滑行面形狀對(duì)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(dòng)力增升型船舶以其尺度小、航速高、機(jī)動(dòng)靈活等特點(diǎn)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(shí)艇體抬升至水面上,因此其水動(dòng)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(guò)程中,阻力成分、相應(yīng)的阻力規(guī)律以及航行姿態(tài)都會(huì)發(fā)生較大的變化。滑行艇在高速滑行狀態(tài)下僅僅艇底滑行面與水面接觸,依靠滑行面所提供的動(dòng)升力和力矩保持動(dòng)態(tài)平衡,當(dāng)滑行面形狀發(fā)生改變時(shí),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(duì)滑行艇阻力與航態(tài)的影響規(guī)律。由于滑行艇水動(dòng)力性能特點(diǎn)與常規(guī)船型存在巨大的差異,目前還沒(méi)有較好的理論方法預(yù)報(bào)其阻力與航態(tài),因此對(duì)其水動(dòng)力性能的研究主要依靠船模試驗(yàn)或者基于試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)方法,但受試驗(yàn)條件以及對(duì)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(duì)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(jì)算方法,并對(duì)數(shù)值方案的有效性進(jìn)行驗(yàn)證,用經(jīng)

3、過(guò)檢驗(yàn)的計(jì)算方法分析滑行艇滑行面形狀和相應(yīng)的參數(shù)變化對(duì)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(gè)方面開(kāi)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(diǎn),結(jié)合滑行艇數(shù)值模擬時(shí)對(duì)艇底動(dòng)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(diǎn)高度、船體表面網(wǎng)格劃分以及流域網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)分布系數(shù)三個(gè)因素對(duì)阻力計(jì)算精度、收斂速度以及計(jì)算穩(wěn)定性的影響。

4、　　2.確定了滑行艇數(shù)值計(jì)算中湍流模型和時(shí)間步長(zhǎng)對(duì)阻力計(jì)算精度以及流場(chǎng)捕捉的影響。由于不同湍流模型對(duì)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(jì)算收斂性、阻力計(jì)算精度以及物理流動(dòng)的精確捕捉三個(gè)方面探討不同湍流模型對(duì)高速滑行艇數(shù)值模擬的影響;比較了時(shí)間步長(zhǎng)對(duì)帶自由液面的滑行艇繞流計(jì)算這類(lèi)非穩(wěn)態(tài)問(wèn)題,在數(shù)值算法的穩(wěn)定性,收斂速度以及計(jì)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(diǎn),利用多個(gè)模型試驗(yàn)狀態(tài)對(duì)數(shù)值計(jì)算方案

5、進(jìn)行驗(yàn)證,確定數(shù)值方案的魯棒性。
　　3.實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力學(xué)平衡條件下滑行艇自由運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)模擬,阻力與航態(tài)的準(zhǔn)確計(jì)算。為實(shí)現(xiàn)滑行艇阻力和航態(tài)的準(zhǔn)確預(yù)報(bào),在上述確定的滑行艇阻力數(shù)值計(jì)算方案的基礎(chǔ)上,采用運(yùn)動(dòng)域方法依據(jù)動(dòng)力學(xué)平衡條件對(duì)滑行艇自由運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬。分別通過(guò)約束模型、自由模型以及Savitisky方法對(duì)簡(jiǎn)單棱柱形滑行艇在不同航速下的阻力、縱傾角和升沉進(jìn)行預(yù)報(bào),并與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,比較不同方法在計(jì)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(jì)算方面的可靠性,以及對(duì)復(fù)雜艇型的適應(yīng)能力,比較了自由模型和Savitisky方法對(duì)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(bào)結(jié)果,利用模型試驗(yàn)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。研究過(guò)程中采取了相關(guān)措施,減小了采用運(yùn)動(dòng)域方法時(shí)對(duì)計(jì)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(duì)滑行艇阻力與航態(tài)的影響規(guī)律。船型變化過(guò)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(yàn)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(zhǎng)一定時(shí),長(zhǎng)寬比變化以及艉舯部平均寬度不變時(shí),艉舯部寬度比對(duì)滑行艇阻力與航態(tài)的影響;比較了斜升角艏艉一致時(shí)不同角度以及艉舯部平均斜升角不變時(shí),艉舯部斜升角比的影響,分析了滑行面嚴(yán)重扭曲時(shí)阻力增大的原因;對(duì)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(shí)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(gè)區(qū)域分別就其形狀參數(shù)改變的影響進(jìn)行