滑行面形狀對滑行艇阻力與航態(tài)影響數(shù)值分析.pdf

1、滑行艇作為最早的動力增升型船舶以其尺度小、航速高、機動靈活等特點在軍事和民用領(lǐng)域有著極其廣泛地應(yīng)用?；型Ц咚俸叫袝r艇體抬升至水面上,因此其水動力性能較常規(guī)排水型船舶有很大的不同,在從靜浮狀態(tài)到高速滑行狀態(tài)過程中,阻力成分、相應(yīng)的阻力規(guī)律以及航行姿態(tài)都會發(fā)生較大的變化?；型г诟咚倩袪顟B(tài)下僅僅艇底滑行面與水面接觸,依靠滑行面所提供的動升力和力矩保持動態(tài)平衡,當(dāng)滑行面形狀發(fā)生改變時,將直接影響到滑行艇的受力和航態(tài),為了獲得阻力性能優(yōu)良的

2、滑行艇艇型,就必須深入了解滑行面形狀對滑行艇阻力與航態(tài)的影響規(guī)律。由于滑行艇水動力性能特點與常規(guī)船型存在巨大的差異,目前還沒有較好的理論方法預(yù)報其阻力與航態(tài),因此對其水動力性能的研究主要依靠船模試驗或者基于試驗的經(jīng)驗方法,但受試驗條件以及對阻力影響因素考慮的不同,這些方法都存在著一定的局限性,不能系統(tǒng)地研究滑行面參數(shù)變化對滑行艇阻力與航態(tài)的影響。本文旨在采用CFD技術(shù)探索有效的滑行艇阻力與航態(tài)計算方法,并對數(shù)值方案的有效性進行驗證,用經(jīng)

3、過檢驗的計算方法分析滑行艇滑行面形狀和相應(yīng)的參數(shù)變化對阻力與航態(tài)影響,為船型研發(fā)和分析提供參考。為此,本文在以下幾個方面開展了工作:
　　1.建立了適應(yīng)高速滑行狀態(tài)下滑行艇粘性繞流數(shù)值模擬的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方案。根據(jù)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格特點,結(jié)合滑行艇數(shù)值模擬時對艇底動壓力分布以及自由液面波高精確捕捉的要求,分別探討了船體表面第一層網(wǎng)格節(jié)點高度、船體表面網(wǎng)格劃分以及流域網(wǎng)格節(jié)點分布系數(shù)三個因素對阻力計算精度、收斂速度以及計算穩(wěn)定性的影響。

4、　　2.確定了滑行艇數(shù)值計算中湍流模型和時間步長對阻力計算精度以及流場捕捉的影響。由于不同湍流模型對雷諾應(yīng)力做出的假定和處理方式不同,有其各自的應(yīng)用范圍,從計算收斂性、阻力計算精度以及物理流動的精確捕捉三個方面探討不同湍流模型對高速滑行艇數(shù)值模擬的影響;比較了時間步長對帶自由液面的滑行艇繞流計算這類非穩(wěn)態(tài)問題,在數(shù)值算法的穩(wěn)定性,收斂速度以及計算精度上的影響?？紤]到滑行艇在不同速度下航態(tài)變化較大的特點,利用多個模型試驗狀態(tài)對數(shù)值計算方案

5、進行驗證,確定數(shù)值方案的魯棒性。
　　3.實現(xiàn)了動力學(xué)平衡條件下滑行艇自由運動的實時模擬,阻力與航態(tài)的準(zhǔn)確計算。為實現(xiàn)滑行艇阻力和航態(tài)的準(zhǔn)確預(yù)報,在上述確定的滑行艇阻力數(shù)值計算方案的基礎(chǔ)上,采用運動域方法依據(jù)動力學(xué)平衡條件對滑行艇自由運動進行模擬。分別通過約束模型、自由模型以及Savitisky方法對簡單棱柱形滑行艇在不同航速下的阻力、縱傾角和升沉進行預(yù)報,并與試驗結(jié)果對比,比較不同方法在計算精度和收斂速度上的優(yōu)劣?？疾霤FD方法

6、在滑行艇阻力與航態(tài)計算方面的可靠性,以及對復(fù)雜艇型的適應(yīng)能力,比較了自由模型和Savitisky方法對具有復(fù)雜滑行面滑行艇在不同航速下阻力和航態(tài)的預(yù)報結(jié)果,利用模型試驗對計算結(jié)果進行驗證。研究過程中采取了相關(guān)措施,減小了采用運動域方法時對計算收斂性和自由液面波形捕捉的不良影響。
　　4.探索了寬度、斜升角、縱向曲度和橫向彎曲等滑行面參數(shù)對滑行艇阻力與航態(tài)的影響規(guī)律。船型變化過程中,除了保持排水量和重心縱向位置不變外,為了體現(xiàn)部分經(jīng)

7、驗公式的局限性,還加入了其它約束條件。寬度的影響主要考察比較了船長一定時,長寬比變化以及艉舯部平均寬度不變時,艉舯部寬度比對滑行艇阻力與航態(tài)的影響;比較了斜升角艏艉一致時不同角度以及艉舯部平均斜升角不變時,艉舯部斜升角比的影響,分析了滑行面嚴(yán)重扭曲時阻力增大的原因;對比了不變斜升角情況下縱向曲度和斜升角與縱向曲度耦合變化時的影響,比較了不同船型的艇底壓力分布情況;將橫剖面分為龍骨區(qū)、主滑行區(qū)以及舭部三個區(qū)域分別就其形狀參數(shù)改變的影響進行