数值模拟空气诱导减阻：实现气泡流、空气层及混合流态间转换的MultiMorph方法研究

《Applied Ocean Research》：Numerical modelling of air-induced drag reduction allowing the transition between bubbly, air layer and mixed regimes

本文介绍了一种名为MultiMorph的形态自适应数值模拟方法，用于研究船舶空气润滑减阻技术。该方法创新性地解决了传统模型需预设气体形态（气泡流或空气层）的局限，能够动态捕捉二者之间的转换。研究通过平板和三维船体算例验证，系统分析了自由流速度与气体流量对减阻效果和气体形态的影响，结果表明MultiMorph方法能有效预测复杂的空气润滑现象，为优化船舶能效设计提供了有力工具。

　　

船舶在航行中需要克服巨大的水体阻力，其中摩擦阻力占据了总阻力的很大一部分，尤其是在低速（低弗劳德数Fr）航行时。为了降低能耗和运营成本，空气润滑技术应运而生。该技术通过向船底注入空气，形成气泡或连续的空气层，利用空气远低于水的粘度来有效降低船体表面的摩擦阻力。文献报道，此项技术有望实现高达8%甚至12%的燃料节省。然而，空气润滑系统的性能表现极不稳定，其减阻效果受到船舶运行条件和气体注入方式的显著影响。更复杂的是，注入的气体在船底会呈现出多种形态，主要包括气泡流、空气层以及介于二者之间的过渡流态。不同的形态对应着截然不同的减阻机理和效率。有时，不当的注气甚至可能导致阻力增加而非减少。因此，准确预测和控制船底的气体形态，是实现高效、可靠空气润滑的关键。

传统的数值模拟方法在面对这种多形态流动时显得力不从心。它们通常需要使用者预先指定流动形态——要么采用适用于气泡流的欧拉-欧拉方法，要么采用适用于捕捉清晰界面的流体体积法。这种方法无法模拟形态之间的动态转换，也无法处理混合流态。而在实际应用中，气体形态往往是未知的，并且会随着工况动态变化。这种“先验知识”的要求极大地限制了数值模拟在空气润滑系统设计和优化中的应用。

为了解决这一难题，发表在《Applied Ocean Research》上的这项研究，评估并展示了一种名为MultiMorph的形态自适应数值方法的强大能力。该方法的核心优势在于，它允许气泡和空气层等多种形态共存，并能实现它们之间的双向转换。气体的形态不再是模拟的前提条件，而是模拟计算的结果本身。这使得研究人员能够首次在数值上深入研究空气润滑中复杂的形态转换现象。

为了开展这项研究，研究人员主要依托了计算流体力学平台OpenFOAM，并采用了其内的MultiMorph求解器。该求解器对每种形态（如连续水、弥散空气、连续空气）分别求解相平均的RANS方程。模型的关键在于设置了形态间转换的准则和速率。例如，当局部空气体积分数超过最密球体堆积极限（约0.74）时，会触发从弥散气泡到连续空气层的转换。反之，当连续空气层变薄至一定程度时，则会瓦解为气泡。相间的动量耦合通过包含拖曳力、升力、虚拟质量力、湍流扩散力等在内的界面力封闭模型实现，这些模型的选择参考了HZDR的Baseline策略以确保可靠性。湍流则通过k-ω SST模型进行模拟。研究首先在一个二维平板的简化模型上对方法进行了验证，并将其结果与经典的Elbing等人的实验数据进行了对比。随后，该方法被应用于一个三维集装箱船船体的复杂案例，以展示其在接近工程实际场景中的适用性。

1. 数值模型

MultiMorph方法的理论基础是分别为每种形态（或称“相”）建立质量与动量守恒方程。每个形态相拥有自己的体积分数α_k、速度u_k等场变量。模型通过几何准则（如局部气体分数）来判断形态转换的发生，并通过源项Γ_k来实现相间的质量传递。动量传递则通过界面力f_k来实现，对于气泡-水相互作用，包含了拖曳力、升力、虚拟质量力和湍流扩散力；对于连续空气层与水之间的相互作用，则主要考虑表面张力和一种强制的速度均衡拖曳力。这种方法确保了在流场不同区域，可以根据当地流动条件自发地形成气泡、空气层或混合状态。

