基于CFD的M型槽道滑行艇消波特性分析

针对高速船在内河及沿海浅水区域航行时的兴波问题,基于计算流体力学(CFD)理论,选用k-ωSST湍流模型及VOF显式耦合求解算法,对M型槽道滑行艇在浅水域水动力性能进行数值模拟,分析M型槽道滑行艇在浅水区的消波性能。研究表明:M型槽道滑行艇在浅水域有着良好的消波性能,水深越小滑行艇消波效果越好;在浅水情况下航行时,保持槽道顶处于通气状态,能大幅减小滑行艇兴波。     

一种适用于大方形系数半滑行艇的浅槽消波艇型和阻力的试验研究

研究适用于大方形系数半滑行艇的浅槽消波艇型,在常规尖舭方艉艇型的基础上进行改进设计,在艇底部设计了一个从艏部至舯部的浅槽道,以改善阻力与兴波性能。开展了该新型浅槽消波艇型与常规艇型性能的对比试验研究,分析了艇体周围流场、艏、艉兴波、航行姿态及阻力的试验结果,表明新型浅槽消波艇型具有艏艉兴波小、艇体阻力低等特点。     

滑行艇在规则波中的数值模拟

针对波浪中滑行艇水动力性能预报的不足,提出了一种基于六自由度运动模型的滑行艇水动力性能预报方法,实现其在波浪中自由运动的水动力性能预报。首先根据水波理论利用CFD技术完成了三维数值水池的造波和消波,然后以某型滑行艇为模型,将六自由度方程赋予滑行艇,实现了其在迎浪匀速航行时随波浪的自由运动,最后通过Fluent数值计算得到了其在波浪中自由运动时的阻力、升力、升沉位移、纵倾角以及兴波等流场参数。计算结果表明:利用该方法获得的某型滑行艇的流场参数较真实地反映了滑行艇在波浪中的姿态,为滑行艇耐波性实验提供了一定的理论依据。     

倒V型槽道滑行艇船型的水动力性能研究

考虑到高速航行时常规双体滑行艇阻力较大且艇体兴波严重,以及三体滑行艇独特船型所带来的优异快速性和兴波小等优良水动力性能,文章借鉴三体滑行艇的工作原理并应用于双体滑行艇,创新性提出倒V型槽道滑行艇的概念,并进行艇型结构设计和CFD水动力分析。模拟计算结果表明该艇型具有高航速时阻力增加缓慢和纵倾角变化平缓等优点。     

滑行艇波浪中纵向运动理论预报的新方法

分析了现有滑行艇纵向运动理论预报方法的不足;根据滑行艇的艇型特点以及模型静水阻力试验和规则波、不规则波的试验结果,提出了滑行艇纵向运动的基本假设;建立了计及浮性和滑行力、滑行力矩影响的滑行艇纵向运动基本方程,提出了预报滑行艇纵向运动的实用计算方法(滑航法)并编制了理论预报程序;比较了忽略浮态变化的全排水量法、只考虑浮态变化的浮航法、同时考虑浮态变化和滑行力、滑行力矩影响的滑航法的计算值和实验值的差别,指出在预报滑行艇纵向运动时,低速宜采用金排水量法或浮航法,中高速时宜采用滑航法.     

迎浪规则波中高速滑行艇运动响应数值预报与分析

为准确计算滑行艇在波浪中的水动力性能,基于粘性理论,采用随体网格技术、耦合求解运动方程,完成了滑行艇在迎浪规则波中运动响应的数值预报.对滑行艇运动响应结果采用时域和频域方法分析,给出了入射波的周期与滑行艇固有频率对滑行艇运动响应的影响分析结果,对数值计算值与模型试验值进行比较.结果表明,数值计算方法可以准确且高效预报滑行艇在波浪中高速航行时的运动姿态及水动力特性,为滑行艇设计提供指导和参考依据.     

