高速滑行艇“海豚运动”现象的实时数值预报方法

基于计算流体力学软件FLUENT及滑行艇纵向运动方程,编写了耦合求解滑行艇纵向运动响应特性的数值预报程序,进行了均匀来流中三维滑行艇模型"海豚运动"现象的数值模拟,分析了滑行艇在不同航速及重心位置条件下的升沉、纵摇运动特性.结果表明:当滑行艇的重心与艇艉的距离lg=0.231L(L为艇长),体积Froude数Fr▽≥2.7时,滑行艇出现"海豚运动"现象,且艇体的升沉量、纵倾角和响应频率均随着航速的增加而增大;当Fr▽=5.0,滑行艇重心处于lg=0.381L,0.351L时均出现"海豚运动"现象,且其升沉量、纵摇角的幅值和响应频率均随着重心纵向位置移向艇艉而增大.     

片体对滑行艇横向抗倾覆性影响的数值研究

为提升滑行艇的横向抗倾覆性,提出了一种能够自由收放片体的新概念滑行艇,并对其单体和三体形态强迫横倾时的横向复原力臂和阻力进行了分析.首先,采用RANSE-VOF求解器计算无横倾时的阻力和航态,并开展试验进行验证.然后,模拟两种形态下不同固定横倾角静水中艇周围的绕流场,分析横倾角和片体纵横向位置对横向复原力臂和阻力的影响.研究结果表明:相比无横倾,当单体艇处于滑行阶段较小横倾时阻力显著下降,横倾角的增大使复原力臂更容易随航速增加而被提升;片体的释放能极大提升艇的横向抗倾覆性,且横倾角越大,效果越明显;当排水或半滑行阶段发生较小横倾时,片体横向比率应大于0.6,纵向应稍靠前,当发生较大横倾时,能够获得较大横向复原力臂的片体纵向位置随航速增加逐渐向后移动.     

断阶3体滑行艇阻力试验研究

通过3体滑行艇不同滑行面形式的对比模型试验,研究了断阶对3体滑行艇阻力性能及运动姿态的影响,比较了3体和单体滑行艇在有无断阶时的阻力性能特点,并对船体2侧喷溅进行了观察.结果表明：无断阶3体滑行艇在第2个阻力峰出现以前阻力与航态的变化趋势同无断阶单体滑行艇一致.加入断阶后3体滑行艇阻力与航态的变化与单体滑行艇加入断阶后的变化不同,断阶3体滑行艇第2个阻力峰消失,阻力随速度的提高而增大,断阶数目越多阻力增长越快;航态变化趋势与无断阶类似,第2次航态出现较大变化的时间随断阶数目的增多而提前.试验中观察发现：无断阶方案的2侧槽道有使喷溅流整顺和形成气垫的作用,而有断阶方案的槽道内喷溅流混乱.     

静水中高速艇纵向运动数值模拟

为准确估算高速艇在静水中航行的水动力性能,以某高速艇为研究对象,基于CFD（Computational Fluid Dynamics）技术,应用切割体网格和重叠网格、两相流、VOF模型、6-DOF模型等物理模型和k－ε湍流模型,对静水中高速艇升沉、纵摇耦合运动进行数值模拟,分析了高速艇阻力随航速变化及运动过程中纵倾角度和重心位置的变化情况,并将计算结果与船模实验值进行了比较,以证明高速艇纵向运动水动力性能数值模拟方法的可行性和准确性.     

滑行艇静水直航及波浪中运动的数值模拟

为准确估算滑行艇的水动力性能,基于RANSE VOF求解器,选取滑行艇拖曳阻力模型实验和耐波性模型实验,采用切割体网格和整体动网格技术,对滑行艇在静水中的高速直航和在规则波浪中的迎浪运动进行了多自由度数值模拟.为验证模拟的真实性,将模拟计算值与实验值进行比较,结果表明,计算流体动力学技术可以准确且高效地模拟滑行艇在静水以及波浪中高速航行时的运动姿态和水动力特性,为滑行艇设计提供可靠的参考依据.     

基于FLUELT的滑行艇直航运动数值模拟计算

针对滑行艇运动的水动力性能预报问题,在FLUENT软件平台上,使用VOF方法,结合RNGk-ε模型,通过求解Navier-Stokes方程,对水面滑行艇的直航运动进行数值模拟计算,获得滑行艇航行阻力随航速变化规律.该规律直观反映了滑行艇周围流场变化情况和滑行艇艇底的压力变化情况.FLUENT计算结果与船模试验值及理论估计值的比较结果证明了在FLUENT平台上模拟水面滑行艇直航运动和研究水动力性能的可行性,该方法具有较高的准确性.     

