主动壁面形变控制对槽道湍流减阻的影响

0引言

全球经济的发展离不开海上运输工具，对于常规的运输机和水上船只[1-2]，摩擦阻力占到了其表面总阻力的50％，而对于水下运动的潜艇，其比例更是能高达70％。湍流高摩擦阻力主要来源于湍流发展过程中的相干结构，相干结构对湍流的产生和自维持有着非常重大的影响，其猝发过程包含的上抛和下扫都是壁面摩擦阻力产生的关键因素。已有的研究表明，可以通过对近壁面的控制来改变近壁区流场特征来达到减阻的效果[3-6]。Carlson和Lumley[7]使用最小湍流通道流动的直接数值模拟研究了壁面运动的影响，研究发现，通过允许相邻的高速区域扩展，在低速条纹下方升高致动器会增加表面摩擦阻力。Sangmo Kang[8]采用了两种不同的方法来控制壁面运动，取得了13-17％的减阻效果，并发现近壁区湍流强度明显降低。Choi[9]等人通过直接数值模拟对基于壁面吹吸的反向控制进行了研究，他们分别在距离壁面y d为5，10，20，26的边界层中设置了速度检测平面，最终发现在y d=10的情况下减阻效果最好为25％。随后，Endo[10]等人提出了使用壁面可变传感器和阵列可变形致动器的反馈壁面变形控制，通过选择性地操纵流向涡流，成功在Reτ=uτh

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=150处的湍流通道流中实现约10％的减阻，其中uτ为壁面剪切速度，h是槽道

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作者简介：柳盾（1993-），男，湖北咸宁人，硕士研究生，大连理工大学自动化研究生，研究方向为流体减阻，仿生减阻；

徐中（通讯作者），男，博士，副教授。

通过上述几种修改方案可以知道我们通常利用以下的几种方法来加强船体结构强度：第一种方法是改变钢材等级。就是选用高强度的钢材，如此就可以增大许用应力。第二种方法是增加板厚。通过增加板厚来达到增强结构强度的目的。最后也可以加增结构。合理加增船体构件于结构强度不足的位置，以达到设计时的强度要求。

无论选用何种修改方案都要根据船体结构的位置，结构特点等角度出发，从而制定出最为合理的修改方案。

4结束语

本文对210，000载重吨散货船舱段结构强直接计算方法进行研究，形成了散货船全船结构强度直接计算完整流程。同时因为时间和自身研究水平的原因，论文还有很多尚待完善的地方，主要存在以下的几点不足：

4.1强度校核不足之处

本论文是对一个舱段进行建模分析，这与实际的工作情况有一定的差异，如果整个船体进行有限元分析，得到的结果可能更为正确。对整个船体进行建模，再加上波浪力的影响。此外，对应力集中区域作了细化分析，这样的计算出的结果与实际的情况更加一致。

4.2内部货物载荷的考虑

在研究的过程中，我们并没有考虑在运输的过程中船体装载液体的晃荡和冲击等因素对船体强度的影响。这显然是我们在以后研究的过程必须解决的问题。

4.3破舱稳性的计算

本文研究的散货船的船舱比较大，单个舱室的长度一般为四五十米，因此破舱稳性校核也是我们必须要考虑的问题。所以这类大型船舶的强度和稳性性能必须同时满足设计要求。

参考文献：

[1]孙倩，周宏，罗萍萍，顾钦平.波浪载荷下集装箱船船体结构的受力分析[J].船舶标准化工程师，2016（4）：15-20.

[2]尤晓琳，郭卫霞.干扰及参数扰动条件下的航迹镇定滑模控制[J].舰船科学技术，2015（4）：128-131.

[3]洪英，初艳玲.船体结构屈曲强度评估方法的规范研究及应用[J].上海造船，2010（3）：4-8.

[4]罗秋明.超大型矿砂船全船结构强度计算及内部货物载荷分布研究[D].上海交通大学，2010.

主动壁面形变控制对槽道湍流减阻的影响In fluence of Active Wall Deformation Control on Drag Reduction of Channel Turbulence

柳盾LI U Dun；徐中XU Zhong

（大连理工大学机械工程学院，大连116024）

（College of Mechanical Engineering，Dalian University of Technology，Dalian116024，China）

摘要：湍流减阻机理以及减阻方法已经成为流体力学的热点问题。针对充分发展的槽道湍流，设计了一种可随壁面法向速度主动形变的控制方程，利用C语言在Fluent中编制了相应的UDF程序，对10-15m/s流速下的槽道进行了仿真模拟，实现了仿真模拟中的主动变形。研究结果表明：通过对壁面的主动形变控制能够降低近壁区的摩擦阻力，减阻率最高达到了20.2％，但随着流速的增大，减阻效果也逐渐减小。

Abstract:The turbulent drag reduction mechanism and the drag reduction method have become hot issues in fluid mechanics.A control equation which can be actively deformed with the normal velocity of the wall surface is designed for the turbulent flow which is fully developed in the channel.The corresponding UDF program is programmed in Fluent by C language,and the simulation of the channel is carried out at different flow velocity(10-15m/s),and the active deformation in the simulation is realized.The results show that the frictional resistance of the near wall region can be reduced by the active deformation control of the wall,and the drag reduction rate reaches20.2%, but as the flow velocity increases,the drag reduction effect also decreases.

关键词：湍流；壁面形变；减阻；Fluent

Key words:turbulent；wall deformation；drag reduction；Fluent

DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2019.06.104