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超高速气动增升船断阶减阻特性研究

超高速气动增升船断阶减阻特性研究

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作者：刘洋中国舰船研究院

学位级别：硕士

超高速气动增升船是一种升阻比介于水面船舶与飞空型运载器的新型船舶,拥有较好的快速性的同时,船体稳定性更好,较低的技术难度可以使其更便于朝大型化发展。在巡航航速下,虽然气动升力支撑起绝大多数的船身重量,但船身水动升阻比远大... 详细信息

超高速气动增升船是一种升阻比介于水面船舶与飞空型运载器的新型船舶,拥有较好的快速性的同时,船体稳定性更好,较低的技术难度可以使其更便于朝大型化发展。在巡航航速下,虽然气动升力支撑起绝大多数的船身重量,但船身水动升阻比远大于气动翼的升阻比,此时的水动阻力仍占总阻力的主要成分,断阶作为超高速船的主要水动力减阻手段,其在气动增升作用下的减阻特性值得关注和研究。本文通过网格收敛性分析及基于模型试验的数值方法验证,验证了本文所选模型网格数量在6.86×10时由网格粗细导致的计算结果差异已不再明显,所选用数值方法在计算超高速气动增升船从静止到巡航航速过程中的气水阻力以及船体姿态具有较好的误差精度,最大阻力计算误差约为11.1%,能够较好的模拟出船体在气动增升作用下断阶前后的阻力特性和船体的姿态变化。根据断阶减阻的机理,发现对不同长宽比的主船体进行断阶时,总阻力都会经历先增大后减小的过程。在船体姿态上,断阶会增加船体的纵倾,从而影响船体底部浸湿面积以及船体的摩擦力,但断阶对纵倾较小的船体减阻率更大,本文所讨论的长宽比为13时,断阶主船体在巡航航速下减阻率最大,最大可达到38.54%的减阻效果。对于超高速气动增升船,气动增升作用主要是抬升船体的同时减小船体纵倾角,与断阶一起对船体阻力产生影响。断阶增加升力翼的气动增升率,气动增升作用也促进断阶空穴的发展,对于不同长宽比的主船体,只有气动增升率超过临界值后断阶与气动增升作用才会有相互增益的减阻效果。结果表明,在巡航航速下,本文选定的升力翼型与长宽比为18的断阶主船体相互作用后的最大减阻率最大,最大减阻率为51.91%。进一步地,为了研究断阶具体构型参数对超高速气动增升船减阻特性的影响,分别对船体设置不同形式的单、双断阶。发现巡航航速下的单断阶有一个最佳断阶长度,也有一个最佳断阶高度。通过Savitsky断阶后尾流迹线的经验公式可以看出,巡航航速下的单断阶最佳长度和高度时的断阶后缘角需要近似等于但又略大于船体纵倾角。通过双断阶的第二滑行面长度的计算,说明了第一断阶和第二断阶最佳后缘角同样需要遵循近似等于但又略大于船体纵倾。这样,两个断阶的下缘点与尾部下缘点的连线需要在一条直线上。双断阶方案将断阶后空穴分割成两个小空穴,较单断阶初始位置方案阻力减小10.1%。双断阶方案拥有较好的阻力性能的同时,兼顾了船体的和纵向稳定性。本文通过气动增升作用下的断阶减阻特性分析,提出超高速气动增升船双断阶构型方案,可以作为此类船型断阶参数选取的参考。

关键词：气动增升船数值仿真单断阶双断阶减阻

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