哈尔滨工程大学硕士学位论文
目 录
摘 要 (1)
ABSTRACT (1)
目 录 (1)
第1章 绪论 (1)
1.3 计算流体力学技术研究现状 (4)
1.4 本文研究的主要内容 (6)
第2章 建立CFD计算方案 (8)过氧化氢碘化钾
2.1理论计算基础 (8)
2.1.1 流体控制方程 (8)
我们的班级2.1.2 湍流方程 (9)
2.1.3 重叠网格法概述 (10)
2.1.4 自由液面处理方法 (10)
2.1.5 设置六自由度运动方程 (10)
2.2 建立模拟计算模型 (11)
2.2.1 建立计算模型 (11)
2.2.2模拟计算结果 (14)
2.3 槽道形状分析与计算 (17)
2.4 本章小结 (20)
3.1 槽道宽度的影响 (21)
3.1.1槽道宽度对船体阻力的影响 (21)
3.1.2槽道宽度对船体兴波特性的影响 (23)
3.2 槽道高度的影响 (24)
3.2.1槽道高度对船体阻力的影响 (25)
3.2.2槽道高度对船体兴波特性的影响 (26)
3.3 槽道侧壁角度的影响 (27)
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3.3.1槽道侧壁角度对船体阻力的影响 (28)
3.3.2槽道侧壁角度对船体兴波特性的影响 (29)
3.4 本章小结 (31)
第4章 槽道水翼对船体运动影响 (32)
4.1 建立计算模型 (32)
红账簿4.2水翼参数对船体运动特性的影响 (33)
4.2.1水翼翼型对船体运动特性的影响 (33)
4.2.2水翼纵向安装位置的对船体运动特性的影响 (36)
4.2.3水翼垂向安装位置的对船体运动特性的影响 (41)
4.2.4水翼迎浪攻角对船体运动特性的影响 (44)
4.3 规则波中带翼船体运动特性 (47)
4.3.1 数值造波原理与幅值相应函数 (47)
4.3.2 带翼双体滑行艇在规则波中的运动响应 (48)
4.4 本章小结 (50)
第5章 尾压浪板对船体运动影响 (51)
5.1尾压浪板计算模型 (51)
5.2尾压浪板性能影响 (52)
5.2.1 尾压浪板角度的影响 (52)
5.2.2 尾板长度的影响 (56)
5.3 本章小结 (59)
总结与展望 (60)
参考文献 (62)
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果 (66)
致 谢 (67)
第1章 绪论
第1章绪论
1.1 研究背景及意义
随着全球经济一体化建设的推进，世界各国之间形成了一种空前的经济依存关系，组成了一种世界范围的生产供求体系，每个国家都在这个体系里承担着不同级别的生产业务，海洋航运业作为全球产业体系最重要的物流运输行业日益繁荣。各国在海洋上的经济政治利益日显突出。为了保证本国在海洋上的控制力，各国纷纷加大对高性能船舶的研发投入，近年来首先在军事领域推出的美国濒海战斗舰、乌克兰的野牛运输登陆舰和我国自主研发的022型导弹艇等新型船舶，都显示将空气动力学和水动力学结合起来的船体结构设计已经成为新型高性能船舶设计的一大主流[1]，这类船型在军事领域都有着远超传统船型的优良性能，但如果进行民用化大批量推广，这些高性能船却有生产工艺过于复杂，对工作水域要求较高等缺点。在诸多新型船体中滑行艇设计因为主要靠船体结构实现空气动力学和水动力学的结合，不采用附加设备因此生产工艺相对简单，成本低，成为目前应用最成熟的高性能船型之一，尤其在小型船舶领域中具有广泛应用。钓鱼岛岛主
在各型滑行艇的设计中，单体滑行艇[2]因为其简单的结构和低廉的制造成本成为应用最为广泛成熟的船型，单体滑行艇主要利用船底高速航行时产生的竖直向上的水动压力来提升船体，减小船体的吃水 深度和湿表面积从而起到减阻的效果，但在高速航行时单体滑行艇的阻力仍然会随航速的增加而增大，并容易进入海豚运动状态，高速航行的稳定性较差。为了改善单体滑行艇的高速航行状态，结合多体船技术和气动增升船型的发展，逐渐出现了双体滑行艇和三体滑行艇。
单体滑行艇艇双体滑行艇三体滑行艇
图1.1 常见滑行艇艇型
多体滑行艇[3]与单体滑行艇的区别就是在艇底沿纵向轴线设计了贯通槽道，在保留单体滑行艇通过水动压力的减阻原理时，又引入了气动压力以减小船体航行时收到的流体介质作用力，使船体主要升力从水动力变成气动力，成为一种气动增升船型，相较于
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新医学单体滑行艇提高了减阻效率和航行稳定性。三体滑行艇是近年在性能上是对双体滑行艇的进一步升级，因为三体船具有更为宽敞的船体，因此能安装更多的减阻和稳定系统以提高航行性能，但也因为
其较为庞大的船体导致低速航行时阻力较大，结构复杂和高昂的成本皆限制了三体滑行艇的大范围应用。
