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原文传递滑行艇高速航行稳定性能数值与试验研究

论文题名：	滑行艇高速航行稳定性能数值与试验研究
关键词：	滑行艇;航行稳定性;水动力性能;计算流体力学;运动模型
摘要：	滑行艇作为一种结构形式简单的高性能船舶，因其优良的快速性和机动灵活性而得到广泛关注，普遍应用于巡逻、搜救、侦查、观测、娱乐以及军事用途等。滑行艇高航速下处于滑行状态，受水动升力作用艇体被抬升，艇体排水体积大幅减小，总阻力相应降低，易达到较高航速。但由于排水量较小，运动稳定性能较低而难以适应恶劣、复杂海况，因此其适航性受到限制。为研究滑行艇高速航行稳定性能影响因素，本文以计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）和模型试验为主要技术手段，对滑行艇高速航行横稳性损失、启动过程加速度对滑行艇水动力性能的影响、规则波中迎浪运动性能等问题进行了讨论和分析。　　首先，对VOF RANS（volume of fluid，Reynold average Navier Stokes）求解高速滑行艇水动力问题的计算方法和计算精度进行研究，验证了二维楔形体入水砰击的数值计算精度。并基于二维变形横剖面入水砰击等效求解三维滑行艇稳定直航动升力问题。对高速滑行艇进行三维绕流稳态计算，并结合瞬态运动求解器求解滑行艇多自由度运动问题，稳态与瞬态计算值均与试验值进行比较，结果表明该数值方法可以准确高效求解高速滑行艇的多自由度运动和水动力性能。　　其次，分别采用模型试验方法和数值模拟方法对滑行艇横稳性损失问题进行研究。设计了固定横倾角模型试验，令滑行艇模型以不同固定横倾角在不同航速下稳定航行，稳定状态下测量其横倾回复力臂，得到静稳性臂衡量其横稳性，同时进行数值模拟将试验与数值结果进行对比，验证精度。与无航速静稳性相比，滑行艇在高航速下横稳性出现损失，在半滑行状态下损失最为严重，仅在极高航速较大倾角下横稳性恢复并出现增高现象。进一步在数值模拟中采用自由横倾角模型进行模拟，在滑行艇模型上施加固定横倾力矩，开放横摇自由度，待运动稳定后测量其横倾角作为判定滑行艇横稳性损失状况的依据，得到的结果与固定横倾角模型结论一致，再次验证滑行艇横稳性求解精度。研究中发现横稳性损失程度与滑行艇纵倾角有关，进而讨论了重心纵向位置对滑行艇横稳性损失的影响。　　再次，数值模拟了滑行艇启动过程，假设滑行艇以匀加速度启动，讨论了加速度对启动过程中滑行艇航行姿态及水动力性能的影响。结果表明伴随加速度增加，滑行艇纵倾角相应减小而阻力基本保持不变，增大加速度有利于降低滑行艇纵倾角，对增加滑行艇稳定性能有利。当滑行艇以极小加速度启动时，可近似认为滑行艇受力平衡，数值计算中可用小加速度启动模拟滑行艇稳定直航状态，仅通过1次模拟可以得到所有航速下的航行姿态及水动力参数，显著提高了数值计算效率。　　然后，结合数值造波技术对滑行艇在规则波中的迎浪运动规律进行研究。选取高速滑行艇耐波性模型试验进行模拟，验证了数值求解滑行艇迎浪运动计算精度。观测到滑行艇在规则波中迎浪运动的3种运动方式即无跳跃、规则跳跃和不规则跳跃运动，运动方式与波浪参数与航速有关。在不同航速、波长及波高下对滑行艇运动进行模拟，讨论了滑行艇跳跃发生的条件分布区间，并分析了跳跃发生对滑行艇纵向运动幅度的影响。　　最后，分别采用模型试验方法和数值方法对自主设计的三体槽道滑行艇的水动力性能进行研究。结合该船型特点分析其阻力特性和影响因素，数值观测其槽道内的两相流分布情况和艇底压力分布情况。根据设计需求，讨论了不同重心纵向位置和不同排水量对该艇型阻力性能的影响。
作者：	王硕
专业：	流体力学
导师：	庞永杰
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文