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.     

滑行艇海豚运动稳定性分析的仿真验证

首先引入滑行艇纵摇-垂荡耦合的数学表达方程,再对艇体的回复力系数、附加质量、阻尼系数进行了求解和简化。通过引入Routh-Hurwitz稳定性判据,对纵摇-耦合方程进行转化和推导。通过Matlab GUI界面编程设计,对给定参数的模型进行仿真。得到了航速对滑行艇纵倾角、长宽浸湿比的影响规律;验证了船体重心纵向位置对于海豚运动临界稳定速度的影响规律;得到了稳定性参数和船宽弗劳德数的关系曲线。研究成果对于改善滑行艇海豚运动具有理论指导意义。     

双断级滑行艇纵向运动稳定性的一种校核方法

目前双断级滑行艇纵向运动稳定性的理论计算方法还不成熟，推荐一种校核其纵向运动稳定性的实用方法，即利用模型试验得到纵向运动时而稳定时而不稳定的临界点组合，再运用最小二乘法拟合试验中得到的若干临界点得出双断级滑行艇纵向运动稳定性界限。用通过模型试验得到的纵向运动稳定性界限校核高速双断级滑行艇纵向运动稳定性能够获得比较准确的结果     

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.     

影响滑行艇阻力数值计算的网格因素研究

为了获得有效的滑行艇阻力数值计算方法,采用粘性流体力学软件STAR CCM+,根据结构网格特点分别探讨了船体表面第一层网格节点高度、船体表面网格尺度以及流域网格节点分布系数三个因素对滑行艇阻力计算精度、收敛速度以及计算稳定性的影响。通过把不同网格划分方法所得到的数值结果与模型试验结果进行比较,确定了适合滑行艇阻力计算的网格参数。利用得到的网格方案对多种航态滑行艇阻力进行计算,计算结果与试验值的符合情况良好。     

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。     

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。     

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。     

基于支持向量机的高速滑行艇航态优化

引入支持向量机(SVM)分类算法研究滑行艇纵向稳定滑行与纵向运动失稳之间的分界线,验证重叠网格法与Realizable k-ε湍流模型在计算滑行艇阻力及自由升沉纵倾时的准确性,使用该方法对一组以体积弗劳德数Fr_?及重心纵向位置l_(cg)为设计变量的样本点进行数值计算,并使用SVM法对计算结果进行分类,提出基于"偏离度约束"的SVM,使用该改进算法拟合分界线,使用修正后的分界线对重心进行优化,减阻效果可达5.15%,同时可求得在原设计方案的重心下,航速提升至Fr_?=7.16。     

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。     

Predictions of porpoising inception for planing vessels

The inception of porpoising is theoretically predicted for planing vessels. Two different approaches are presented. First, a linear stability analysis is applied to find the porpoising limits while the hydrodynamic coefficients, i.e. added mass and damping coefficients, are determined by either a simplified method or a numerical method. Another approach is to seek the porpoising limits by performing nonlinear time domain simulations. Either the simplified method or the numerical method is used in the simulations. In the numerical method, a 2D+t theory together with a boundary element method is employed. The trim angle limits for porpoising are determined by changing the longitudinal position of the centre of gravity (COG) of the vessel and keeping the forward speed constant. The predicted porpoising limits are compared with Day and Haag’s (Planing boat porpoising, Thesis, Webb Institute of Naval Architecture, 1952) experimental results. The influences of parameters such as the load coefficient, the vertical position of COG and the radius of gyration of the ship are investigated by varying those parameters in the linear stability analysis. In the nonlinear time-domain simulations, by trying different longitudinal position of COG, one can find the critical trim angle when the porpoising commences. The obtained trim limits agree generally with those predicted by the linear stability analysis. Bounded oscillations for the unstable cases near the critical trim angle can be seen in the time-domain simulations due to the nonlinear effects.     

