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原文传递滑行面形状对滑行艇阻力与航态影响数值分析

论文题名：	滑行面形状对滑行艇阻力与航态影响数值分析
关键词：	滑行艇;滑行面形状;水动力性能;阻力试验;航态影响
摘要：	滑行艇作为最早的动力增升型船舶以其尺度小、航速高、机动灵活等特点在军事和民用领域有着极其广泛地应用。滑行艇高速航行时艇体抬升至水面上,因此其水动力性能较常规排水型船舶有很大的不同,在从静浮状态到高速滑行状态过程中,阻力成分、相应的阻力规律以及航行姿态都会发生较大的变化。滑行艇在高速滑行状态下仅仅艇底滑行面与水面接触,依靠滑行面所提供的动升力和力矩保持动态平衡,当滑行面形状发生改变时,将直接影响到滑行艇的受力和航态,为了获得阻力性能优良的滑行艇艇型,就必须深入了解滑行面形状对滑行艇阻力与航态的影响规律。由于滑行艇水动力性能特点与常规船型存在巨大的差异,目前还没有较好的理论方法预报其阻力与航态,因此对其水动力性能的研究主要依靠船模试验或者基于试验的经验方法,但受试验条件以及对阻力影响因素考虑的不同,这些方法都存在着一定的局限性,不能系统地研究滑行面参数变化对滑行艇阻力与航态的影响。本文旨在采用CFD技术探索有效的滑行艇阻力与航态计算方法,并对数值方案的有效性进行验证,用经过检验的计算方法分析滑行艇滑行面形状和相应的参数变化对阻力与航态影响,为船型研发和分析提供参考。为此,本文在以下几个方面开展了工作: 　　1.建立了适应高速滑行状态下滑行艇粘性绕流数值模拟的结构网格划分方案。根据结构网格特点,结合滑行艇数值模拟时对艇底动压力分布以及自由液面波高精确捕捉的要求,分别探讨了船体表面第一层网格节点高度、船体表面网格划分以及流域网格节点分布系数三个因素对阻力计算精度、收敛速度以及计算稳定性的影响。　　2.确定了滑行艇数值计算中湍流模型和时间步长对阻力计算精度以及流场捕捉的影响。由于不同湍流模型对雷诺应力做出的假定和处理方式不同,有其各自的应用范围,从计算收敛性、阻力计算精度以及物理流动的精确捕捉三个方面探讨不同湍流模型对高速滑行艇数值模拟的影响;比较了时间步长对带自由液面的滑行艇绕流计算这类非稳态问题,在数值算法的稳定性,收敛速度以及计算精度上的影响。考虑到滑行艇在不同速度下航态变化较大的特点,利用多个模型试验状态对数值计算方案进行验证,确定数值方案的鲁棒性。　　3.实现了动力学平衡条件下滑行艇自由运动的实时模拟,阻力与航态的准确计算。为实现滑行艇阻力和航态的准确预报,在上述确定的滑行艇阻力数值计算方案的基础上,采用运动域方法依据动力学平衡条件对滑行艇自由运动进行模拟。分别通过约束模型、自由模型以及Savitisky方法对简单棱柱形滑行艇在不同航速下的阻力、纵倾角和升沉进行预报,并与试验结果对比,比较不同方法在计算精度和收敛速度上的优劣。考察CFD方法在滑行艇阻力与航态计算方面的可靠性,以及对复杂艇型的适应能力,比较了自由模型和Savitisky方法对具有复杂滑行面滑行艇在不同航速下阻力和航态的预报结果,利用模型试验对计算结果进行验证。研究过程中采取了相关措施,减小了采用运动域方法时对计算收敛性和自由液面波形捕捉的不良影响。　　4.探索了宽度、斜升角、纵向曲度和横向弯曲等滑行面参数对滑行艇阻力与航态的影响规律。船型变化过程中,除了保持排水量和重心纵向位置不变外,为了体现部分经验公式的局限性,还加入了其它约束条件。宽度的影响主要考察比较了船长一定时,长宽比变化以及艉舯部平均宽度不变时,艉舯部宽度比对滑行艇阻力与航态的影响;比较了斜升角艏艉一致时不同角度以及艉舯部平均斜升角不变时,艉舯部斜升角比的影响,分析了滑行面严重扭曲时阻力增大的原因;对比了不变斜升角情况下纵向曲度和斜升角与纵向曲度耦合变化时的影响,比较了不同船型的艇底压力分布情况;将横剖面分为龙骨区、主滑行区以及舭部三个区域分别就其形状参数改变的影响进行分析。　　5.总结了断阶对滑行艇阻力与航态的影响规律。比较了不同断阶高度影响,分析了导致不同断阶高度下减阻效果不同的原因;比较了不同斜型断阶、圆弧型断阶在不同断阶参数下的影响;考虑了断阶纵向位置与重心纵向位置匹配性的影响,就不同断阶纵向位置和重心纵向位置的耦合变化进行了比较。
作者：	孙华伟
专业：	流体力学
导师：	黄德波
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2012
正文语种：	中文