大尺度自航模气层减阻试验研究

[目的]旨在研究气流量、航行倾角对船底凹槽内气层保持和节能效果的影响。[方法]以一艘肥大型散货船的较大尺度缩比模型为研究对象,通过设计气层减阻自航模系统和船底凹槽方案,开展开阔水域条件下自航模气层减阻试验,研究模型正浮状态下喷气减阻效果,以及模型一定纵倾角状态下对航速和轴功率的影响。[结果]结果表明:在主机转速一定时,喷气可以明显提高自航模的航速,停止喷气后,船底凹槽内的气体仍能维持较长时间;船体艉倾角为0°~0.25°时的气层减阻效果较好,较大艉倾角时气体从自航模艏部两侧溢出,气层无法对船底实现有效覆盖,减阻效果不佳。[结论]研究结果可对气层减阻技术在肥大型船舶上的工程应用提供一定参考。

高航速下带自由面滑行艇粘性流场数值计算方法研究

针对滑行艇高航速下姿态变化显著、数值计算时艇底易于出现气-水异常现象的问题,基于雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)方法及动网格技术,采用人工干预结合六自由度(6-DOF)运动模型解决自由面与网格的匹配问题,采用高分辨率交界面捕捉技术结合流体体积模型(HRIC-VOF)的方法计算气-液相分布,通过探索HRIC-VOF的角度因子、锐化因子、库朗数上界值、库朗数下界值、时间步长等对艇底气-液相分布及总阻力的影响规律,获得可有效计算高速下滑行艇阻力及自由面兴波的数值计算方法。通过与试验结果进行对比,在模型速度V_(m)=2~13 m/s(F_(V)=0.96~5.78)时的阻力计算误差小于4.5%。

B.H.型气泡高速艇规则波中纵向运动试验研究

在高速拖曳水池里开展了B.H.型气泡高速艇静水阻力及规则波纵向运动模型试验,研究了气流量、航速、波长、波高等因素变化对B.H.艇波浪中阻力、垂荡、纵摇、垂向运动加速度的影响。探讨了波高变化对饱和气流量的影响。研究结果表明:静水中B.H.艇相对减阻率可达36.25%,绝对减阻率可达20.79%,迎浪规则波中相对减阻率可达32.3%,与静水减阻效果基本相当,波长变化对减阻率的影响甚微。气层并未导致纵向运动性能的恶化,相反在一定航速与波长范围内,艇底气层能改善垂荡与纵摇运动;饱和气流量下,阻力、垂荡、纵摇及重心垂向运动加速度随波高呈非线性变化,航速增大非线性增强,波长增加非线性降低;波浪中饱和气流量随波高呈非线性变化。

气泡高速艇艇底气穴形态及减阻机理研究

为了揭示高速艇气层作用下的艇底流场特性及气穴减阻机理,基于VOF模型建立了气泡高速艇粘性兴波流场数值计算模型,分析了气穴形态、艇底压力及艇体阻力的变化规律,初步分析了气穴减阻机理,计算结果得到了模型试验的验证.研究结果表明:向艇底饱和喷气可形成稳定的大气穴,气穴厚度沿艇长方向逐渐减小;航速较低时气体从气腔中部的舷侧溢出,航速增加气穴向后延伸至艇尾,从气腔尾部两侧离开艇体;未喷气时,在气腔首部形成一个局部负压区;饱和喷气后,气穴内部变为等压腔体;气穴主要通过减少湿表面积降低摩擦阻力,对剩余阻力的影响不大.

气泡高速艇波浪中阻力及运动性能数值研究

为探索气泡高速艇在波浪中的减阻效果及运动性能,基于RANS方法,应用Overset网格技术、数值造波、HRIC-VOF方法及6-DOF运动模型构建气泡高速艇静水及波浪中的数值水池,阻力计算与试验值的偏差小于4.59%,纵向运动计算值与试验值偏差小于6.4%。进而分析了气层对B.H.型高速艇波浪中阻力、纵向运动的影响规律,研究了艇体运动对气层面积与形态的影响规律,获得了波浪中气层-艇体相互作用的力学过程;气层对垂荡的影响甚微,对纵摇有改善效果;顶浪条件下纵向运动对气层面积的影响不大,波浪中的减阻率仍可达27.24%~30.62%。

船底凹槽气层流动特征及影响因素研究

采用VOF方法,通过求解RANS方程数值研究了船底凹槽中的气层运动形态及其影响因素,模拟了气层在凹槽中的发展过程,分析了气流量、断阶高度、来流速度对气层形态的影响规律,分析了气层波长与来流速度之间的函数关系.研究结果表明:向凹槽中喷气可形成长气穴;存在一个气流量的临界值,当气流量小于该值时,仅在凹槽首部形成长度有限的局部气穴;当气流量大于该值时,气穴迅速向尾部延伸,并呈波动特征;凹槽深度对气层波动的波长影响甚微,对气层厚度的影响较大;凹槽深度增加,气层的平均厚度增大;气层的波长随来流速度增加而增大,波长近似为速度平方的63.6%.