基于兴波阻力的三体船片体位置快速优化方法

三体船片体位置优化的工作量很大,不仅要考虑片体间的横向距离,也要考虑片体间纵向距离.为快速优化三体船的片体位置,基于Noblesse细长体理论,按照一阶Kochin函数的表达式,在指数函数展开分离变量方法的基础上,本文推导了三体船兴波阻力的计算公式,并根据这些公式实现了三体船兴波阻力的快速计算.数值计算与模型试验相吻合.数值计算结果和模型试验结果均显示,三体船的片体位置对兴波阻力有很大影响.     

水下导航拖曳载体水动力性能分析

三体船型适合作为水下导航系统的载体平台,其主体对整个载体的稳定性有较大影响。采用数值计算的方式分析主体封闭和开敞条件下,载体在静水拖曳直航工况下的水动力性能。结果表明:封闭主体与迎流有一个较大的接触角度,使得来流在主体前方的迎流区形成一个很大的流动停滞区,不利于载体的纵向稳定。当主体采用全开敞结构时,流体在整个舱室内几乎没有流动停滞区和飞溅,对应的载体稳定性相对较高,且压差阻力在总阻力中发挥主导作用。随着Fr值的增大,载体的横倾幅值不断增大,但变化不大。载体的纵向稳定性受Fr的影响较大,且在Fr的值接近0.428时,纵倾值突变到4.8°左右。     

三体船随浪中的破舱稳性研究

以一三体船型为例,研究了三体船型在波浪中的破舱稳性。对不同的破舱位置和侧体位置的多种方案进行了计算,结果表明:侧体位置不同时,最危险的破舱位置亦不同,并且破舱位置对稳性损失的影响随着侧体横向位置的增大而减小;侧体位置位于船舯时破舱稳性较好,侧体横向距离越大破舱稳性越好。     

基于计算流体力学和人工神经网络对断阶式滑行艇的水动力性能预测（英文）

In the present paper, the hydrodynamic performance of stepped planing craft is investigated by computational fluid dynamics(CFD) analysis. For this purpose, the hydrodynamic resistances of without step, one-step, and two-step hulls of Cougar planing craft are evaluated under different distances of the second step and LCG from aft, weight loadings, and Froude numbers(Fr). Our CFD results are appropriately validated against our conducted experimental test in National Iranians Marine Laboratory(NIMALA), Tehran, Iran. Then, the hydrodynamic resistance of intended planing crafts under various geometrical and physical conditions is predicted using artificial neural networks(ANNs). CFD analysis shows two different trends in the growth rate of resistance to weight ratio. So that, using steps for planing craft increases the resistance to weight ratio at lower Fr and decreases it at higher Fr. Additionally, by the increase of the distance between two steps, the resistance to weight ratio is decreased and the porpoising phenomenon is delayed. Furthermore, we obtained the maximum mean square error of ANNs output in the prediction of resistance to weight ratio equal to 0.0027. Finally, the predictive equation is suggested for the resistance to weight ratio of stepped planing craft according to weights and bias of designed ANNs.     

以Rankine源三维面元法求解三体船纵摇与升沉运动

为对三体船的纵摇与升沉运动进行分析,将三维面元法用于三体船在波浪中的纵摇和升沉计算。依据Rankine源格林函数,基于有航速势流理论建立理论计算模型和数值计算方法,对数学三体船型纵摇、升沉运动响应进行计算,并对计算结果规律进行分析。同时,还对其数值进行模型实验验证。根据计算结果,针对侧体布局对三体船在波浪中纵向运动的影响进行了分析。     

三体船阻力模型试验

介绍了高速排水型三体船模型静水阻力试验。在Froude数0.3-0.8范围内进行了系列试验，研究侧体位置对阻力的影响，详细分析了三体船各船体之间的兴波干扰、剩余阻力曲线特征和阻力成分。通过阻力换算，对三体船、双体船和单体船的有效功率进行了比较，结果显示出三体船在阻力性能方面的巨大潜力。