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%。

穿浪滑行艇驼峰阻力优化及水动力性能分析

为减小高速滑行艇驼峰航速阻力,本文开展了穿浪滑行艇驼峰阻力优化设计及水动力特性研究。研究采用船型参数化设计方法、船体阻力计算流体力学预报、拉丁超立方方法、Kriging近似模型和粒子群算法等技术。基于优化软件HEEDS,以驼峰阻力最小为优化目标建立了单体滑行艇的穿浪艏型线优化模型。并比较分析了优化后的艇型与母型艇在1.3<Fr▽<5.2范围内的水动力性能。结果表明:相对于母型艇,优化艇驼峰处阻力减小8.62%,全航速下阻力也都有所减小,驼峰航速附近减阻效果较明显。

高速滑行艇阻力和运动响应数值分析

为了研究自主设计的滑行艇在高速行驶状态下,船体航行状态以及运动响应对滑行艇的运动性、阻力性和耐波性的影响。试验运用建模软件Solidworks完成滑行艇的三维建模;基于RANS方程的粘流理论,利用CFD软件FINE/MARINE耦合求解六自由度运动方程。计算分析发现,该艇在航速24~32 kn之间阻力上升相对较缓,并且在重心位置后移0.2 m后,该艇在航速24~32 kn之间阻力上升总阻力依然趋于平缓;在航速30 kn以上时,纵摇与升沉的运动响应趋于相对较好的状态;当滑行艇在16倍船长的波长附近时,滑行艇的运动响应最为剧烈。本研究为该滑行艇的航速设计和航行安全策略提供了参考。

基于重叠网格的滑行艇水动力性能预报

滑行艇航行时重力主要靠水动力升力支撑,其具有阻力小、速度快等优点,目前在娱乐、救援、军事等多种场景有着广泛应用。滑行艇在航行过程中处在滑行状态,纵摇、升沉运动幅值较常规排水型船舶高,尤其是在波浪中航行时会出现周期性出水、入水类似跳跃的现象。该文使用自主开发动态重叠网格技术,结合开源计算流体力学库OpenFOAM平台对标准的深V型滑行艇(generic prismatic planing hull,GPPH)进行了快速性、耐波性数值模拟,并将数值计算结果与模型试验结果进行对比,证明了使用动态重叠网格技术能较好地捕捉滑行艇大幅纵摇、升沉运动;艇体周期性出水、入水会在船底部产生周期性的大幅值抨击压力,文中的数值计算也可以得出合理的压力预报结果。

横向斜升角对滑行艇阻力影响的数值研究

文中利用CFD技术对Taunton-C滑行艇进行了两自由度的静水直航绕流场数值模拟,基于数值结果分析了横向斜升角对船体航态、阻力及其成分,以及压力分布、湿表面积等流动特性的影响.结果表明:滑行艇航速与斜升角对其阻力的影响主要体现在摩擦阻力成分上,而剩余阻力成分则是影响滑行艇“阻力峰”现象的主要因素;滑行艇阻力及摩擦阻力关于斜升角近似呈线性关系,单位湿表面积摩擦阻力与斜升角基本无关;以平板射流力学模型建立的剩余阻力预报经验模型与数值结果有较大差异.

重心纵向位置对滑行艇阻力性能的影响研究

高速滑行艇姿态和阻力的准确预测对于提高船舶水动力性能具有重要意义。为了研究重心纵向位置对滑行艇阻力和水动力性能的影响,验证CFD方法的适用性,本文采用动态重叠网格方法进行CFD数值模拟,采用有限体积法求解湍流模型为SST k-ω的雷诺平均方程,水气两相流的自由界面采用VOF方法捕获,给出并分析了不同速度下三个不同重心纵向位置的结果比较。不同重心纵向位置情况下的数值结果比较表明:下沉和纵倾角随XCG的减小而增加,同时导致润湿面积减少;当重心纵向位置向后移动时,水动升力使滑行艇更容易进入滑行状态。

拖曳力对滑行艇航行性能影响的试验研究

为了研究滑行艇作为高速拖曳水面搭载平台的可行性,通过模型试验方法对滑行艇在静水和波浪中的阻力性能及航行姿态变化情况开展研究,分别在非拖曳与拖曳2种工况下进行试验。在静水条件下,研究了滑行艇在不同航速时的阻力及航态变化,讨论了拖曳力对航行性能的影响。在规则波条件下,对滑行艇在排水状态和滑行状态,以及不同波长、不同波高的情况下进行模型试验,讨论了拖曳力对阻力平均值、纵摇、垂荡以及首部加速度的影响程度。通过试验结果对比分析,总结了拖曳力对滑行艇阻力及航态的影响规律,并提出了滑行艇作为高速拖曳水面搭载平台时的建议。