局部气垫双体船阻力与航态性能试验研究

为验证局部气垫双体船的航行性能,对其阻力特性和航态性能进行试验研究.基于船模试验测量了其在不同排水量和不同重心条件下的阻力值、升沉幅值以及纵倾角度,分析了阻力、航态等特性随进气流量的变化规律.结果表明:当气垫长度傅汝德数小于0.8时,船体阻力随气垫进气流量减小而降低,并且此时的越峰能力较强;当船速增加时,船体阻力随气垫进气流量增加而降低.重心位置适当后移能有效改善船体表面的阻力特性.船型特有的滑行壁面能使其越峰后快速达到滑行状态,保证越峰后的快速性和纵向稳定性.     

圆碟形潜水器阻力性能研究

提出了一种新型碟形潜水器外形设计.在三维贴体坐标系下,采用有限体积法求解不可压缩的雷诺平均(RANS)方程,使用标准k-ε湍流模型实现方程的封闭,数值模拟了艇体周围的粘性流场.通过对不同雷诺数下的粘性绕流和阻力性能的研究,并与水池实验结果相比较,证明了数值计算在潜水器阻力性能研究方面的应用价值.     

槽道水翼滑行艇阻力性能试验研究

在道滑行艇的槽馘寂方装上首，尾水民办以及配装上属压浪板，试验结果表明：艇起滑快，能迅速越过阻力峰区，同时对调节和改善纵倾，航态稳定，底部拍击，降低阻力性能等方面有明显的效果。在整个滑行范围内平均比原槽道滑行艇阻力下降１６．０％以上。     

半浸状态下高速滑行体对波浪诱振的动力分析

针对高速滑行艇海豚不安定运动以及在波浪中的运动理论预测问题，因其运动微分方程式繁杂而且有许多假设和前提，需要在大型计算机上计算。应用简化了的高速滑行体模型在静水中滑行的升沉和纵摇运动的微分方程，提供了对不变侧缘角的高速滑行体在规则波浪中运动的动力分析方法。假定波长比滑行体长且滑行速度保持不变，通过对滑行体的流体诱振微分方程式的求解，得到其诱振响应的解析表达式。经验证，滑行体模型的理论计算与实验结果吻合较好，且计算简便。     

滑波航行器的水动力试验

摘要： 设计建造了滑波航行器的原理样机--漫步者I,并在水池中进行了静水环境下阻力试验、规则波中自航试验及无约束迎浪航行试验.研究了滑波航行器静水阻力成分以及规则波波长与波幅对滑波航行器浮体升沉幅度、纵摇角度、滑波推进器推力值及无约束航行航速的影响,得到了一系列波长、波幅下各参数变化的趋势.试验结果为数值计算提供了新的研究方向,为研发大航程低碳型无人水面艇奠定了技术基础.     

断级对三体滑行艇水动力性能影响的数值研究

为了研究三体滑行艇设置断级后的减阻效果,利用数值手段分别模拟了三体滑行艇的双断级方案和无断级方案在容积弗劳德数从3.14到5.83之间的绕流场,并将计算值与试验值进行了对比,验证了该方法的有效性.计算结果表明:槽道通气后其内部空气被吸入艇底形成了断级后空穴;所设置的双断级在减少艇底浸湿面积的同时提升了主艇体滑行面的滑行效率,在计算的速度范围内均有较好的减阻效果;断级对三体滑行艇的影响随着航速的增加而愈来愈明显,在计算的最高航速下,双断级可减少主艇体49.1%的浸湿面积,提升16.1%的主体升力,获得的阻力收益为17%;同时,断级还削弱了槽道内兴波,减少了槽道的浸湿面积.     

半滑行航态下三体船布局对附加质量影响的数值研究

为分析半滑行航态下(1.0Fr▽3.0)三体船侧体布局对附加质量和船舶操纵性能的影响,以wigley船为母型船建立不同侧体布局的三体船模型,考虑半滑行状态下升沉、纵摇变化,基于三维势流理论,采用面元法计算三体船六自由度附加质量水动力系数.结果表明:升沉、纵摇导致的湿表面和排水体积变化对三体船水平面上操纵性相关的纵荡、横荡和艏摇附加质量影响较大,较正浮状态下平均增幅分别为41.37%,21.74%及21.49%.侧体纵向布局一定情况下,横向布局对附加质量影响相对较小;横向布局一定情况下,侧体位于船体后方具有相对较大的艏摇附加质量,有利于船舶航向的稳定性;侧体布置船舯部具有相对较小的艏摇附加质量,有利于船舶转艏性能;侧体布置在船前部,船体艏摇附加质量和船舶转艏性能处于前两者侧体布置的性能之间.     