船舶气层减阻节能技术应用研究进展

简述国内外船舶气层减阻节能技术应用研究的发展概况;分析了国内外差距,提出我国发展该项技术尚需突破的关键问题及研究方向。

潜艇应急上浮六自由度运动及黏性流场数值模拟

为揭示潜艇应急上浮过程中的强非线性运动及水动力作用规律,基于RANS方程及流体体积模型,针对Suboff标模建立了潜艇应急上浮数值预报方法。通过开展不同纵倾攻角及斜航漂角下全附体模型的水动力计算,验证了该计算方法的有效性,确定了其适用范围,进而结合整体动网格技术模拟了潜艇的应急上浮过程,获得了艇体六自由度运动的时历参数及流场细节信息。数值模拟结果表明该方法能够较合理地描述潜艇上浮的运动规律,也证明了该方法在潜艇上浮多自由度运动及水动力性能研究中的潜力和适用性。

潜艇操纵性预报研究现状与前景展望

计算流体力学的快速发展及试验测试技术的不断提高,为潜艇水动力性能评估提供了更为广阔的平台,丰富了潜艇操纵性研究体系,预报方法趋于精准、多样、高效。基于该现状,文章对近年来潜艇操纵性预报的相关资料进行了梳理,系统总结了国内外在潜艇自航模试验、基于水动力系数数值仿真及粘流CFD直接数值模拟等方面的最新研究进展,分析了当前制约潜艇操纵性预报效率的主要因素,阐述了该研究领域的前景与方向。

潜艇上浮出水运动及粘性流场直接数值模拟方法

为得到潜艇上浮出水运动及流场特性,以带流水孔柱形潜体为研究对象,基于RANS方程及SSTk-ω湍流模型,并应用重叠网格技术实现了不同工况下潜体上浮的直接数值模拟,获取了模型上浮过程中横倾、纵倾及上浮速度等参数的时历曲线及流场细节信息。研究结果表明:该方法较合理地反映了潜体的上浮运动规律,能够直观展现潜体出水及倾覆过程,可为潜艇上浮出水稳性的预报及分析提供可行途径。

基于低通滤波和经验模态分解的舰船耐波性试验信号分析方法研究

针对舰船耐波性实测信号中趋势项难以消除而影响滤波精度这一问题,采用经验模态分解方法消除趋势项的影响。根据舰船对波浪运动响应的低频特点,在经验模态分解前先进行低通滤波,可使实测运动信号中的谱峰频率处在相对高频位置,减少EMD迭代次数,并使有用信息包含在第一个IMF中,方便对有用模态的识别。还针对实船耐波性试验无法直接获得垂荡位移的实际问题,对垂向运动加速度联合采用低通滤波、数值积分和EMD去趋势项消除积分误差的方法获得垂荡,通过模型耐波性试验以及对实舰横摇角速度采用该方法求得的横摇与实测横摇的比较,验证了该方法在舰船耐波性实测信号分析中的有效性。

基于重叠网格的静水及波浪中潜艇应急上浮数值模拟（英文）

为揭示复杂海洋环境下潜艇应急上浮过程中的强非线性运动及流场特性,文章以Suboff标模为研究对象,基于RANS方程及VOF模型,建立了潜艇应急上浮运动的数值预报方法。在验证了数值造波可行性的基础上,开展了静水及波浪中潜艇应急上浮的直接数值模拟,获得了艇体运动参数的时历过程曲线及其周围流场细节信息,结果表明该方法能够较合理地描述潜艇上浮的运动规律,可为恶劣海况下潜艇上浮的安全评估提供有力支撑。

B.H.型气泡滑行艇阻力模型试验研究

通过艇底开槽的B.H.型气泡滑行艇(简称为B.H.艇)气层减阻的模型试验,初步研究了不同因素(气流量、艇速、开槽方式等)对B.H.艇的气层减阻规律及运动姿态的影响,并对艇底流态进行了较全面的观测。结果表明:当空腔在艇底的投影面积相同时,不同开槽方式对喷气减阻效果的影响不大;航速与气流量均是影响B.H.艇气层减阻效果的重要因素,在饱和气流量下B.H.艇的相对减阻率可达50%以上,绝对减阻率可达15%以上。开槽使得不喷气时的阻力增加较大,但空腔对保持气层的稳定性是相当有利的。

