表面能疏水壁面减阻方法与微气泡减阻技术相互结合，充分利用非光滑表面的微观结构和壁面的低表面能疏水特性，改善微气泡减阻稳定性问题，使微气泡能够长久稳定的吸附、停留在具有特殊形态的固体表面提高微气泡减阻效率。
　　本文利用数值模拟及实验测试的方法对特殊壁面状态下的微气泡减阻性能进行了研究分析。通过Fluent软件中气液两相流模块对管道及船体模型进行了微气泡减阻性能的数值模拟，分析了特殊壁面凹坑微结构、低表面能疏水特性及主流速度等因素对微气泡减阻性能的影响规律，并利用壁面摩擦阻力、边界层空隙率及阻力系数等参数表征了微气泡的减阻效果。在实验测试方面，本文在压差减阻测试平台的基础上对试验设备进行了简单改进，同时利用低表面能疏水涂层在模型底面制备了凹坑结构及疏水效果，实现了对微型船体模型特殊壁面条件下的微气泡减阻性能测试。其中在数值模拟和实验测试条件下模型最佳减阻效率分别为54.5％和18.1％。
　　研究过程中实验测试结果与模拟分析相互吻合均表明:微气泡减阻技术可以显著降低流体中固体壁面所受的摩擦阻力;减阻效果与主流速度和微气泡的通入量有很大关系;凹坑型微结构表面及低表面能疏水特性的引入在相同边界条件下可以增加壁面边界层空隙率提高微气泡减阻效果。壁面的疏水特性越强越有利于促进微气泡减阻效率的提升，但随着凹坑尺寸的增大对流场的扰动作用增强减阻效果下降。
　　本文将微气泡流体减阻技术与疏水性凹坑型壁面减阻方法相结合，利用壁面的凹坑型微结构及低表面能疏水特性，明显改善了微气泡减阻过程中微气泡在壁面减阻效果的稳定性问题，提高了微气泡的减阻效率促进了微气泡减阻技术的发展。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 国内外流体减阻技术研究现状

1．2．1 微气泡减阻技术

1．2．2 非光滑表面减阻技术

1．2．3 疏水表面减阻技术

1．3 本文的研究目标和意义

2 微气泡减阻技术基本理论

2．1 微气泡减阻机理

2．2 微气泡基本参数

2．2．1 空隙率

2．2．2 主流速度

2．2．3 微气泡的形成

2．2．4 微气泡的受力

2．2．5 微气泡的浓度分布

2．3 边界层厚度及摩擦阻力

2．4 气液两相流控制方程

2．5 本章小结

3 微气泡减阻的数值模拟

3．1 Fluent软件应用简介

3．2 模型建立及求解设置

3．2．1 模型建立

3．2．2 网格划分

3．2．3 边界条件设置

3．3 模拟结果与分析

3．3．1 主流速度的影响

3．3．2 凹坑大小的影响

3．3．3 表面粗糙度的影响

3．3．4 壁面接触角的影响

3．4 本章小结

4 微气泡减阻实验研究

4．1 微气泡减阻实验方案

4．1．1 船体模型的设计

4．1．2 喷气压力和水流速度的调节

4．1．3 船模阻力的测量

4．2 船模底面涂层性能的测试

4．4 实验测试与结果分析

4．5 本章小结

5 结论与展望

5．1 研究结论

5．2 微气泡减阻研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