滑行艇波浪中运动性能试验研究

为了探究自主开发的滑行艇耐波性能,在拖曳水池中进行该滑行艇模型不同航速下的静水阻力试验、不同航速下变波长顶浪规则波试验与对应不同海况的不规则波试验,试验过程中记录阻力值和纵向运动响应值。对试验结果处理分析后发现:在排水体积傅氏数Fr=3.713时,滑行艇在5倍于船长的波长附近具有强烈的运动响应,出现了抨击和出水现象;与传统深V滑行艇相比,短波中该滑行艇具有更小的运动响应,滑行艇阻力增值较深V滑行艇有所减小;垂荡响应与航速与波高具有较好的线性关系,纵摇响应航速与波高具有弱非线性。     

滑行艇波浪中运动性能试验研究

为了探究自主开发的滑行艇耐波性能,在拖曳水池中进行该滑行艇模型不同航速下的静水阻力试验、不同航速下变波长顶浪规则波试验与对应不同海况的不规则波试验,试验过程中记录阻力值和纵向运动响应值。对试验结果处理分析后发现:在排水体积傅氏数Fr=3.713时,滑行艇在5倍于船长的波长附近具有强烈的运动响应,出现了抨击和出水现象;与传统深V滑行艇相比,短波中该滑行艇具有更小的运动响应,滑行艇阻力增值较深V滑行艇有所减小;垂荡响应与航速与波高具有较好的线性关系,纵摇响应航速与波高具有弱非线性。     

喷水推进高速三体滑行艇数值自航研究

为了验证计算流体力学(CFD)方法预报滑行艇自由液面粘性流场的精确度,判断为某三体滑行艇设计的喷水推进器能否满足快速性要求,采用CFD方法对某喷水推进高速(1Fr_L1.8)三体滑行艇进行两相流的数值自航,并与试验值比较。运用切割体网格技术并基于RANS VOF求解,首先计算了五个不同速度下的裸艇阻力。结果表明:阻力系数最大误差8.3%,最小误差0.5%,达到了较好的计算精度;采用等推力系数法,在模型尺度下进行"滑行艇+喷泵"的数值自航,将结果推算到实尺度艇,结果表明该喷泵可以达到设计航速;高速航行时推力减额为负的主要原因是艇首尾压差阻力的显著降低。计算结果显示,考虑自由液面时滑行艇底部会出现不合理的水气分布,这影响到滑行艇的阻力性能和喷泵的推进性能,通过局部网格加密可以显著减少艇底非正常水气分布,但艇底气水层难以完全消除,这可能是CFD方法预报滑行艇阻力精度难以控制的原因之一。     

高速双体滑行艇加装水翼试验研究

双体滑行水翼艇是一种集双体滑行艇和水翼艇为一体的复合型高速艇,通过双体船增加艇自身横向稳性及其耐波性。在双体滑行艇两片体内侧增设滑行水翼面,在运动过程中,航速达到一定值后,水翼的水动效应为艇体提供一定的升力,使艇体上升,减小艇底湿面积及其阻力,使双体滑行艇阻力大大降低。双体滑行水翼艇兼备了双体滑行艇和水翼艇两者优点,双体滑行水翼艇综合解决了高速艇稳性和快速性问题,使艇的技术性能得到很大的提高。     

消波水翼和压浪板对高速圆舭艇航态与阻力的影响

应用大展弦比滑行面理论和近水面短翼理论建立了安装在高速圆舭艇上的消波水翼、压浪板升力计算方法,据此研究了消泼水翼、压浪板引起的艇航态变化及其对阻力的影响。理论计算结果与模型试验结果的比较验证了所提计算方法的实用性。     

槽道参数对倒V型槽道滑行艇阻力性能的影响

依据双体滑行艇的外形特征和三体滑行艇的工作原理衍生出全新的倒V型槽道滑行艇,具有特殊的槽道结构及内倾式滑行面。基于槽道形状的3个参数,利用CFD技术探究出适合倒V型槽道艇的设计方案,模拟结果表明:槽道参数对倒V型槽道滑行艇阻力性能有一定的影响。     

高速滑行艇的纵向运动分析与仿真研究

针对喷水推进滑行艇的高速滑行原理,建立了其非线性的纵向运动数学模型。首先分析了滑行艇在高速滑行过程中的受力,详细地推导了艇体受到的重力、浮力和动升力,并根据喷水推进器的工作原理,推导了喷水推进力的表达式;然后建立了喷水推进滑行艇的非线性纵向运动数学模型;最后设计了基于该模型的滑行艇纵向运动预报软件,并进行了高速滑行的操纵性仿真试验,仿真结果与船模试验数据吻合较好,表明了该模型能够较准确的预报喷水推进滑行艇在静水中的纵向运动。     

