三维近自由表面水翼升力线理论

文章将普朗特的升力线理论扩展到自由表面下的三维水翼升力分析问题。二维水翼升力计算采用奇点分布法,三维水翼升力采用普朗特的马蹄涡叠加法,得到了三维水翼升力线计算理论。并且都考虑了自由表面的影响。在算例中,针对不同的潜深和翼弦长度,给出了升力系数和潜深弗汝德数的关系。其计算结果与其他文献所给的结果相比吻合得很好。     

近自由面三维水翼的水动力分析及试验研究

采用面元法对近自由面三维水翼进行势流数值分析并进行了相关试验研究。在数值计算中,将Rankine源和偶极子置于边界面上,用时间步进法模拟水翼的势流场和自由表面波形。在自由面采用非线性自由面边界条件,在尾涡面上采用偶极子布置以满足Kutta条件。文中给出了数值计算模型的参数,对于不同浸深、不同航速和不同攻角下的水翼,计算了水翼表面上的压力分布,水翼的阻力和升力及自由表面波形。数值计算结果与试验结果进行了对比。结果表明,文中方法可用于水翼优化设计、近自由面振动翼运动及水翼船兴波等问题的研究。     

基于MSC.Patran的水翼升力求解方法研究

根据已有的水翼升力面理论计算方法及成果,对水翼模型进行部分简化,并借助MSC.Patran实现了水翼模型和流场计算域的参数化建模,设置边界和工况后,对水翼航行中的升力使用有限元法进行迭代求解。与已有规律和试验结果对比表明,使用参数化建模和有限元法可以计算出水翼的升力以及自由面的形变数据。不仅减少了手工劳动,而且预报了水翼的升力及分布。     

基于面元法的二维物体绕流分析

文中基于面元法,在物体表面边界分布源汇和偶极子,发展了一种数值求解二维水翼定常绕流问题的计算模型。该方法以物面速度势为未知量进行求解,进而得到水翼的压力分布和相关水动力性能参数。通过数值计算结果与试验数据和相关理论解析解的比较分析,证实了本方法的可行性和可靠性。     

螺旋桨扰动速度场数值预报

本文给出了螺旋桨周围流场的预报方法及其数值计算结果。本方法以具有涡分布和源汇分布的升力面来构造螺旋桨对流场的状动。升力面取奖叶拱弧面。根据桨叶表面流动不穿透条件解出升力面奇点后，然后再求它们对流场的扰动。敞水螺旋桨的脉动速度计算结果与试验结果吻合良好。     

浅浸矩形水翼升力的理论计算与试验

本文讨论浅浸矩形水翼升力的问题。如果已知机翼的升力系数 C_(L∞),则水翼的升力系数 C_L=KC_(L∞)。为了简化计算在计算方法中只讨论计算 K 的方法。文中首先用已有的简单方法进行了计算分析。结果表明在速度较高时可以忽略重力的影响,在浅浸深时弦长与翼厚都是必须考虑的因素。其次导出了浅浸矩形水翼升力的计算方法。导出公式的主要假定是(1)水翼上下表面对升力的贡献可以分别考虑。水翼上表面对升力的贡献受自由面影响,下表面对升力的贡献不受自由面影响。(2)水翼运动速度投高可以忽略重力的影响。在计算上表面的自由面修正因子 K 时,采用升力面方法。计算时首先论证了Π形涡沿展向分布对 K 没有贡献,在弦向只须布置四个Π形涡就足够。所以用布置在弦向的四个Π形涡来计算水翼上表面的 K。最后进行了相对厚度=0.1,展弦比 AR=6,10;=0.06,AR=4,6等四个方案圆背形剖面矩形水翼的升力试验。试验结果表明在浅浸深时零升力角随浸深有很大改变,并导出了水翼展弦比的修正方法。把试验结果经展弦比修正后制成计算=0.1与=0.06圆背形矩形水翼升力系数的诺莫图。计算其它厚度水翼的升力,可用上述二厚度水翼的结果线性插入。     

近水面水翼影响的船舶兴波时域计算研究

近水面水翼的兴波由升力线的自由面兴波来表达,船体的兴波考虑升力线兴波的干扰影响,三维时域格林函数法用于船体的兴波分析计算.以Wigley船型为数值计算例,考虑近水面水翼的影响,分别对单体船和双体船进行了船舶兴波计算研究,提供了兴波波形和兴波阻力的计算结果.以系列60船型为数值计算例,把计算的结果与发表的有关结果进行对比,具有较好的吻合.本文还对船舶自由表面兴波波形进行了时域数值仿真.     

