摘 要

针对沟槽减阻的研究已经有了相对较长的时间，多年的研究发现，沟槽减阻方式有着良好的减阻性能。由于在实现方式上只需要在船体表面加工出微沟槽或将加工好的沟槽表面附着在船体表面，所以沟槽减阻有着低成本、实现方式简单且减阻性能比较稳定的优点。本文首先分析了沟槽减阻的国内外研究现状，并综述了沟槽减阻的机理，以湍流应力模型为基础，使用流体计算软件FLUENT对对称的V形沟槽表面和光滑表面的近壁面流场进行湍流边界层的仿真分析。根据计算结果，分析对称的V形沟槽表面和光滑表面的速度场、湍流动能、湍流耗散率和剪切应力的差异，并探讨V形沟槽的减阻性能。

关键词：沟槽减阻；湍流边界层；数值计算

Abstract

Drag reduction by grooved surface equips with good drag reduction performance in accordance with several years ' research. Drag reduction by grooved surface has some advantages such as low cost, easy to be realized and relatively stable drag reduction performance due to the micro groove is machined or the processed and prepared grooved surface is arranged in ship hull. In this study, research status about drag reduction by grooved surface is analyzed, and mechanism of drag reduction by grooved is introduced. Simulation analysis about V grooved and smooth surface flow field is carried out through FLUENT on the base of turbulence model. The difference of velocity field, turbulent kinetic energy, turbulent dissipation rate and shear stress in symmetrical V grooved surface, and drag reduction performance is discussed in accordance with results.

Key Words: drag reduction by grooved surface; turbulent boundary; numerical calculation

目 录

第1章 绪论1

1.1 论文研究目的及意义1

1.2 常规水面船舶减阻常用方法1

1.2.1 沟槽表面减阻2

1.2.2 柔性表面减阻2

1.2.3 外加射流表面减阻2

1.3 沟槽表面减阻的国内外研究现状3

1.4 论文主要内容6

1.5 本章小结6

第2章 沟槽表面减阻机理8

2.1 湍流边界层结构8

2.2近壁面湍流猝发特性10

2.3 沟槽表面减阻机理12

2.3.1 二次涡理论12

2.3.2突出高度理论13

2.4 本章小结14

第3章 V形沟槽表面减阻的数值计算15

3.1 模型建立15

3.1.1 V形沟槽几何形状和尺寸的确定15

3.1.2 计算域的建立16

3.1.3 网格划分16

3.2 湍流模型的选择17

3.3 近壁面湍流模型的修正18

3.4 边界条件和初始条件的设置19

3.5 沟槽表面流场分析20

3.5.1 速度场分析20

3.5.2 湍动能的分析23

3.5.3 湍流耗散率分析23

3.5.4 剪切应力分析24

3.6 沟槽表面减阻性能分析25

3.7 本章小结26

结论27

参考文献28

致谢29

第1章 绪论

1.1论文研究目的及意义

伴随着现代经济的快速增长以及世界各国之间商业联系的持续增加，各类货物的运输量也在不断连续增长。目前，世界范围内货物运输的方式主要有四种：航空运输、公路运输、铁路运输以及船舶运输，有数据表明，这四种方式的运输成本比例大约为300：9：3：1，可以从中看出，在四种主要运输方式之中，利用船舶进行货物的运输是最为经济的运输方式，因此，船舶运输被广泛的采用。

在船舶运输的过程中，燃油消耗所需要的成本在运输总成本中的比例占到了40%~60%^[1]，而船舶消耗燃油所发出的功率主要是用于克服船舶前进过程中所遇到的阻力，所以对船舶减阻的方式方法进行研究，对于降低船舶运输行业的成本费用，提升船舶运输的经济性而言有着极为重要的意义。另外，据统计，全球每年用于船舶运输所消耗的能源大约占总能源消耗的十分之一，《MARPOL73/78公约》和世界各国的法律法规对船舶废气的排放也做出了越来越严格的限制，因此在能源短缺的问题和环境问题日益严峻的今天，进行船舶减阻的研究对于节能减排来说，其意义不言而喻。不仅如此，随着军事科技的快速发展，世界各国的军方对于舰船航速的要求越来越高。在战争中，高航速意味着舰船机动性更高，灵活性更好，因此拥有更高航速的舰船往往能够做到先发制人，甚至成为决定战场胜负的关键，目前，各国军方已经将如何能够使舰船消耗较少的燃料的同时拥有较高的速率列为重点探究的课题，所以，对船舶减阻技术进行研究对于打造一支世界一流的海军具有非常重要的国防意义。

在海上运行中，船舶受到的阻力大致可以分为三种：兴波阻力、压差阻力以及摩擦阻力，不同类型的船舶在航向过程中受到的三种阻力所占的比例也不一样，比如兴波阻力是由于船舶在水面以上运动时激起的波浪所引起的，船舶航速越快，兴波阻力越大，因此对于高速水面舰船来说，兴波阻力在总阻力中所占的比重较大，但对于水下运动的舰船如潜艇、鱼雷等，因其水下航行时不会像水面舰艇一样产生波浪，所以这类舰艇则不受兴波阻力的影响。对于常规的航行于水面，航速也不高的货物运输船舶来说，最后一种阻力形式即摩擦阻力大约占了总阻力的50%^[2]，另外，兴波阻力和压差阻力都可以通过改进船舶的设计进行改善。所以，减少由摩擦阻力所带来的能耗损失在常规民用船舶减阻领域中显得尤为重要。

1.2常规水面船舶减阻常用方法

当前，水面船舶减阻行之有效的方法主要有沟槽表面减阻、柔性表面减阻、外加射

流减阻等。

1.2.1沟槽表面减阻