滑行艇阻力计算方法对比研究

[目的]小型快艇具有机动灵活、隐蔽等特点,滑行艇作为小型快艇的重要种类,被广泛应用于民用和军事用途,因而准确计算滑行艇阻力对滑行艇性能的改进就显得尤为重要。[方法]首先,基于根据美国62系列滑行艇船型资料设计得到的一型滑行艇,分别运用半理论半经验方法和CFD方法对该型艇模型阻力性能进行计算,然后,通过船模试验予以验证并对采用各种方法所得计算结果进行分析。[结果]研究表明,半理论半经验方法可以较好地模拟该型滑行艇阻力变化趋势,CFD方法在高速滑行状态下可以达到较高的计算精度,最小误差仅为0.38%。[结论]所得结果表明STAR CCM+软件能够有效模拟该型滑行艇的阻力性能,而在具体计算中采用何种方法则可根据所需精度和条件进行相应的取舍和选择。     

滑行艇阻力研究进展

本文分析了滑行艇阻力预报中常用的十余种方法,指出了各种方法中参数的变化范围、适应的艇型及存在的问题;讨论了理论求解的困难和减阻措施;说明了在滑行艇阻力预报中常被忽视的艇形概念及其重要作用。     

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.     

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。     

游艇阻力估算方法比较

依游艇的分类,分别选择某66 ft过渡型游艇和25 ft滑行型游艇,应用数值模拟软件和经验估算方法分别计算其在不同工况下的阻力,包括各方法计算的阻力随体积弗汝德数的变化以及用计算流体软件XFlow计算的游艇在自由液面的速度场、涡流场和波形,对比发现,大隅三彦方法的计算结果比较接近数值模拟的结果,大隅三彦图谱法估算半滑行艇的阻力可行,用大隅三彦经验公式估算滑行艇的阻力比较可靠。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于多块结构网格的滑行艇巡航时流场研究

滑行艇是一种依靠动升力高速航行的船体,其流场复杂。为了捕捉滑行艇航行的流场特征,本文根据滑行艇的流场梯度变化建立合适的结构网格,采用RANS结合VOF方法对滑行艇不同航速的运动进行数值模拟,将不同体积傅汝德数下的滑行艇阻力的计算值与理论值和试验值进行对比,验证了数值方法的可靠性。详细分析了滑行艇航行的流场,包括水面兴波、方尾虚长度以及侧向喷溅现象。最后根据滑行艇的流场完整性,设计了外挂对转桨,并给出了自航滑行艇的流场特性。     

大浪中超临界航行艇的开发

两艘超临界滑行艇模型在静水和波浪中经过试验,并研究了滑行面的升力分布、后体形状和飞溅流反转器的几何形状。这些试验包括:带和不带纵倾楔块的平底、拱形底艇、改变飞溅流反转器的宽度、高度和角度。在挪威260米拖曳水池中的试验表明升沉和纵摇响应同加速度一样都很低。而且,加速度和运动响应随速度上升而下降。我们还研究了超临界航行随波长和速度变化的一些判据。试验结果同早先进行的双体水翼艇和半滑行艇的模型试验作了比较。     

滑行艇喷溅阻力特性模型试验研究

通过开展棱柱型滑行艇喷溅阻力的模型试验研究,提出了一种滑行艇喷溅阻力的计算分析方法.试验选取4组不同初始纵倾角τ=1.5°,2.2°,3.0°,5.0°,每个纵倾角对应2个吃水,分别为:τ=1.5°时吃水dA=37.3,27.3 mm;τ=2.2°时dA=58.0,38.0 mm;τ=3.0°时dA=58.0,48.0 mm;τ=5.0°时dA=73.0,53.0 mm.每个吃水下的航速分别为1,2,3,4,5 m/s共计40种工况.通过在艇底布置压力传感器测量航行过程中受到的水动压力,同时采用高速摄像机拍摄的视频捕捉航行过程中的喷溅区域和滑行面,开展滑行面压力传感器数据的处理分析,确定了滑行艇滑行面的阻力特性,在此基础上采用间接法完成了滑行艇喷溅阻力的分析计算.结果表明:高速滑行状态下,滑行艇的喷溅阻力约占总阻力的22%~35%.     

滑行艇水动力计算（3）

滑行艇水动力计算的目的是估算艇的水动力阻力。滑行艇以排水状态航行时，其水阻力计算基本上与普通的排水航行船只相同。但当它起飞后滑行于水的自由表面上，仅部分艇底与水面接触，从而支承面和浸湿面积随速度增长而减少。此时，适用于排水航行船只的阻力计算方法对滑行艇已不适用。     

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。     

断级在倒V型槽道滑行艇上的应用研究

根据断级减阻工作原理,提出了适合倒V型槽道滑行艇特点的断级设置方案。该方法在分析艇型特点基础上利用CFD技术研究了断级设置前后滑行艇水动力特性的差异。结果显示:断级设计方案在傅汝德数Fr▽=5. 83时减阻效果为10%,且对艇体的航行姿态影响较小,因而高速快艇采用断级有利于提高滑行效率、降低阻力。     

滑行艇的垂向面动力特性预报与实测的对比

高速滑行艇的设计对造船工程师提出了特殊挑战。与这类艇型的功率和动力特性有关的运行难点，已有文献资料过广泛报道。滑行艇与排水型船不同，其动力特性及动力特性通常不适用于线性分析，高航速，小纵倾向以及浅吃水产生明显的非线性。滑行的水动力学解析研究最早始于1930年，当时Karman与Wagner对水上飞机降落问题进行了研究。此后，对滑行艇静水稳态特性的研究付出很大的努力。相反，对滑行动态特性却很少加以关注。为了实证一种称之谓POWERSEA的时域滑行模拟器作为预报手段的有效性，做了一定努力。其程序依据的是Martin和Zamick提出的理论。实尺度试验是用一艘25ft,6400lb的艇在佛罗里达州巴拿马城的海军海岸系统站进行的，艇上配备2台三轴加速度计和1台Watson惯量测试设备，在静水和穿越一艘艇的尾流中进行了测试，测试参数包括速度，纵荡和垂荡加速度，纵摇速率和波浪侧形随时间变化的历程，将艇的几何形状和速度以及滤浪侧形图输入至POWERSEA模拟器中，然后将试验数据与合成的动力特性预报进行对比。     

高速双体滑行艇的特点、用途及发展动向

根据长城系列四种近二十型高性能双体滑行艇研究、设计、试验及使用情况，列举了双体滑行艇的综合优势及特点；叙述了四种双体滑行艇的适用范围及用途；介绍了多双体滑行艇技术发展的若干趋向。     

高速滑行艇气动阻力试验及数值研究

针对所研发的高速滑行艇型,采用风洞试验及数值模拟方法研究其在静水面高速航行时的气动阻力特性。其中,数值模拟方法基于雷诺平均N-S方程及Realizable k-ω湍流模型。结果表明:数值模拟结果与风洞试验结果吻合得较好,误差在5%以内,精度满足工程应用要求。同时,数值及试验结果也表明,合理的气动力艉型能有效抑制滑行艇尾部的流动分离以及尾涡现象,使滑行艇气动阻力下降15%左右。     

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。