空泡及分离尾流对细长回转体附加质量影响的试验研究

带空泡航行体的附加质量是个国际上还没有解决的问题，为了预测细长体在带空泡航行时的水下轨迹，工程上必须解决空泡对附加质量λ２２的影响这一实际工程问题，为此，本文针对三种没模型进行了带空泡航行时的附加质量的试验研究。试验是用振动翼机构在中国船舶科学研究中心０３Ａ空泡水筒上实现的，采用与平面运动机构相类 的数据处理方法分离邮模型作横荡运动时的附加质量和位置导数。变化水筒中的水束或空泡数，可得到附另质量和     

空泡附加质量建模的改进

基于通过实验检验过的圆盘表面速度分布估算公式,对圆盘空泡附加质量的数学模型进行了改进,给出了更精确的空化圆盘附加质量计算公式,分析了原线性速度分布假设下的计算公式的准确性,建立了带两个空泡的航行体附加质量计算模型。改进的模型不仅反映了带空泡航行体的附加质量变化规律,而且因为模型是建立在实验数据基础上,所以可靠性更高。     

一种考虑尾空泡影响的航行体流体动力数值仿真计算模型

文章针对水下垂直发射航行体,建立了一种考虑尾空泡影响的定常水动力数值仿真计算模型,分析了尾空泡对轴向力、附加力及俯仰阻尼力矩的影响。将仿真获得的考虑尾空泡影响的定常水动力系数代入理论弹道模型,预示水下弹道。计算结果表明,采用文中的考虑尾空泡模型及相应的流体动力求解方法获得的流体力系数,用于预示航行体运动参数的变化规律与模型弹射试验结果一致性较好。     

基于面元法的船舶螺旋桨附连水质量与阻尼计算方法研究

在船舶轴系振动或桨轴流固耦合分析中,螺旋桨在流场中所引起的附连水质量与阻尼是很重要的参数。但实际计算中螺旋桨附连水质量常常用螺旋桨自身质量乘以一个经验系数得到,而附加阻尼往往被忽略。针对这些不足,文章利用螺旋桨水动力分析中常使用的面元法,构建了螺旋桨随轴系在水中振动时的附加质量与阻尼数值计算方法。目前求解附加质量的经典方法是基于运动物体引起流体动能变化来求解,但该方法不能求解附加阻尼。文中证明了所提出的方法与经典方法是完全等价的,同时利用该方法还可以求解附加阻尼。最后以球体、椭球体及螺旋桨为对象给出几个算例,并与解析解或其它文献计算结果比较,误差均在合理范围内,表明文中提出的方法的有效性。     

潜艇近海底航行附加质量数值计算

采用Hess-Smith方法编制三维物体近边界运动时附加质量计算程序，与椭球体的理论计算值比较验证了该程序的可靠性，利用MSC－Patran预处理软件对潜艇及底部边界进行网格划分，计算了潜艇在不同的海底间隙，不同的纵倾角及通过海底台阶时的艇体附加质量，得到潜艇在近海底航行时附加质量的变化规律。最后以海底间隙，艇体纵倾角和距海底台附距离为参变数，整理了潜艇近海底航行时附加质量的变化规律。     

超空泡航行体加速过程流动特性研究

超空泡航行体加速过程是航行体进入高速巡航状态的重要阶段。为了深入了解超空泡航行体加速过程中的流动特性,文中采用基于欧拉两流体模型的CFD方法以及基于相对运动的源项法对超空泡航行体全沾湿加速过程、通气加速过程进行了数值模拟,其中全沾湿过程主要研究了加速过程附加质量变化规律,通气加速过程研究了通气量、重力效应以及航行体攻角对空泡发展速度的影响。研究结果表明全沾湿加速过程中由于加速度较大,附加惯性力影响不能忽略;通气量、航行体攻角对超空泡生成速度均有较大影响,当速度达到50 m/s以上时,重力效应对空泡生成速度影响可以忽略。     

超空泡航行体水下弹道的数值计算

超空泡状态下的航行体水下弹道的研究涉及固、液、气(汽)三相介质的运动.本文应用细长体理论计算航行体在超空泡状态下的流体动力,成功模拟了超空泡状态下的航行体水下弹道.     

基于势流理论的尾空泡对航行体表面压力影响研究

航行体尾空泡状态及演化会对上游流场产生干扰,进而对航行体流体动力特性产生影响.本文基于势流理论,发展了适用于混合边界条件的二维轴对称边界元数值计算程序,在此基础上分析了稳态及非稳态尾空泡流场,获得了不同尾空泡状态对上游物面压力的影响规律,说明了尾空泡瞬态收缩过程对上游航行体物面压力的扰动机理,基于数值计算结合实验数据说明了压力扰动的衰减规律.     