关于m-项及三维船舶在波浪中运动的一种数值计算方法(英文)

文章提出一种基于Rankine源分布的三维船舶运动数值计算方法。该方法可求解定常及非定常的船舶兴波势流场。自由表面条件利用迭模解进行线性化,而物面条件中包含了m-项。由于m-项是定常速度势的物面二阶导数,数值计算有一定困难。文中使用一种直接数值差分方法计算m-项。文中也提出一种满足远方辐射条件的数值差分方法。船舶的下沉和纵倾则通过迭代求解稳态兴波问题获得,从而确定船舶在有航速时的湿表面再进行耐波性计算。该方法的计算与现有模型试验进行了比较,结果令人满意。     

近自由表面大展弦比超空泡水翼的研究

本文采用非线性超空泡水翼二维解,考虑了重力效应及水翼兴波速度势,应用升力线理论对近自由表面三维超空泡水翼进行了研究,并以平板水翼为例作了计算,所得的结果比Furuya1975年的工作有所推进。     

定常和不定常运动水翼表面最小压力的预报(渐近匹配法)(英文)

本文根据渐近匹配展开法提出了在自由表面附近作定常和不定常运动的有限展弦比水翼的最小压力的理论求解方法。外场(不包括水翼导缘附近)问题的求解是在线性小摄动理论的假定条件下建立的,有关的积分方程以配置法数值求解;而在水翼导缘附近,因该处的摄动不是一小量,故建立了内场问题。然后将外场和内场流动的描述进行匹配,给出正确一致的解。最后还以示例计算了有限展弦比水翼在定常和不定常运动时的最小压力图。     

三维水翼升力线理论(英文)

Prandtl’s lifting line theory was generalized to the lifting problem of a three-dimensional hydrofoil in the presence of a free surface. Similar to the classical lifting theory, the singularity distribution method was utilized to solve two-dimensional lifting problems for the hydrofoil beneath the free surface at the air-water interface, and a lifting line theory was developed to correct three-dimensional effects of the hydrofoil with a large aspect ratio. Differing from the classical lifting theory, the main focus was on finding the three-dimensional Green function of the free surface induced by the steady motion of a system of horseshoe vortices under the free surface. Finally, numerical examples were given to show the relationship between the lift coefficient and submergence Froude numbers for 2-D and 3-D hydrofoils. If the submergence Froude number is small free surface effect will be significant registered as the increase of lift coefficient. The validity of these approaches was examined in comparison with the results calculated by other methods.     

一种船体及周围自由面的网格自动生成方法

船体湿表面及船体周围的自由面网格自动生成技术是采用Rankine源方法进行水动力分析的基础.文中使用累加弧长三次参数样条函数生成船体湿表面网格,使用无限插值的方法生成自由面网格,运用拉伸变换确定自由面网格外边界上的结点分布以控制自由面面元的疏密.使用该方法生成的网格进行了水动力分析,计算结果表明该方法准确灵活,可以满足使用Rankine源方法对船舶进行水动力分析的需要.     

浅窄航道非线性兴波阻力数值计算

应用Rankine面元法计算船舶在浅窄航道中作匀速直航运动时的非线性兴波阻力．基于势流理论，在船体表面、自由面以及岸壁分布Rankine源来表达流场速度势，利用迭代方法满足非线性自由面边界条件，采用映像法满足水底边界条件，采用网格错位法满足辐射条件．以Wigley数学船型为例进行计算，通过改变航速和航道宽度参数，得到相应的兴波阻力．通过分析不同航速下航道宽度变化对兴波阻力的影响，得到了一些有意义的结论．     

一种计算非线性兴波阻力的基于NURBS的高阶面元法(英文)

文章开发了一种用于求解非线性兴波阻力问题的基于非均匀有理B样条(NURBS)的高阶面元法.该方法采用NURBS基函数表达物面几何和边界面上的源强分布.为了满足非线性自由面边界条件,开发了一个迭代算法;辐射条件通过采用网格错位的数值技术得到满足.以Wigley数学船型为例,在一系列的船速下计算了非线性兴波阻力.数值结果表明所提出的方法对于计算兴波阻力是精确和有效的.     

