船舶阻力预测几种理论的深度探讨

随着世界经济的全球化发展,海运运输成为一种经济实用的运输方式。海运运输的发展离不开各种各样的船舶。船舶在水中行驶时,由于海水是黏性液体,因此会受到阻碍作用,故而会产生船舶阻力。为了提高船舶在海水中行驶的速度,同时降低燃油消耗,因此需要对船舶阻力进行计算。船舶的种类不同,其型线就不同。型线不同自然导致其与水的接触面积不同。因此,针对不同船型的种类,其船舶阻力的计算方法也是不同的。预测船舶阻力的计算方法可以按照船体类型划分为不同的计算类型,分别有适用于滑行艇阻力预测的算法、适用于排水型船舶阻力预测的算法、适用于游艇阻力预测的算法以及细长体理论。探讨结果说明,不同算法和理论适用于不同的船体类型,也有其特定的适用范围。

基于放宽静稳定度空空导弹重定向研究

采用放宽静稳定度设计,利用空空导弹静不稳定性产生的气动力矩,设计了空空导弹重定向使用流程,提出了空空导弹完成重定向的运动学标志。根据细长体理论和粘性横流理论分析了空空导弹重定向过程中的气动力和力矩,认为无控细长旋成体无法满足本文提出的完成重定向的运动学标志,必须增加气动舵面或直接力等控制方式。以大长细比鸭式舵身的简单组合体为研究对象,采用工程理论方法获取0°~180°攻角范围内气动特性,并计算了重定向过程中空空导弹轨迹和姿态。结果表明,本文提出的基于放宽静稳定度的重定向技术能够在1.15 s内实现空空导弹安全、快速、稳定的重定向。最后,分析了空空导弹重定向过程中应该注意的关键设计问题。

水下亚声速细长锥型射弹超空泡形态的计算方法

采用理想可压缩流体无旋定常流动以及超空泡尾部Riabushinsky闭合方式假定,基于细长体理论和匹配渐近展开法,建立了描述水下亚声速条件下细长锥型射弹超空泡流动的积分微分方程。求解得到了考虑压缩性影响的超空泡形态1阶和2阶近似解,改进了超空泡形态的计算精度。分析了射弹高速冲击条件下流体压缩性对超空泡形态的影响,随着马赫数的增加,超空泡形态将发生更加显著的膨胀变化。计算得到的超空泡特征参数与相关文献的理论和实验结果吻合良好。

超空泡航行体水下弹道的数值计算

超空泡状态下的航行体水下弹道的研究涉及固、液、气(汽)三相介质的运动。本文应用细长体理论计算航行体在超空泡状态下的流体动力,成功模拟了超空泡状态下的航行体水下弹道。

水下亚声速细长锥型射弹超空泡流的数值计算方法

采用理想可压缩流体无旋定常流动及超空泡尾部Riabushinsky闭合方式假定,基于水动力学势流理论及细长体理论,建立了描述水下亚声速条件下细长锥型射弹超空泡流动的积分微分方程。发展了求解该方程的数值离散方法,提出多种超空泡外形初始解,分析了它们对超空泡形态计算结果的影响,优化了计算过程,简化了初始迭代条件。分析了流体压缩性对超空泡流动参数的影响,当马赫数大于0.3时,超空泡外形、射弹表面压力系数及射弹运动压差阻力系数均明显增大。计算得到的超空泡流动参数与相关文献的理论和实验结果吻合良好。

水下超声速细长锥型射弹超空泡形态的计算方法

采用理想可压缩流体无旋定常流动以及超空泡尾部Riabushinsky闭合方式假定,基于细长体理论和匹配渐近展开法,建立了描述水下超声速条件下细长锥型射弹超空泡流动的积分微分方程。求解得到了考虑压缩性影响的超空泡形态二阶近似解,改进了超空泡形态的计算精度。分析了超声速射弹高速冲击条件下流体压缩性对超空泡形态的影响。流体压缩性导致超空泡形态前后稍微不对称,前端比尾端截面更窄。当1<(Ma)∞<槡2时,流体压缩性效应对超空泡的影响与亚声速情况类似,使超空泡形态发生整体膨胀变化。当(Ma)∞=槡2时,流体压缩性对超空泡形态无影响。直到(Ma)∞>槡2以后,流体压缩性使超空泡形态发生反向改变,呈现整体收缩变化。

