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原文传递高速滑行艇运动响应的实时数值预报与喷溅特性研究

论文题名：	高速滑行艇运动响应的实时数值预报与喷溅特性研究
关键词：	高速滑行艇;流体动力特性;喷溅特性;运动响应;可控水翼;模型试验;实时数值预报
摘要：	滑行艇作为水面高速艇的代表船型,在内河巡逻、海上救护、海上快速运输、海洋环境探测等方面得到了广泛的应用,近年来发展迅速的水面高速无人艇大多采用滑行艇艇型,并在军事领域展现出诱人的应用前景。由于滑行艇在高速航行状态下的流体动力载荷及其运动响应具有十分复杂的强非线性特性,包含了水动力/气动力耦合作用载荷、自由面变形的流动分离与湍流、航行的纵向稳定性、随浪中的横甩、底部砰击与舷侧喷溅等瞬态非线性问题,对于滑行艇的航行稳定性、机动性和安全性产生至关重要的影响。　　本文基于计算流体力学软件FLUENT、滑行艇三自由度运动数学模型、模型制作与自航试验等研究方法开展了计及风载荷作用的滑行艇瞬态流体动力载荷、运动响应及其控制,建立了基于高速滑行艇流场数值计算结果的喷溅特性及喷溅阻力的定量分析和计算模型,提出计算喷溅区几何参数的方法,推导出喷溅阻力的计算公式;完成了计及风载荷的滑行艇瞬态运动响应的实时数值预报与理论预报,在此基础上提出了基于运动水翼系统的滑行艇姿态控制方法,并进行自航模型试验研究。主要研究内容包括: 　　完成了高速滑行艇约束模式下流场及流体动力性能的数值模拟,深入分析了滑行艇喷溅面积、艇底动压及喷溅阻力的变化规律;为精确计算喷溅区在水平面内投影的几何形状和特征雷诺数提出了四条假设,推导出由喷溅区面积计算喷溅区后缘驻线与龙骨线夹角、前缘边线与龙骨线夹角、边线、特征雷诺数的计算方法,同时提出了喷溅阻力的计算公式,并编写了后处理程序,能够完成滑行艇喷溅区流体动力性能的计算及喷溅区几何形状的绘制;通过与戴维逊实验室的经验公式和ITTC公式的计算结果相比较具有良好的一致性,验证了本文所建立的滑行艇喷溅特性数值计算模型的可靠性。　　采用FLUENT软件运动网格数值求解技术,耦合求解滑行艇纵向三自由度运动方程,构建了三维滑行艇瞬态流体动力及运动响应的实时数值预报模型及方法,开展了不同体积傅汝德数、不同重心位置模式下滑行艇运动响应的数值预报与分析,给出了各工况下滑行艇流场特性及航行姿态,分析了滑行艇响应运动过程中重心位置、纵倾角的变化规律,研究表明:相同航速条件下,重心位置后移引起滑行艇的升沉量和纵倾角增大;在重心位置相同的条件下,滑行艇由排水航行向滑行状态过渡期间,纵倾角随着航速的增加而增大;当滑行艇进入滑行艇状态后,随着航速的增加纵倾角下降,滑行艇的升沉量随着航速的增加不断增加。　　当滑行艇低速航行时,喷溅出现在艇艏部且面积较小,以须状喷溅为主;随着航速的增加,喷溅越来越明显,喷溅出现在艇艏部和舷侧部分且喷溅面积增加,同时存在主喷溅区和须状喷溅区。通过滑行艇运动响应的实时数值预报结果给出并验证了重心位置过于靠近艇尾滑行艇易出现“海豚运动”现象的结论。　　建立了计及风载荷的滑行艇非线性纵向运动数学模型,包括推进系统模型及控制系统模型,改进了受风面积和风压力臂的计算方法;推导出计算滑行艇瞬时浸湿长度及面积的计算公式,开发了滑行艇纵向三自由度运动预报仿真软件,完成了计及风载荷作用的滑行艇的运动响应预报,定量的描述了滑行艇航行过程中风阻所占的比例及多工况下滑行艇航行姿态的对比分析。　　提出并设计了一套新型的滑行艇航行姿态控制装置——运动可控水翼系统(水翼可以变攻角和纵向运动),建立了计及风载荷作用的可控水翼滑行艇非线性纵向运动数学模型,提出了可控水翼对滑行艇升沉量和纵倾角的控制策略,编写了可控水翼滑行艇纵向运动预报及可视化程序,完成了0～8级风载荷作用下水翼变攻角、纵向运动及变攻角+纵向耦合运动三种模式对滑行艇升沉量和纵倾角的控制预报与分析。结果表明:相同外载荷作用下,在水翼变攻角+纵向运动控制下滑行艇升沉量和纵倾角变化幅值均小于水翼固定的情况,运动水翼可以达到对滑行艇姿态的控制。　　为验证本文提出的运动水翼对滑行艇航行姿态控制方案的可行性,设计制作了可控水翼系统及滑行艇自航模型。波浪水池中开展了滑行艇模型的自航试验,通过六自由度传感器(MTA)采集滑行艇模型运动响应参数,对试航数据的分析处理结果进一步验证了运动水翼能够实现对滑行艇航行姿态的实时调控。　　本文通过开展滑行艇瞬态流体动力及运动响应的计算分析,建立了喷溅阻力计算及滑行艇运动预报与控制的模型和方法,可用于开展高速滑行艇在水气双重介质中复杂运动机理的研究,为滑行艇及其姿态控制系统设计提供了可靠的分析方法和研究手段。
作者：	凌宏杰
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	王志东
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏科技大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文