网格因素对三体滑行艇阻力计算影响探究

为获得三体滑行艇的阻力及其他水动力性能比较精确的计算结果,采用粘性流体力学软件STAR-CCM+,依据网格离散的特点,分别讨论了船体表面网格尺寸、近船面网格节点分布、船体周围加密区网格尺寸以及变形网格技术四个因素对三体滑行艇阻力计算精度、收敛速度和稳定性的影响。通过一系列计算、分析,提出适合三体滑行艇阻力计算的网格划分方案,经验证与试验值有较好的符合度。     

滑行艇和翼滑艇在正横规则波中的线性横摇仿真研究

建立滑行艇和翼滑艇在正横规则波中的二阶线性横摇运动微分方程,并利用前苏联中央流体动力中心ЦАГИ法得到艇体阻力,利用仿真工具Matlab/Simulink建立滑行艇和翼滑艇的横摇运动、阻力及推进系统的综合仿真模型,仿真计算结果表明建立的横摇运动微分方程较为合理,并验证具有前置V型割划式水翼的翼滑艇其横摇自稳特性要比同等吨位的滑行艇优良许多。     

一种翼滑艇和滑行艇新型尾鳍研究

介绍新型尾鳍的结构特征并建立减纵摇和减横摇的水动力模型,建立滑行艇和翼滑艇在正横规则波和迎浪条件下的运动微分方程,并利用ЦАГИ法对艇体阻力进行计算。基于Matlab/Simulink建立滑行艇和翼滑艇运动及尾鳍减摇综合仿真模型,并进行仿真计算。算例结果表明,该新型尾鳍控制简单,能够极大地提高滑行艇和翼滑艇航行的动稳性。     

基于SQP优化算法的滑行艇结构设计

针对滑行艇艇体结构开展优化设计研究。根据其结构特点，建立艇体结构的优化模型，运用序列二次规划（SQP）算法对该优化模型进行计算。详细介绍了运用MATLAB编程实现该优化计算的步骤；利用该优化算法对滑行艇艇体的部分结构进行优化计算；并与规范计算结果比较。结果表明：艇体结构材料的利用率提高，有效降低了艇体重量。最后运用有限元分析法对优化后的艇体结构进行了单元应力校核，确保艇体结构满足要求。表明SQP算法对滑行艇艇体结构优化有效，具有一定的工程参考价值。     

滑行艇升沉纵摇运动的二维数值预报

基于CFD软件对滑行艇二维简化模型在均匀来流中的运动响应进行数值分析。根据滑行艇的流体动力数值计算结果实时求解滑行艇的运动响应特性,对4种不同傅汝德数下滑行艇的纵摇与垂荡耦合运动特性进行研究,得到艇体升沉幅值、纵摇角随时间的变化特性,以及阻力、升力和力矩随傅汝德数的变化规律,并分析了艇体达到稳定状态所需时间和滑行过程中艇底动压力的变化特性。研究表明:傅汝德数1.5时达到稳定滑行状态的时间仅为80 s;除了在傅汝德数2.0时发生严重振荡,其余3种情况下滑行艇均能够趋于一种"动平衡"状态。     

多面体网格在滑行艇数值仿真计算中的应用

通过对NACA滑行楔形体进行数值仿真计算,验证多面体网格在滑行艇数值仿真计算上的精度,并尝试使用多面体网格改善滑行艇数值仿真计算中遇到的伪扩散问题。计算结果表明,基于多面体网格的滑行艇数值仿真计算的精度很高,能够满足工程需要;能够改善滑行艇仿真计算中遇到的伪扩散问题。本文进一步扩展了多面体网格在船舶与海洋工程领域的应用范围,并为滑行艇的数值仿真计算提供有益参考。     

基于罚函数的滑行艇阻力性能优化方法研究

滑行艇的阻力性能优化是设计滑行艇艇体的重要内容之一,如何减小艇体阻力是设计师优先考虑的目标。文章从传统的SIT阻力估算方法着手,分析滑行艇受到的力和力矩,并引入Savitsky对艇体阻力的修正,即考虑因喷溅而产生的摩擦阻力。由于滑行艇的重心纵向位置对阻力性能有很大影响,故通过构造罚函数法,把有约束问题化为无约束问题,利用MATLAB优化工具箱中的fm incon函数计算出最佳的重心纵向位置。最后,通过某滑行艇模型的水池拖曳试验验证了该优化方法的可行性,具有一定的工程参考价值。