基于OpenFOAM的KVLCC2船模微气泡减阻数值模拟及流场特性机制研究

本文采用欧拉-欧拉双流体模型(Eulerian-Eulerian two-fluid approach)结合界面面积传输方程(IATE)，通过OpenFOAM软件对KVLCC2标准船模的微气泡减阻(MBDR)性能进行数值模拟。研究发现气泡通过调节船尾流速场抑制流动分离，同时降低摩擦阻力和粘性压差阻力，初始气泡直径和空气注入率对减阻效果具有显著影响，为船舶节能技术提供理论支撑。

　　

Highlight

本研究基于欧拉-欧拉双流体框架，首次系统揭示了微气泡对低速船舶多组分阻力的差异化调控机制：气泡不仅通过空泡分数(void fraction)梯度改变近壁面剪切应力，更通过重塑船尾三维流速场抑制流动分离(flow separation)，实现摩擦阻力与粘性压差阻力(viscous pressure resistance)的协同降低。

Drag reduction for different drag components of the ship model

当流速为7.2节时，直径0.5mm的气泡在空气注入率Q_air/Q_water=0.5%条件下，使船模总阻力降低12.7%，其中摩擦阻力降幅达15.3%。值得注意的是，与传统水下回转体不同，气泡通过使船尾流速场均匀化，将粘性压差阻力额外降低3.2%，这一现象在MBDR研究中具有突破性意义。

Conclusions

微气泡直径通过改变空间分布均匀性和覆盖面积影响减阻效率，较小气泡(0.1-0.5mm)因强烈聚并效应(bubble coalescence)在船体下游形成动态尺寸梯度。研究证实，船速提升会增强气泡对边界层湍流结构的调制作用，当Fr>0.15时减阻效率呈现非线性增长，这为实船工程应用提供了关键速度阈值参考。