重心纵向位置对滑行艇阻力影响的数值分析

文中基于三种重心纵向位置的船模试验,预报了某滑行艇阻力随重心纵向位置的变化规律,并基于重新建模法的数值计算结果分析了产生这种规律的原因.结果表明:过渡阶段,重心向后移动会增加船体阻力,而滑行阶段,则呈现相反的规律.在CFD软件STAR CCM+的帮助下,采用重新建模法对滑行艇的静水绕流场进行数值模拟,通过分析阻力成分、湿表面积、自由面波形,以及船底压力分布等物理参数的数值结果,验证了滑行艇阻力性能随重心纵向位置变化的原因.

基于Savitsky法的平底滑行艇阻力估算影响因素研究

采用滑行艇阻力估算Savitsky法,对平底滑行艇进行航态计算、阻力估算及航速预测,并与试验结果对比,验证阻力估算方法在总体设计阶段的适用性。通过改变艇体重心位置与长宽比,计算相同推力及排水量下的阻力曲线,研究各因素对阻力估算的影响。

槽道水翼滑行艇阻力性能试验研究

在槽道滑行艇的槽道下方装上首、尾水翼以及配装上尾压浪板．试验结果表明：该艇起滑快，能迅速越过阻力峰区，同时对调节和改善纵倾、航态稳定、底部拍击、降低阻力性能等方面有明显的效果．在整个滑行范围内平均比原槽道滑行艇阻力下降１６．

高性能槽道滑行艇的运动特性

本文论述了高性能新船型──槽道滑行艇的基本原理、运动特点及其变化规律。根据模型试验的结果，着重讨论了艇体线型、槽道尺寸和形状、静负荷系数和重心位置等对阻力特性和耐波性能的影响。

变角度尾压浪板对断级滑行艇阻力性能的影响

为了研究尾压浪板安装角对断级滑行艇阻力性能的影响,对尾压浪板安装角β=2°,3°,4.5°的双断级滑行艇模型进行试验研究,并利用计算流体动力学软件CFX对容积Froude数Fr_▽=0.44~5.20的模型绕流场进行模拟,分析了尾压浪板的作用机制,以及不同β角的尾压浪板的水动力特性,探讨了尾压浪板安装角对断级后空穴和各滑行面负荷系数的影响.结果表明,增大尾压浪板安装角,可使断级滑行艇得到较好的低速阻力性能,并且在对高速段阻力影响较小的同时提高发生海豚运动的临界速度.

基于Star-CCM+的滑行艇水动力性能模拟计算

为研究滑行艇在波浪运动中的水动力性能,基于STAR-CCM+软件平台,使用VOF方法,结合RNG k?ε模型,通过求解Navier-Stokes方程,对水面滑行艇的直航运动进行数值模拟,得出滑行艇阻力随航速的变化情况及其升沉和纵摇随频率和波长变化的一般规律。将软件模拟值与船模试验值进行比较。研究结果表明:在STAR-CCM+平台上模拟水面滑行艇直航运动水动力性能具有可行性和准确性。

滑行艇波浪中纵向运动理论预报的新方法

分析了现有滑行艇纵向运动理论预报方法的不足;根据滑行艇的艇型特点以及模型静水阻力试验和规则波、不规则波的试验结果,提出了滑行艇纵向运动的基本假设;建立了计及浮性和滑行力、滑行力矩影响的滑行艇纵向运动基本方程,提出了预报滑行艇纵向运动的实用计算方法(滑航法)并编制了理论预报程序;比较了忽略浮态变化的全排水量法、只考虑浮态变化的浮航法、同时考虑浮态变化和滑行力、滑行力矩影响的滑航法的计算值和实验值的差别,指出在预报滑行艇纵向运动时,低速宜采用全排水量法或浮航法,中高速时宜采用滑航法。

