基于CFD的近壁面微气泡作用下的流动特性研究文献综述

基于CFD的近壁面微气泡作用下的流动特性研究

摘要：作为全球经济可持续发展的必然趋势，节能减排是全世界的主要目标。使用气泡减少粘滞摩擦是实现该目标的最有效方法之一，因为它可以显著减少船舶的摩擦阻力。由于空气和水在密度和粘度等物理性质上的显著差异，气泡的喷射会改变壁面附近的流动特性。气泡尺寸、表面张力、数量以及位置等参数均会对壁面附近的流动产生影响，从而导致两相流动的多样性和不稳定性。为此，本文使用计算流体动力学（CFD）研究了带有气泡的二维通道流。研究了气泡流与壁面之间的相互作用，考虑了气泡在充分发展的流动中的运动特性。结果表明，速度梯度是影响壁面剪应力的主要因素，气泡的存在对附近流场的局部速度梯度分布有显著影响。研究还发现，气泡与壁面的距离越小，流动相互作用越强，壁面剪应力扰动越明显。

关键词：气泡减阻；气泡流动；CFD；壁面剪应力

1. 研究背景和科学意义

众所周知，气泡可以通过改变近壁流体流动的特性来减少运动表面上的摩擦阻力。因此，海运业有兴趣采用这种减阻技术来减少能源消耗和温室气体排放。使用泡沫来减少船舶外部湍流的皮肤摩擦阻力是一项长期的工程目标。尽管工业界主要关注全尺寸船舶的减阻效果，但了解复杂的水泡相互作用和泡壁相互作用的机制是该目标的关键组成部分。通常认为，使用气泡的减阻作用取决于这些气泡流的性质，例如气泡的大小和空隙率以及与水的相互作用。

由于气泡研究的可靠性和鲁棒性，它是研究气泡流减少阻力最重要的方法之一。已经进行了一系列关于使用气泡减少阻力的分析，以通过注入气体来分析空隙率的影响。Verschoof等人发现气泡的可变形性是减少湍流中气泡阻力的基础。Rawat等人讨论了微气泡对湍流边界层流动的影响，发现气泡效应在改善流动结构中起主要作用。Shen等人发现，通过微气泡减阻实验，气泡减阻明显与注入气体的体积流量和边界层静压有关。

然而，由于混合空间流中有限的物理空间和气泡的重叠，使得在实验过程中难以观察到复杂但重要的气泡-水-壁间的相互作用。作为实验研究的补充，数值模拟是一个重要的选择，因为它可以提供有价值的流量细节，而这些细节在实验中难以进行测量。因此，近年来通过数值模拟进行了大量的研究。徐等。发现通过直接数值模拟，通过在湍流通道中注入小气泡可以实现持续的减阻水平。Pang等人通过使用小气泡对减阻进行了数值模拟，并根据气泡的大小和液相雷诺数找到了减阻的规则。Lu等人使用直接数值模拟来模拟气泡的变形和气泡的减阻作用，发现气泡的可变形性通常会导致不同的空隙率分布。Lyu等人评估了几个气泡参数在SUBOFF潜艇模型所见的减阻作用中的作用，并发现空气注入速度比和空气体积分数对潜艇的减阻性能至关重要。Marinho等人使用CFX商业软件包对带有泰勒气泡的弯管中的流动进行了数值研究，并讨论了空气浓度对气泡流的体积分数和粘度的瞬时影响。Fox回顾了用于分散多相流的大涡模拟工具的开发，包括使用气泡流减少阻力。值得注意的是，带有微气泡的LES模型的主要困难仍然是严峻的挑战。

气泡减少阻力的现有研究通常集中于气泡的大量气泡产生。气泡阻力的减少在离散气泡的作用下是累积的，因此，研究针对离散气泡（即单个气泡或两个气泡）引起的板的阻力变化的研究至关重要。然而，由于精度不足和控制这种小离散气泡的困难，很少进行使用少量小气泡的实验测量和数据分析。此外，也很少进行使用CFD方法表征边界层中离散气泡的研究。因此，本文采用简单的二维CFD模型和VOF方法研究了气泡对流动特性和壁面剪应力的影响。考虑了几个参数，包括气泡大小，气泡数，表面张力和初始气泡位置，以证明有趣的气泡流动。

1. 国内外研究现状及发展趋势

早在1876年，B.傅汝德就提出了微气泡减阻初步的构想，在边界层中注入空气，以减小船舶航行时所受的阻力，这其实就是微气泡减阻的实施方法。1973年，McCormick和Bhattacharyya进行了微气泡减阻最早的试验工作，此后的数十年来，微气泡减阻吸引了大量学者的注意力，关于微气泡减阻的试验研究、数值模拟研究在世界范围内大量进行，微气泡减阻理论也得到了极大的发展。

K. Mohanarangam, S. C. P. Cheung等人考虑气泡聚并和破裂的影响及气泡大小沿程发生的变化，采用CFX软件对气泡直径在100~ 1000um范围内的平板微气泡减阻进行了数值模拟，在计算过程中，考虑了气相和水相间的相间曳力,微气泡的聚合破裂现象，微气泡自身所受的浮力等因素。数值结果与Madavan (1984) 的平板试验结果基本一致。 数值模拟得出了以下结论，平板水流微气泡减阻归因于三项机理:1)微气泡的注入导致了额外的动量源，这增加了水流的法向速度，导致了流动方向平均流速的减小，这些变化改变了边界层中水相(承载相)的流体结构，从而降低了壁面的阻力系数。2)微气泡的通入，引起了水相的湍动修正，壁面处湍流的减弱有利于降低阻力。3)通入微气泡后，壁面覆盖了一层薄的液膜，通气量越大，膜的厚度越薄，从而减小了水和壁面间的剪切应力及阻力。