水下高速航行体超空泡减阻特性数值模拟研究

利用CFD商业软件Fluent6.2对水下高速航行体超空泡流进行了数值模拟研究,计算了带圆盘与圆锥两种头部空化器航行体的阻力特性,详细分析了空化器直径、锥角、航行体长细比对超空泡减阻特性的影响,并计算了高速水下航行体自然超空泡减阻率,结果表明,在超空泡形态下,带圆盘空化器头部的水下高速航行体,更加有利于超空泡的减阻,超空泡减阻率可达95%以上.研究结果为进一步研究水下高速航行体的结构设计和水动力布局提供了理论参考.     

小攻角水下航行体定常空泡外形计算方法

水下航行体上的空泡在攻角、重力及航行体的外形影响下,空泡的迎水面外形与背水面外形并不对称,这种不对称空泡外形对空泡水动力或航行体弹道有极大影响。本文结合动量原理和空泡独立膨胀原理,在小攻角条件下建立了定常三维空泡外形的方法。     

螺旋桨激振力作用下船体振动及水下辐射噪声研究

利用有限元法和边界元方法分析比较了螺旋桨激振力三个方向分力(轴向、横向、垂向)分别作用以及同时作用时引起的船体结构振动与水下辐射噪声。结果表明,船体结构在螺旋桨激振力作用下在轴频、叶频、一倍叶频、二倍叶频以及船体固有频率处振动响应出现线谱;横向螺旋桨激振力引起的船体水下辐射噪声最大,垂向力其次,最小是轴向力;三个方向激振力同时作用时船体最大辐射声功率出现在叶频处,主要由横向力引起,其次是轴频处,主要由轴向力引起。分析其原因主要是横向激振力在叶频时最大,而且与船体固有频率接近,产生共振,轴向力在轴频处次之。     

隔声去耦瓦抗冲击性能数值研究

在水下结构表面敷设隔声去耦材料是应用最广泛也是非常有效的一种提高水下航行器隐身性能的方法。但由于隔声去耦瓦含有空腔的特殊结构形式,该空腔结构形式在受到爆炸冲击波时,腔体将产生变形并吸收能量,这必然会对水下航行器的抗冲击性能产生影响。基于有限元法,通过改变敷设在结构表面的隔声去耦瓦性能参数（包括空腔结构形式、空腔尺寸及材料厚度等）,采用ABAQUS大型非线性动力学分析软件,对隔声去耦瓦空腔结构变形与冲击波能量吸收之间的关系进行了研究,得到了隔声去耦覆盖层空腔结构变形、速度及加速度与冲击波能量吸收之间的关系,并在此基础上,给出兼具抗冲和隔振功能的声学覆盖层结构设计建议。结果表明在声学覆盖层满足结构减振降噪要求情况下,建议尽量减小声学覆盖层的腔体形状。     

基于分叉理论的水下超空泡航行体运动特性研究

为保证水下超空泡航行体稳定地运动,分叉分析航行体的运动状态随空化数变化的规律,基于分叉理论,利用数值仿真、相轨图分析并验证航行体在不同空化数下的运动特性,最后通过二维分岔图确定航行体稳定运动条件和参数范围。研究结果表明：超空泡航行体的运动具有非线性动力学特性,随着空化数的变化,系统的相轨迹出现极限环、混沌吸引子等现象;合理地调整控制律可以扩大航行体稳定运动的空化数范围,实现航行体的稳定运动。     

通气空泡内部流场结构实验研究

采用人工通气的办法在水下航行体表面生成通气超空泡可以大幅降低水下航行阻力。保持通气空泡的形态稳定是保证航行体水下流体动力稳定的前提,因此需要了解通气空泡内部气体流动结构及其与空泡泄气方式的相互影响规律。该文建立了通气空泡内部流场结构的实验测量装置,并运用PIV(粒子成像测速)方法对通气超空泡内流场结构进行了测量,归纳了通气空泡三种典型的内部流场结构形式及其成因,并给出了泡内气流流速的变化趋势。     

水下发射航行体空泡、气泡和自由面相互影响的理论研究

基于势流理论、细长体理论和奇点分布法,对水下发射过程中的航行体空泡、自由面和筒口气团的相互影响开展了理论研究。文中用一个奇点模拟气团、用沿轴线分布的奇点模拟细长体形状的航行体和空泡,建立了自由面影响下的气团和空泡相互耦合的动力学模型,提出了非定常流场中带气体泄漏现象的含气空泡的压力估算方法。实验结果验证了文中提出的模型的合理性。     