滑行艇阻力数值预报若干影响因素研究

针对滑行艇数值模拟中艇底出现异常水气分布的问题,研究了流体体积法(VOF)界面插值格式,网格类型、网格数目、时间步长等因素对滑行艇性能数值预报的影响,并提出改进措施.研究表明:当基于相同的结构化网格及计算设置时,采用几何重构界面插值格式预报滑行艇的阻力及底部水气分布最为准确,任意网格可压缩界面捕捉格式次之,修正的高分辨率界面捕捉格式最差.通过选择合理的网格类型及网格数目也可以改善滑行船体性能预报精度.SATR-CCM+采用多面体网格可以较为准确预报滑行艇体的流场和阻力.建议在滑行艇的阻力及流场预报中采用几何重构的VOF界面插值方式,减小时间步,选择多面体网格并进行适当的网格加密,这样可以提高水气界面捕捉的精度,减小阻力预报的误差.     

迭代型体积力法预报船舶推进性能

摘要： 应用计算流体动力学的方法（CFD）,采用迭代型体积力法,耦合螺旋桨势流涡格法（VLM）和船体周围黏性流场RANS（Reynolds Averaged Navier Stokes)方程,代替真实螺旋桨的作用,即将VLM法计算得到的推力和转矩分布插值后作为源项加载到RANS方程中,将RANS方程得到的流速扣减诱导速度后得到实效伴流作为VLM法计算的进流条件,计算得到新的推力和转矩值,重复迭代直至螺旋桨的推力变化达到收敛要求.在无舵情况下对集装箱船KCS(KRISO Container Ship)的自由面黏性流场进行了数值模拟,计算结果与试验结果吻合良好.整个计算过程由集成了VLM和RANS方程的程序自动完成.研究结果表明,迭代型体积力法可以快速准确地预报船桨干扰下船体的推进性能.     

纵倾角对筒基平台气浮拖航影响模型试验研究

以某四筒一简型基础平台为对象,就不同后倾纵倾角（后倾角）拖航组合,采用1：20的模型进行顺浪和逆浪下的拖航试验．通过测定各试验组合拖航过程中平台运动加速度、筒内气压力、筒底水压力以及拖缆力变化,并对试验数据进行对比分析,得到纵倾角对筒型基础平台拖航基本力学参数的影响,进而得出其对平台拖航稳性的影响．结果表明：设置一定的后倾角,可明显降低筒型基础平台拖航时的摇摆以及升沉运动的幅度,但后倾角对提高平台拖航稳性是有限的,与逆浪拖航相比,后倾角对平台顺浪拖航影响较大．对于该四筒一筒型基础平台,在顺浪和逆浪拖航中,当设置1。的后倾角时,平台的拖航稳性和耐波性均最高．     

高速船航态模拟与阻力预报CFD方法应用

中高速船在航行状态下,其航态与低速航行相比有较大的不同,对船舶的阻力有明显的影响。因此,此类船舶的阻力预报必须考虑船舶航行姿态的影响。现有公开发表的关于滑行艇垂向+纵向运动理论预报研究的资料不多见。基于Flu-ent平台对三维船体航态对阻力的影响进行研究,采用动网格技术模拟船舶的航态;同时,为了保证计算的连续性与稳定性,利用FLUENT二次开发平台,编写UDF程序,在离散的时间域内根据船体的受力对船舶运动进行干涉。计算结果表明该方法对船舶的水动力预报问题具有可行性。     

三体船升沉和纵倾计算及其对兴波阻力的影响

基于三维Rankine源方法迭代计算三体船静水航行时的兴波阻力、升沉和纵倾.计算过程中采用NURBS曲面表达船体,根据迭代计算得到的升沉和纵倾确定船体平均浸湿表面,并用铺砌法对其进行全四边形网格划分,计算三体船及其中体的兴波阻力、升沉和纵倾.计算结果与试验结果比较表明,所提方法能够较准确地预报三体船静水航行升沉和纵倾,且考虑升沉和纵倾后,三体船兴波阻力数值计算精度有明显改进.     

船舶操纵粘性流求解器的开发与应用

介绍了基于求解雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)方程的分区网格船舶操纵粘性流求解器,以及应用该求解器计算船舶操纵相关的粘性流动与水动力的研究工作.计算了舵的粘性流场和水动力,所预报的舵升力曲线和阻力曲线在舵角未达到失速角前,与现有的试验和计算结果符合良好,所预报的舵失速角稍偏小.还计算了6∶1椭球体和Wigley船体做大角度定常斜航运动时的3维粘性流场及水动力,正确地模拟这种以层流/湍流分离流为主的复杂粘性流动,从而检验和验证了该求解器精确模拟粘性分离流动和计算水动力的能力.     

计及浅水及岸壁效应的KVLCC2船体斜航运动水动力数值计算

通过求解不可压缩流动RANS方程,确定浅水及岸壁效应对船舶水动力的影响.选用RNG k-ε湍流模型,使用全六面体网格进行离散,数值模拟了KVLCC2船体在不同水深和航道宽度情况下作直航和斜航运动时的粘性流场,得到作用在船体上的水动力.将计算结果与试验结果对比,验证了计算方法的有效性.