高速滑行艇在规则波中的纵向运动数值研究

为准确评估滑行艇在波浪中的运动特性、寻找运动规律,应用基于VOF RANS求解器的CFD方法对高速滑行艇在规则波浪中的迎浪运动进行数值计算。在纵摇和升沉两自由度模型下对滑行艇进行数值模拟,得到了滑行艇在迎浪运动中的无跳跃、规则跳跃和不规则跳跃3种运动形式。对3种运动形式发生的条件,即波长、波高和航速进行了研究,得到运动发生的条件区间,并分析了跳跃的发生对纵向运动幅度规律的影响。计算结果表明,规则跳跃和不规则跳跃的发生均会改变无量纲化纵向运动幅值随波高的变化规律。其中,不规则跳跃对滑行艇运动幅值的影响较规则运动更为强烈。

滑行艇在规则波中的数值模拟(英文)

针对波浪中滑行艇水动力性能预报的不足,提出了一种基于六自由度运动模型的滑行艇水动力性能预报方法,实现其在波浪中自由运动的水动力性能预报。首先根据水波理论利用CFD技术完成了三维数值水池的造波和消波,然后以某型滑行艇为模型,将六自由度方程赋予滑行艇,实现了其在迎浪匀速航行时随波浪的自由运动,最后通过Fluent数值计算得到了其在波浪中自由运动时的阻力、升力、升沉位移、纵倾角以及兴波等流场参数。计算结果表明:利用该方法获得的某型滑行艇的流场参数较真实地反映了滑行艇在波浪中的姿态,为滑行艇耐波性实验提供了一定的理论依据。

棱柱型滑行艇在规则波中迎浪运动响应的频域解

滑行艇在高速滑行时因其艇重基本由水动升力支撑,用较常规的排水型船运动预报方法计算并不准确.针对这一问题提出了一种计及水动升力影响的预报方法,用于计算棱柱型滑行艇在静水中的滑行姿态和波浪中的运动响应.在半经验公式的基础上,讨论了水动升力对各水动力系数的影响,并建立了棱柱型滑行艇在规则波中迎浪运动响应的频域解模型.将计算值和试验值进行了比较,结果吻合较好.

喷水推进高速三体滑行艇数值自航研究

为了验证计算流体力学(CFD)方法预报滑行艇自由液面粘性流场的精确度,判断为某三体滑行艇设计的喷水推进器能否满足快速性要求,采用CFD方法对某喷水推进高速(1<Fr_L<1.8)三体滑行艇进行两相流的数值自航,并与试验值比较。运用切割体网格技术并基于RANS VOF求解,首先计算了五个不同速度下的裸艇阻力。结果表明:阻力系数最大误差8.3%,最小误差0.5%,达到了较好的计算精度;采用等推力系数法,在模型尺度下进行"滑行艇+喷泵"的数值自航,将结果推算到实尺度艇,结果表明该喷泵可以达到设计航速;高速航行时推力减额为负的主要原因是艇首尾压差阻力的显著降低。计算结果显示,考虑自由液面时滑行艇底部会出现不合理的水气分布,这影响到滑行艇的阻力性能和喷泵的推进性能,通过局部网格加密可以显著减少艇底非正常水气分布,但艇底气水层难以完全消除,这可能是CFD方法预报滑行艇阻力精度难以控制的原因之一。

影响滑行艇阻力数值计算的网格因素研究

为了获得有效的滑行艇阻力数值计算方法,采用粘性流体力学软件STAR CCM+,根据结构网格特点分别探讨了船体表面第一层网格节点高度、船体表面网格尺度以及流域网格节点分布系数三个因素对滑行艇阻力计算精度、收敛速度以及计算稳定性的影响。通过把不同网格划分方法所得到的数值结果与模型试验结果进行比较,确定了适合滑行艇阻力计算的网格参数。利用得到的网格方案对多种航态滑行艇阻力进行计算,计算结果与试验值的符合情况良好。

三体槽道滑行艇阻力模型试验研究

为准确评估三体槽道滑行艇的水动力性能,研究该船型的阻力特性和船型特征,对该船型进行了阻力模型试验研究.在不同排水量和重心纵向位置处进行多次拖曳阻力试验,监测其阻力值、重心升沉和纵倾角,研究了重心位置和排水量对该船型阻力性能的影响.试验结果表明:该三体槽道滑行艇有较高的承载能力且具备独特的阻力特性,当航速持续增大越过高速阻力峰时,由于气动力与水动力综合作用船体被抬升,吃水减小导致阻力值发生明显回落,且阻力峰出现的航速与重心纵向位置和排水量大小均相关.