细长体后部非定常超空泡研究

采用积分方程方法,研究了轴对称细长体后部非定常超空泡问题。应用时间有限差分离散化方法,对积分方程进行了求解。以细长锥体空化器为例,文中分别给出了当锥角和空化数改变(简称扰动)时,空泡长度和形状的变化规律。当流场周期扰动时,分析计算了超空泡的尺度变化。分别采用本文方法和理论公式,对空泡长度与空化数的关系曲线进行了对比。数值结果表明,扰动周期越短,空泡长度的变化越小;在相同的扰动频率下,空泡越长,时间滞后越长;空泡长度相同时,扰动频率越高,时间滞后越长。在高频脉冲扰动下,有脉冲波形沿着空泡表面传播,其传播速度为来流速度。在周期小扰动情况下,扰动波形沿着空泡表面传播,传播速度也是来流速度。本文得到的数值结果为水下航行体空化器的分析和设计提供参考作用。

非圆截面形状弹体法向气动力估算方法

文中引入附加质量、附加表面积的概念 ,提出基于细长体理论的非圆截面 (矩形、正方形、三角形等 )弹体法向气动力工程估算方法 ,并对此方法进行了验证。计算结果和风洞试验值比较 ,法向力系数计算误差在 1 0 %以内 ,说明本方法可以在工程初步估算时应用。

深海系泊浮体物面非线性时域耦合动力分析

文章基于三维时域势流理论和弹性细长杆理论,研究并提出了深海系泊浮体物面非线性时域耦合动力分析方法。该方法采用时域物面非线性理论方法在瞬态位置直接时域模拟系泊浮体所需水动力,结合有限元方法计算系泊缆索的动力响应,利用异步耦合方法实现浮体和系泊缆索的时域耦合动力求解。既满足系泊浮体时域水动力耦合,又满足系泊浮体和系泊缆索动力耦合。通过对二阶非线性不规则波作用下深海系泊半潜式平台的时域耦合响应特性进行研究,将不同海况下物面非线性时域耦合静力响应和动力响应与间接时域耦合动力响应的三种方法计算结果进行比较。研究结果表明,系泊缆索动力响应明显,平台瞬态空间位置对垂荡低频运动影响较大,有必要在平台瞬时湿表面采用动力响应方法进行深海系泊浮体时域耦合响应分析。

细长锥型射弹不可压缩超空泡流的数值计算方法

假定理想不可压缩流体呈无旋定常流动、超空泡尾部Riabushinsky为闭合方式,基于水动力学势流理论及细长体理论,建立了描述水下细长锥型射弹超空泡流动的积分微分方程。该方法发展了求解该类方程的数值离散方法,提出了多种超空泡外形初值解,分析了它们对超空泡形态计算结果的影响,优化了计算过程,简化了初始迭代条件。计算得到的超空泡流动参数与相关文献的理论和实验结果吻合良好。

KCS船型浅水操纵水动力计算

以国际船舶操纵性比较研究标准船型KCS为对象,采用一种基于细长体理论的数值方法计算船舶在浅水中以一定的航速航行时的操纵运动线性水动力导数,给出的结果反映出水深和航速的影响;数值结果和现有的经验公式估算结果进行比较,验证该方法的有效性。

三体船粘压阻力预报方法

三体船快速性的研究是三体船新船型开发技术的支撑。通过模型试验与数值模拟相结合的方法,对不同航速下三体船的粘压阻力进行计算。试验研究采用将三体船侧体分别放置在船中、船前部和船后部3个不同的纵向位置以及距船中心线3个距离不同的横向位置,测量9个侧体位置下三体船在静水中的总阻力。运用第八届ITTC公式计算摩擦阻力系数,进而算出剩余阻力系数。通过数值模拟的方法,基于细长体理论对三体船兴波阻力系数进行计算,再根据三因次换算方法计算粘压阻力系数。得出不同构型下三体船在静水中的粘压阻力系数,并作出其随Fr数变化的曲线,观察在侧体位置不同的情况下,三体船的粘压阻力系数随航速变化的规律。根据所得粘压阻力系数曲线,提出初步预报三体船粘压阻力系数的一种简单方法。

深水浮式结构物系统时域耦合动力方法比较分析

为了满足深水浮式结构物系统设计中准确预报浮体耦合运动及外载荷的要求,基于三维势流理论和细长杆理论,分别采用间接时域耦合动力方法和物面非线性时域耦合动力方法对深水浮式结构物系统进行了数值计算。前者采用摄动展开方法在平均湿表面计算系泊浮体的一阶和二阶水动力,后者采用时域格林函数方法在瞬态位置直接时域模拟系泊浮体所需非线性水动力。结合有限元方法计算系泊缆索动力响应,利用异步耦合方法实现浮体和系泊缆索的时域耦合动力求解。研究结果表明,低海况下,两种时域耦合动力方法结果差别不大。高海况下,平台瞬态空间位置对垂荡低频运动影响较大,有必要在平台瞬时湿表面采用动力响应方法进行深水浮式结构物系统时域耦合响应分析。