双体滑行艇的设计因为船底采用中央贯通槽道设计，低速航行时船底槽道大部分位于水线以下，滑行艇为排水型航行状态，浮力以水动力为主；随着航速提高，空气从船艏槽道口涌入槽道，船艏上扬，船体呈现明显后倾现象，槽道进气量增大，在槽道内部形成高气压，产生向上升力，抬升船体减小了船体与水体接触面积，减小船体阻力；航速足够高时，使槽道完全位于水线之上，船体进入滑行状态，槽道内气体与水体混合形成高速气液混合状态，附着于船底表面与水体之间，减小船体所受的水体阻力，同时所产气动升力可进一步减小船体吃水，降低航行阻力。所以可见双体滑行艇的船型设置使得船体同时收到水动力学和气动力学影响，在航行时船体周围流场和作用力作用较为复杂，呈现强非线性[4]。目前关于双体滑行艇的研究大多采用船舶模型试验的方法进行，模型试验的研发周期长，投入成本高，只能得到宏观的阻力和稳定性等数据，无法体现船体航行过程中槽道内的气液分布状态和船体周围流场状态等特性。随着计算机计算速度的提高，CFD技术发展迅速，并且产生了大量成熟的商业软件，广泛应用于船舶设计和研究工作。CFD 技术可实现对计算域内的流场速度、压力、位置等瞬态物理量进行实时监视，可有效计算航行时的兴波效应和尾迹波高等，具有很高的参考价值。本文将利用CFD方法模拟双体滑行艇在航行过程中的水动力性和气动力学状态，研究船体槽道尺寸形状等参数对航行性能的影响，并且研究在利用水翼、压浪板等减摇技术时，双体滑行艇的航行姿态变化
和影响程度。为目前双体滑行艇的减阻减摇研究进行补充，并为后续的双体滑行艇的优化设计工作提供参考。
1.2 双体滑行艇研究现状
双体滑行艇最早的实船由英国Cougar（美洲狮）公司于上世纪70年代研制成功[5]，Cougar公司先后推出两款超高速型双体滑行艇，将世界近海航行高速纪录从84.6kn提高至95.7kn。1977年Cougar公司建造的名为“处女大西洋挑战者”号的远洋型双体滑行艇完成了高速横跨大西洋两千八百海里的壮举，证明双体滑行艇即使在远洋航行方面也有良好的航行性能。国内对于双体滑行艇的研究起步比国外略晚，但在研究成果转化上比较成功。1992年由中国人民解放军总后勤部车船研究所开发[6]，常州玻璃钢造船厂
第1章 绪论
生产的我国第一艘沿海高速双体滑行艇“海豹”号下水服役，“海豹”号的下水填补了我国双体滑行艇应用的空白，并且为我国后续的双体滑行艇船研究打下了基础。随后由总后勤部军事交通运输研究所刘谦[7]等人研制的长城系列交通艇成为我国目前为止最为成功的双体滑行艇艇型，长城系列滑行艇广泛应用于长江或近海航区进行巡逻、缉私、交通运输和观光娱乐等用途，其中长城930型高速双体交通艇更是在第九届全国发明展览会大受欢迎并荣获金奖。
虽然双体滑行艇在较早时期已经有实船投入使用，但是国内外对于双体滑行艇的减摇减阻研究仍没有停止，研究方法以模型实验为主。1984年美国学者Payne P. R[8-9]根据“超临界航行”的概念，提出了一种双体超临界滑行艇方案“Wavestrider”采用“鸭式”滑行面和尾部槽道水翼，进行五级海况下的超高速航行试验，因为水翼升力不足和槽道受水流冲刷严重，导致试验失败，但仍提供了理论基础。1998年总后勤部军事交通运输研究所的刘谦[10-13]等人阐明了双体滑行艇与单体滑行艇的区别，介绍了高速双体滑行艇的设计原则和要求，并通过大量实验系统地研究了双体滑行艇的主尺度、船体型线和槽道参数等对水动力特性的影响。1995年大连理工大学的迟云鹏等人[14-16]以30吨级的大型双体滑行艇为对象，增加首、尾水翼等结构分析了不同水翼翼型、水翼个数、安装位置和安装角度等对船体航行性能的影响。1996年哈尔滨工程大学的赵连恩、苏永昌[17-20]也多次开展了双体滑行艇的高速水池实验研究，并在双体滑行艇上加装槽道水翼和尾压浪板，研究其工作原理和对双体滑行艇水动力性能的影响，证明槽道水翼和尾压浪板有效改善双体滑行艇高速航行阶段的航行阻力和稳定性。1997年集美大学的赵智萍[21]通过大量实验研究分析了槽道艇的形状、重心位置、首尾水翼和尾压浪板等因素对航行阻力和纵向倾角的影响。2000年海军工程大学的董祖舜[22]等人采用细长三角形滑行面加纵向拱度滑行面组合设计的新型双体滑行艇，结合舯后断阶、反喷溅槽等措施，使该型滑行艇实现波浪中的超临界状态航行，通过理论和试验验证其可行性，证明了双体滑行艇在超临界状态以15%~20%的增阻代价可实现高达50%的减摇性能。2004年伊朗沙尔夫大学的Seif. M. S[23]等人针对单体滑行艇和双体滑行艇进行水池模型试验，证明双体滑行艇在高速航行时优异的阻力性能和纵向稳定性，并且讨论
了船体主尺度、斜升角角度和重心位置等对双体滑行艇航行阻力和稳定性的影响。2006年挪威学者Hansvik.T.[24]在双体滑行艇上加装阻流板和断级，进行大量试验研究表明了阻流板和断级能有效地减小双体滑行艇阻力性能和增强纵向稳定性。2007年Russel[25]等人在静水和迎浪环境下对比测试了多体滑行艇的水动力性能，通过改变船体倾角大小测试了船体湿长度、纵倾角度和结构受力等性能数据。2008年刘玉川[26]对加装圆背形剖面的矩形翼的双体滑行艇
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