滑行艇高速航行穩(wěn)定性能數(shù)值與試驗(yàn)研究.pdf

1、滑行艇作為一種結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單的高性能船舶，因其優(yōu)良的快速性和機(jī)動(dòng)靈活性而得到廣泛關(guān)注，普遍應(yīng)用于巡邏、搜救、偵查、觀測(cè)、娛樂以及軍事用途等?；型Ц吆剿傧绿幱诨袪顟B(tài)，受水動(dòng)升力作用艇體被抬升，艇體排水體積大幅減小，總阻力相應(yīng)降低，易達(dá)到較高航速。但由于排水量較小，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性能較低而難以適應(yīng)惡劣、復(fù)雜海況，因此其適航性受到限制。為研究滑行艇高速航行穩(wěn)定性能影響因素，本文以計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynami

2、cs,CFD）和模型試驗(yàn)為主要技術(shù)手段，對(duì)滑行艇高速航行橫穩(wěn)性損失、啟動(dòng)過程加速度對(duì)滑行艇水動(dòng)力性能的影響、規(guī)則波中迎浪運(yùn)動(dòng)性能等問題進(jìn)行了討論和分析。
　　首先，對(duì)VOF RANS（volume of fluid，Reynold average Navier Stokes）求解高速滑行艇水動(dòng)力問題的計(jì)算方法和計(jì)算精度進(jìn)行研究，驗(yàn)證了二維楔形體入水砰擊的數(shù)值計(jì)算精度。并基于二維變形橫剖面入水砰擊等效求解三維滑行艇穩(wěn)定直航動(dòng)升力問題

3、。對(duì)高速滑行艇進(jìn)行三維繞流穩(wěn)態(tài)計(jì)算，并結(jié)合瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)求解器求解滑行艇多自由度運(yùn)動(dòng)問題，穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)計(jì)算值均與試驗(yàn)值進(jìn)行比較，結(jié)果表明該數(shù)值方法可以準(zhǔn)確高效求解高速滑行艇的多自由度運(yùn)動(dòng)和水動(dòng)力性能。
　　其次，分別采用模型試驗(yàn)方法和數(shù)值模擬方法對(duì)滑行艇橫穩(wěn)性損失問題進(jìn)行研究。設(shè)計(jì)了固定橫傾角模型試驗(yàn)，令滑行艇模型以不同固定橫傾角在不同航速下穩(wěn)定航行，穩(wěn)定狀態(tài)下測(cè)量其橫傾回復(fù)力臂，得到靜穩(wěn)性臂衡量其橫穩(wěn)性，同時(shí)進(jìn)行數(shù)值模擬將試驗(yàn)與數(shù)值結(jié)果

4、進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證精度。與無航速靜穩(wěn)性相比，滑行艇在高航速下橫穩(wěn)性出現(xiàn)損失，在半滑行狀態(tài)下?lián)p失最為嚴(yán)重，僅在極高航速較大傾角下橫穩(wěn)性恢復(fù)并出現(xiàn)增高現(xiàn)象。進(jìn)一步在數(shù)值模擬中采用自由橫傾角模型進(jìn)行模擬，在滑行艇模型上施加固定橫傾力矩，開放橫搖自由度，待運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定后測(cè)量其橫傾角作為判定滑行艇橫穩(wěn)性損失狀況的依據(jù)，得到的結(jié)果與固定橫傾角模型結(jié)論一致，再次驗(yàn)證滑行艇橫穩(wěn)性求解精度。研究中發(fā)現(xiàn)橫穩(wěn)性損失程度與滑行艇縱傾角有關(guān)，進(jìn)而討論了重心縱向位置對(duì)滑行

5、艇橫穩(wěn)性損失的影響。
　　再次，數(shù)值模擬了滑行艇啟動(dòng)過程，假設(shè)滑行艇以勻加速度啟動(dòng)，討論了加速度對(duì)啟動(dòng)過程中滑行艇航行姿態(tài)及水動(dòng)力性能的影響。結(jié)果表明伴隨加速度增加，滑行艇縱傾角相應(yīng)減小而阻力基本保持不變，增大加速度有利于降低滑行艇縱傾角，對(duì)增加滑行艇穩(wěn)定性能有利。當(dāng)滑行艇以極小加速度啟動(dòng)時(shí)，可近似認(rèn)為滑行艇受力平衡，數(shù)值計(jì)算中可用小加速度啟動(dòng)模擬滑行艇穩(wěn)定直航狀態(tài)，僅通過1次模擬可以得到所有航速下的航行姿態(tài)及水動(dòng)力參數(shù)，顯著提高

6、了數(shù)值計(jì)算效率。
　　然后，結(jié)合數(shù)值造波技術(shù)對(duì)滑行艇在規(guī)則波中的迎浪運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究。選取高速滑行艇耐波性模型試驗(yàn)進(jìn)行模擬，驗(yàn)證了數(shù)值求解滑行艇迎浪運(yùn)動(dòng)計(jì)算精度。觀測(cè)到滑行艇在規(guī)則波中迎浪運(yùn)動(dòng)的3種運(yùn)動(dòng)方式即無跳躍、規(guī)則跳躍和不規(guī)則跳躍運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方式與波浪參數(shù)與航速有關(guān)。在不同航速、波長(zhǎng)及波高下對(duì)滑行艇運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬，討論了滑行艇跳躍發(fā)生的條件分布區(qū)間，并分析了跳躍發(fā)生對(duì)滑行艇縱向運(yùn)動(dòng)幅度的影響。
　　最后，分別采用模型試驗(yàn)方