2. 针对平板的验证及气泡减阻

研究首先模拟了低气体流量下的工况，此时流动处于气泡减阻主导 regime。模拟结果成功地再现了实验中观察到的现象：气体以气泡形式存在，并在注气点附近产生最大的减阻效果，减阻率沿流动方向逐渐降低。数值预测的减阻分布与实验数据吻合良好，证明了模型在模拟气泡流减阻方面的准确性。

3. 空气层减阻

当增加气体流量时，模拟捕捉到了从气泡流向空气层流的转变。注入的气体迅速在壁面附近形成一层连续的空气膜。与此对应，减阻效果显著增强，达到较高水平。模拟结果与采用多孔板注气的实验数据非常接近，表明模型能够可靠地预测空气层形成及其带来的高效减阻。

4. 过渡流态

过渡流态仅存在于很窄的参数范围内，在实验中难以捕捉。模拟结果表明，当自由流速度较低而气体流量适中时，会发生流动形态的突变。模型预测的转变点（气体流量介于0.019 m2/s 和 0.020 m2/s 之间）落在实验观察到的转变区间内。尽管模拟的转变比实验观察到的更为剧烈，但模型定性地预测了这一关键现象的存在。

5. 不确定性与敏感性分析

研究还对模型中的一些关键参数和假设进行了敏感性分析。结果表明，模拟结果对来流湍流强度的小范围变化不敏感，对气泡直径在一定范围内的增大也不敏感，但对过小的气泡直径则较为敏感。同时，网格分辨率需要足够精细以分辨空气层的形成。这些分析增强了对模型可靠性的理解。

6. 自由流速度与气体流量的影响

通过参数化研究，系统探讨了自由流速度U和气体流量q对气体存留量（含气率）和气体形态（连续空气比例）的影响。结果表明，高气体流量和低自由流速度有利于提高含气率和形成稳定的空气层。更重要的是，研究指出仅凭总含气率不足以判断是否存在空气层，强调了动态模拟形态转换的重要性。在减阻方面，研究发现即使少量注气也能带来显著减阻，而充足的注气形成空气层后，减阻效果最佳，且在不同速度下都能维持较高的减阻率。

7. 在船体几何上的示例性应用

将MultiMorph方法应用于一个三维船体案例，设置了两个沿船底纵向布置的注气器。模拟成功再现了复杂的多形态流动：在第一个注气器下游，气体呈现为气泡与空气层混合的过渡状态；在第二个注气器下游，由于气体供应充足，形成了稳定的空气层，实现了高效的减阻；而在船体尾部，空气层失稳破碎，重新变为气泡。局部剪切应力分布显示，空气层覆盖区域摩擦阻力大幅下降，而在空气层破裂处，阻力甚至有所增加。这揭示了在船体不同位置，气体形态对摩擦阻力的决定性影响，也指明了优化注气策略（如防止尾部空气层破裂）的重要性。

综上所述，这项研究充分证明了MultiMorph形态自适应数值方法在模拟船舶空气润滑减阻问题上的有效性和独特价值。该方法能够突破传统模型的限制，动态捕捉气泡流与空气层流之间的转换，为理解和优化空气润滑这一复杂物理过程提供了前所未有的洞察力。研究通过系统的验证和参数分析，表明该方法能够定性甚至定量地预测不同工况下的减阻性能和气体形态演变。尽管在过渡流态等细节上仍有改进空间，但MultiMorph方法无疑已成为研究空气润滑现象的一个强大而实用的数值工具。这项工作的成果为未来进一步研究不同船型、注气器设计、瞬态操作以及更复杂的多相流动机理奠定了坚实的基础，对推动船舶节能减排技术的发展具有重要意义。