单点系泊海洋资料浮标的动力分析

本文在静力计算的基础上，应用三维势流理论数值计算程序计算浮标体的附加质量（矩）、阻尼系数和所受波浪力。采用美国数据浮标中心（NDBC）提出的分析方法，即将锚泊线动力方程线性化，并考虑到锚泊线与浮标体之间相互耦合的关系，在频率域中对单点系泊浮标进行了动力分析。文中还提出了当锚泊线中间有集中质量（悬挂重量或浮球）时相应的处理方法，因而不仅适用于简单的单点系泊浮标的动力分析，也适用于水平系泊浮标的动力分析。文中对三种典型的海洋资料浮标进行了考核计算，计算结果与试验结果比较有较好的一致性。     

排气角度对航行体表面等压气膜演化机制及流动特性影响研究

等压排气是一种可有效改善航行体绕流流场特性、抑制纵向偏转的流动控制技术。文章数值模拟了带等压排气的航行体水下垂直运动过程,给出了不同排气角度时的排气流量及速度、气膜长度等参数变化规律,分析了排气角度对等压气膜非定常发展过程及航行体绕流流场特性的影响,建立了排气孔附近及其下游流场、气膜尾部回射流场的拓扑结构,探讨了等压气膜的形态特征、演化规律及其降低航行体表面压力的机制,研究结果有助于深入理解等压排气技术改善航行体流体动力学特性的物理本质。     

Theoretical study on the effect of parametric rolling on added resistance in regular head seas

A formula based on Maruo’s theory is presented for the added resistance in regular head seas when parametric rolling occurs. Firstly, the velocity potential of the radiation waves due to parametric rolling, sway and yaw motions should be superposed on the conventional velocity potential. Secondly, the added resistance is averaged within the time duration that is double the encounter period. Thirdly, the stationary-phase method which is used in Maruo’s method is also used to obtain the formula of added resistance in waves with parametric rolling taken into account as well as viscous roll damping. Fourthly, source distribution based on Maruo and Ishii's and Maruo and Iwase’s works is used to calculate the added resistance. Finally, the effect of parametric rolling on added resistance in regular head seas mainly results from viscous roll damping and it becomes larger as the amplitude of parametric rolling becomes larger.     

Formulation of consistent nonlinear restoring stiffness for dynamic analysis of tension leg platform and its influence on response

Shortcomings of the traditionally used nonlinear restoring stiffness of TLPs, i.e. unrealistically high stiffness of horizontal motions, their uncoupling and secant formulation are pointed out. Therefore, new consistent restoring stiffness is derived. The platform is considered as a rigid body moored by flexible pretensioned tendons. Global horizontal low frequency motions (surge, sway and yaw) with large amplitudes as a result of dominant second order wave excitation and small stiffness, and vertical local motions (heave, roll and pitch) of higher frequency and small amplitudes excited by the first order wave forces, are distinguished. Hence, horizontal displacements represent position parameters in analysis of vertical motions. First, the linear restoring stiffness, which consists of the tendon conventional axial stiffness, the tendon geometric stiffness and the platform hydrostatic stiffness, is established. Then it is extended to large displacements resulting in new secant restoring stiffness. It depends on surge, sway and yaw displacements and is the same in any horizontal direction. Also, the tangent stiffness, which gives more accurate results, is derived. Heave is defined as vertical projection of axial tendon vibrations and platform tangential oscillations, which are analyzed in their natural moving coordinate system. Inertia force due to setdown, as a slave d.o.f. of the master horizontal motions, is taken into account in the dynamic equilibrium equations. As a result the complete tangential stiffness matrix of horizontal and vertical motions includes 7 d.o.f. The known secant restoring stiffness matrices are compared with the new one and noticed differences are discussed. All theoretical contributions are illustrated by relatively simple numerical example.     

基于CATIA二次开发的水下平台静水力计算

水下平台静力计算包含初稳性计算、潜浮稳性计算、大倾角稳性计算、重量重心统计等，传统潜艇、潜器等水下平台的静力计算具有计算过程繁琐、耗时长、效率低、数据不易更新等问题，导致设计人员大量重复性劳动。本文通过对CATIA软件进行二次开发，在水下平台三维建模基础上，编制静水力和重量重心计算程序，可直接计算、获取静水力要素并实现重量重心的自动统计，达到计算的自动化、程序化和数据的及时更新，提升设计手段，对潜艇、潜器等水下平台设计中控制浮态、稳态具有重要作用，工程应用价值较高。