基于FFT-FS频谱细化技术的船模耐波性试验测量信号分析方法研究

针对FFT频率分辨率受限制且精度不高的缺点以及船模对波浪的运动响应频率是低频且窄带的特点,采用FFT-FS方法对测量的运动响应信号在其对应的窄带频段内进行频谱细化获得更细致准确的信号频域特征;通过对该算法的运算量及分析精度的研究表明该算法是一种运算效率高、分析精度高且受信号本身信噪比影响小的频域分析方法;通过对船模运动响应的仿真信号和实测信号的分析表明该算法确实能有效地用于船模耐波性试验测量数据的定量分析。

平板喷气流场特性及气流量分配策略试验研究

为了探讨气流量分配对平板喷气流场特性的影响,在高速拖曳水池里开展了平板下表面喷气减阻试验,研究了气流量纵向和横向分配对平板减阻率和气层形态的影响规律。研究结果表明:平板下表面气液混合流的形态主要受航速和气流量影响,当无因次气流量系数Cq≤1.554时,混合流主要表现为气泡流;当Cq≥1.675时,混合流转变为过渡气层流;当Cq≥2.331时,混合流由过渡流转变为分层流。平板下表面的局部摩擦力减阻率在喷气口附近处为100%;改善喷气策略,在首部喷气装置左腔、中腔和右腔横向喷气比例为1∶4∶1时,平板下表面的气层覆盖率较高,减阻率可以达到60.65%;首部和中部喷气装置联合喷气并未使平板减阻效果有改善。

平板微气泡减阻预报及影响因素研究

假定气-液两相流均匀混合,且微气泡在水流中存在滑移,运用流体计算软件Fluent中的混合多相流模型对平板微气泡减阻过程进行数值模拟,研究了微气泡流的减阻机理及喷气速度与主流速度之比、微气泡大小、空隙率分布等对水中运动平板减阻效果的影响规律,并指出微气泡减阻率为喷气速度与主流速度之比的非线性对数函数,且存在相对饱和喷气速度,同时建立了一个平板微气泡减阻率大小的预报模型,并从理论上对减阻效果进行了预报。

平板喷气流场特性影响因素试验

为了揭示平板底部喷气时气层的流动特征,在低湍流度水洞中开展了平板气液两相流边界层特性模型试验,研究了气流量、来流速度等对气层宏观形态的影响,分析了气层流态的转变规律。研究结果表明:气层在平板底部随来流向后扩散,存在一个横向扩散角;气流量增加,横向扩散角增大;来流速度增加,横向扩散角减小。气层流态与气流量和来流速度有关,当无因次气流量系数Cq≤0.610时,气层主要表现为气泡流;当Cq≥1.446时,气层转变为分层流,其他情况下呈现出分层流与气泡流同时存在的过渡流态。

气泡高速艇波浪中阻力及纵向运动模型试验研究(英文)

在高速拖曳水池里,开展了气泡高速艇规则波中阻力及纵向运动模型试验,研究了气流量、艇型、艇底开槽等因素对气层减阻率及艇体纵向运动性能的影响。结果表明:艇底形式对波浪中的气层减阻率有重要影响。艇底设置断阶时,在短波中减阻率为5%,长波中的减阻率达20.5%;艇底开槽时,在试验波长范围内,减阻率可达30%左右;对本身具有良好喷溅抑制作用的艇型,艇底直接喷气减阻率为8%,且不受波长变化的影响。艇底气层对纵向运动性能影响较小,长波中还略有改善;艇底槽深主要影响不喷气时的阻力,对饱和喷气下的阻力影响甚微。

多桨船螺旋桨组合工况对舵水动力及回转性能的影响

为探究螺旋桨组合工况对多桨多舵船操纵性能的影响,以某大尺度四桨双舵自航模为研究对象,在同等直航航速下分别开展了两内桨、两外桨及四桨工作时的回转试验。试验结果表明:两内桨工作下船模定常回转时,内外舵法向力之和分别约为两外桨及四桨工作时的2.0与1.7倍;不同螺旋桨组合工况下,内外舵法向力均可能反向;两内桨工作时,船模定常回转直径约为两外桨工作时的0.55~0.67倍,而四桨工作时的回转直径介于两工况之间。综合分析表明:对于该型船舶,采用两内桨推进具有最佳的回转性能。

凹槽构型对平板气层减阻影响试验分析

通过平板凹槽喷气减阻模型试验,研究了航速和气流量等因素对平板气层减阻规律的影响,并利用水下摄像系统对不同凹槽构型内的气层形态进行了观测。试验结果表明:不喷气时凹槽的存在会使平板的阻力增加;喷气可以有效减小平板阻力,存在饱和气流量;饱和气流量随着槽深的增加而减小,饱和气流量下平板的绝对减阻率随航速的增加而降低;设置凹槽构型是保持平板下表面气层稳定性的有效措施,合适的凹槽构型可以明显改善平板底部喷气流场,提高平板喷气减阻效果;在Fr为0.119时,饱和气流量下平板的绝对减阻率可以达到40%以上。