The effect of finite depth on 2D and 3D cavitating hydrofoils

The iterative numerical method that has been developed for cavitating hydrofoils and surface piercing bodies moving inside a numerical towing tank is modified and extended to the case of fully submerged, both two- and three-dimensional cavitating hydrofoils in water of finite depth, and the effects of subcritical speed, critical speed and supercritical speed are investigated in detail. The iterative numerical method based on Green’s theorem allows separating the cavitating hydrofoil problem, the free surface problem and finite bottom problem both in two and three dimensions. The cavitating hydrofoil surface, the free surface and the surface of finite bottom are modeled with constant strength dipole and constant strength source panels. While the kinematic boundary condition is applied on the hydrofoil surface, a dynamic condition is applied with a cavity closure condition on the cavity surface. The source strengths on the free surface are expressed in terms of perturbation potential by applying the linearized free surface conditions. No radiation condition is enforced for downstream and transverse boundaries. The source strengths on the bottom surface are zero because of vanishing normal velocity. The method is applied to 2D and 3D cavitating hydrofoils, and the effect of finite bottom on lift and drag coefficients, cavity number and wave elevation is investigated.     

Fully three-dimensional ship seakeeping computations with a surge-corrected Rankine panel method

A 3-d seakeeping code uses first-order Rankine panels with special numerical integration on the ship's hull and Rankine point source clusters above the free surface. The code computes the motions of the ship in regular waves of small height (linearized). The steady flow is captured without simplification by solving the fully nonlinear wave-resistance problem first. A special treatment of the surge motion considers the influence of periodic quantities on thrust and resistance, and improves surge motion predictions. Radiation and open-boundary conditions are enforced by staggered grids. Results for the ITTC standard test case S-175 containership agree well with experiments except for very long waves. The importance of capturing the three-dimensional steady flow contributions is also demonstrated.     

近水面椭球体非线性兴波的数值模拟

本文开发了一种去奇异面元法用于计算以定常前进速度运动的近水面椭球体引起的三维非线性自由面势流.采用求解非线性深水波的Stokes理论求解该定常非线性问题;物面用NURBS(非均匀有理B样条)表达;孤立的Rankine源分布在物体内部和自由面上方.给出了波型、波阻以及收敛特性随一些参数的变化规律.波阻计算结果和他人的其它数值结果进行了比较,其吻合程度令人满意.     

直接边界元法时域全非线性兴波计算

文章在时域中采用直接边界元的方法计算模拟了以稳定航速运动的近水面潜体全非线性兴波现象.从格林定理出发,在边界面上布置Rankine源和偶极子,采用时间步进的方法计算模拟潜体近自由面运动的兴波现象.每个时步自由面上的势和节点位置采用全非线性拉格朗日自由面边界条件求解,重新生成自由面网格准备下一个时步计算的初始条件.文中给出了数值计算的结果并与试验和线性计算的结果相比,证实了该方法是可靠的,并可以利用该方法建立数值波浪水池.     

预报螺旋桨水动力性能的一种改进的面元法

采用一种改进的面元法预报螺旋桨水动力性能,将桨叶和桨毂表面离散为四边形双曲面元,每个面元上布置等强度的源,拱弧面和尾涡面离散为布置涡的四边形双曲面元。通过控制点的物面条件求取奇点强度,进而得出桨叶压力分布以及螺旋桨敞水性能,与试验结果比较,计算结果令人满意。     

解三维水翼绕流的下潜涡环栅格法

在包含于机翼表面内的某次表面及尾涡面上分布法向偶极子,在翼面上满足物面边界条件,建立了解三维机翼绕流的下潜涡环栅格法.考虑到非线性的自由液面边界条件,用下潜涡环栅格法求解水翼绕流问题.通过算例验证了方法的正确性和程序的可靠性.本方法可用于水翼及水下安定翼和各种舵的水动力计算.