捆绑式运载火箭气动力计算

应用细长体摄动理论和边界元数值解法发展了一种适用于计算捆绑式运载火箭气动力的工程数值计算方法。本法可利用已有芯级火箭的气动力数据,加上安装助推器后净增值,得到捆绑状态火箭的气动力,例如法向力、侧力以及力矩等。本法还可分别计算出捆绑状态下芯级和各助推器所受的气动力。对我国C火箭和日本N火箭的计算结果与实验数据比较,说明该方法能满足方案设计阶段精度要求。是方案设计过程中快速而经济的计算方法。

基于细长体理论的超空泡外形估算

在工程应用中,寻找一种快速简单而行之有效的方法,来对空泡数和空泡外形之间的关系进行描述是非常重要的。文中在势流假设基础上,采用细长体理论和摄动理论简化求解其基本方程,详细推导了空泡外形与空泡数及空化器特征参数之间的近似表达式,并给出了算例。算例表明,在小空泡数下文中的计算结果与 Waid 和 Reichardt 经验公式计算结果吻合良好。文中同时给出了在不同空化数下应用近似表达式产生的相对误差。

高速细长体理论在双体船运动计算中的应用

给出一种基于高速细长体理论的预报排水型双体船在波浪上运动性能的数值方法。在高速细长体理论的定解条件中,自由面条件是三维的,而控制方程和物面条件则是二维的,所以高速细长体理论常被称为二维半理论。采用时域自由面Green函数将定解问题转化为物面上的积分方程,进而求解水动力系数和船舶运动方程。对NPL系列双体船型的运动性能作了理论预报,并与实验结果和用切片法的理论预报结果作了比较。比较结果表明,高速细长体理论的预报结果与试验结果相当接近,而切片理论运用于双体船时,由于受到纯二维假定的限制,在某些离散频率出现水动力干扰现象,导致运动预报偏离试验结果。

T型翼控制船舶在波浪上纵向运动的数值研究

[目的]主动控制摆角的T型翼可以在随船运动时产生更大的升力,改善船舶耐波性,因此需要对不同摆角控制信号的减摇效果进行计算和讨论。[方法]首先,利用细长体理论对Wigley船型在3种航速下不同波长规则波中的运动进行计算。然后,在此基础上对T型翼摆角的控制信号进行分析讨论,采用力矩控制的方式得到摆角随船体运动变化的控制方程,讨论不同工况下控制参数的值,并计算引入控制力矩后的Wigley船型在相应条件下的时域运动响应。最后,分别对采用3种信号单独控制后的减摇效果进行对比,之后对多信号联合控制进行初步研究。[结果]计算结果表明:与无T型翼作用的船相比,在高速状态下,响应峰值处的垂荡幅值可以减少32.43%,纵摇角最多可以有效减少57.62%,艏加速度可以减少61.17%;在Fr=0.3的情况下,采用角度信号控制T型翼的摆角减摇效果更明显,随着航速的增加,采用角速度信号控制的减摇效果更好。[结论]在实际应用中,可根据不同的航速采用不同的运动信号和控制参数控制T型翼摆角。

二阶波浪力的切片理论与潜体上的垂向定常力

二阶波浪力的三维理论基本上是对无航速的结构物建立起来的,航速的影响不甚清楚。一些理论问题,例如二阶绕射势辐射条件的提法,直到最近才得以澄清。即使如此,用三维方法完整地求取物体上的二阶波浪力仍十分费时。本文中对有航速的细长物体建立了二阶波浪力的切片理论,旨在提供理论上合理,实用上相对简便的二阶力计算方法。作为完整的二阶波浪力的一个组成部分,文中给出了细长潜体在不同港深和浪向角时所受的垂向定常力及其变化趋势。

基于兴波干扰的三体船构型数字化优化方法

研究基于主体、侧体间兴波干扰的三体船构型数字化优化方法。根据均匀设计原理建立不同侧体布局的三体船模型;运用基于细长体理论的数值方法计算各方案的兴波阻力系数;通过计算兴波干扰值,分析三体船构型与兴波干扰的关系;最后,根据兴波干扰得出优选方案。

外输浮筒水动力计算方法比较

为准确预报外输浮筒的水动力性能,分别对基于辐射/绕射理论和细长体理论的水动力计算方法进行改进,并给出了相应的理论计算模型。提出一种莫里森单元+碟形单元的组合模型以计算浮筒主体及其裙板的黏性载荷。设计模型试验对2种计算方法进行验证对比,发现2种方法的计算结果与试验结果在运动幅值和总体趋势上基本保持一致,验证了外输浮筒水动力计算模型的正确性,并且基于辐射/绕射理论的计算方法精度更高。