文档介绍：微气泡减阻的二相湍流边界层模型计算
黄衍顺
教
授
天津大学建筑工程学院船舶工程系[ 300072]
王吉强
硕士生
天津大学建筑工程学院船舶工程系[ 300072]
薛
韬
硕士生
天津大学建筑工程学院船舶工程系[ 300072]

摘
要
利用边界层中注入微气泡来降低固体壁面摩擦阻力是一项有实用价值且有待进一步
研究的减阻技术。本文以含微气泡的湍流边界层为研究对象, 以气液二相流理论为基础, 对二相湍
流边界层控制方程进行了详细讨论, 并利用差分网格法进行了求解, 计算结果表明微气泡具有明显
的减阻效果。最后对影响减阻效果的因素进行了分析, 指出了今后的研究方向。
关键词
船舶
微气泡
摩擦阻力
二相流
湍流
边界层
中图分类号
U 661. 1
平分量相等, 气体垂向速度需考虑到气液二相之间
0
前
言
的相互干涉力;

在边界层中注入微气泡可有效地降低固体壁面
各种条件下气泡直径均取为 0. 3mm。
的摩擦阻力。近年来, 国外学者对这一课题的研究 1. 2
方程组及基本参数
比较活跃, 已逐渐深入到气液二相边界层范畴, 研究本文中涉及的气液二相流是二维不可压缩湍
的重点也转移到了如何考虑气液二相之间的相互作流, 液相的控制方程是时间平均的连续性方程和
用, 如日本石川岛播磨重工业株式会社的吉田有希 Navier
Stocks 方程:
和高桥义明等以二维管道流场为研究对象建立了
u
L
v
L
, + = 0 ( 1)
一种空隙率分布的计算模型[ 1] ; 东京大学的金井亮
x
y
du
L
浩和宫田秀明在考虑气泡影响的气液二相流的数值
= (
-
u u ) +
L dt
x x x L L L
模拟方法方面提出了密度函数法[ 2] 。本文将以气

(
-
u
v
) +
F ( 2)
液二相流理论和湍流边界层理论为基础, 利用差分
y xy L L L L Lx
网格方法对考虑气液二相间相互作用的理论模型控 dv
L

L = (
xy -
L uL v L ) +
制方程进行求解, 探讨微气泡减阻的机理及其减阻 d t
x
效果。
(
yy -
L v L v L ) +
LFLy ( 3)

y
1
基本假设及数学模型式中: u
L 、v
L
为液相平均速度在 x 、y 方向上的分
量
基本假设;
1. 1

uL 、v L
为液相脉动速度在 x 、y 方向上的分
考虑到本文计算中所涉及到的流场性质, 对建
量;
立的数学模型提出如下基本假设:

L
液体密度;

流场为高雷诺数的二元不可压缩非定常湍

FLx 、FLy
气液二相之间的干涉附加力在 x 、
流;
y 方向上的分量。

忽略压力沿壁面变化的影响, 即流场的压力
其中的剪应力项表达为:
梯度为零;

u
L
v
L

假设气泡保持球对称性, 不发生气泡的聚合、
x x =
L
x ,
yy =
L
y ,
分裂、增生和壁面上的滚动, 忽略气泡转动产生的惯