滑行艇非定常流体动力特性及喷溅阻力的计算方法研究

作     者：窦朋 

作者单位：江苏科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王志东

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 0824[工学-船舶与海洋工程] 082401[工学-船舶与海洋结构物设计制造] 

主      题：高速滑行艇 数值模拟 喷溅阻力 自编程 

摘      要：船舶高速航行时,船体受到的动载荷和运动响应具有很复杂的强非线性特性,在遭遇汹涛时,船体会发生严重的砰击,有时还会伴有上浪的现象,这些载荷对船舶的安全性能及其运动响应有很大影响。因此,研究钝体在航行过程中的水动力载荷及喷溅特性对滑行艇及其他高性能船舶的优化设计和运动性能预报具有非常重要的理论意义和工程实用价值。针对不同钝体模型在静水中约束航行,以及滑行艇三维模型在静水、波浪中自航模式下的运动响应进行数值模拟,并通过自编程软件计算喷溅阻力,相比于以往喷溅阻力计算方法,可以更快捷、精确地捕捉喷溅区域,适用性更高。利用Fine/Marine软件对横剖面分别为为直线、外凸和内凹斜升型滑行艇采用约束模式,纵倾角τ=3.0°,航速V=2.0m/s,横向斜升角β=10°、15°、20°、25°共12个工况进行数值计算,分析了滑行艇水动力性能和瞬态流场变化,编写了喷溅区域参数的后处理程序,得到不同横向斜升角下滑行艇喷溅阻力和喷溅面积。结果表明,高航速情况下,内凹斜升型滑行艇不利于降低喷溅阻力。选取某高速滑行艇模型,在自航模式下,重心距艇尾分别为38.1%L、35.1%L,航速为V=2m/sm/s（间隔1m/s）共计12种工况的滑行艇三自由度运动响应预报,完成水动力特性、运动响应特性、喷溅特性与航速之间关系,给出了不同航速、重心下喷溅阻力和喷溅面积在稳定状态的瞬时值,并与试验数据对比,二者吻合良好。滑行艇进入滑行状态后（V≥4m/s）,在滑行艇重心lg=38.1%L时,喷溅阻力占总阻力的14.05%1.42%,lg=35.1%L时,喷溅阻力占总阻力的10.02%6.20%。基于速度入口造波,完成了高速滑行艇在自航模式下,波高H=0.2m,波长λ=0.5L、1L、1.5L、2L下流场和滑行艇性能的数值预报,分析了滑行艇运动响应和波浪周期的关系,对滑行艇艇底压力、速度、水相分布进行研究,通过自编程对喷溅区域进行处理获取了喷溅区域特征参数,分析了喷溅区域流体运动特性和遭遇周期内喷溅阻力。当λ≥1L时,滑行艇往往伴有砰击,使得喷溅阻力出现跳跃性增加,喷溅阻力峰值约占总阻力的40%。根据滑行艇喷溅现象发生的内部机理及国内外相关试验归纳出的经验公式,本文基于Matlab,编写了喷溅阻力计算后处理程序,为滑行艇喷溅阻力的研究提供了一种快捷、高适用性的研究计算方法,为揭示高速滑行艇喷溅机理及防飞溅结构形式设计奠定基础。