带固定水翼滑行艇阻力与耐波性能研究

摘要

随着社会的快速发展，人们对海洋开发的力度日益加大，相应地对船舶的适航性要求也越来越高。滑行艇是应用最早的高性能船舶，具有较好的快速性，但是其在波浪中的耐波性能很差。为了改善滑行艇在波浪中的耐波性能，可采取在艇体上加装附体的方式。本文利用基于CFD方法的STAR-CCM+软件，研究增设固定水翼对滑行艇阻力与耐波性能的影响。
　　首先，对滑行艇水动力性能的数值计算开展研究。通过对一棱柱型艇模型阻力的计算，分析了网格划分和时间步长对艇阻力计算结果的影响，获得一种高效而精度良好的网格划分方式和时间步长设置方式;进而采用域动网格技术来实现六自由度数值模拟、重叠网格处理网格运动问题和直角切割网格来适应复杂表面的方法对一滑行艇模型静水直航运动进行模拟。接着，采用软件内的VOF模块，对多个波高的规则波中滑行艇迎浪运动进行了模拟。通过与试验值或理论值的对比分析，证明了数值计算方法能够较准确计算滑行艇的水动力性能。
　　然后，针对不同纵向安装位置、不同主翼面积、不同主翼距艇底安装高度及不同主翼安装迎流攻角的固定水翼对滑行艇阻力与耐波性能的影响进行了分析。计算结果表明增设合适的固定水翼能够明显改善滑行艇的耐波性能，具有适当负的主翼安装迎流攻角的艏水翼效果最好，其通过增大艇的纵倾，从而获得更大的升力，静水中的减阻效果也较好。
　　最后，对一带艏固定水翼滑行艇和原型艇在不同航速下的静水阻力和航行姿态进行了详细地计算和比较研究，并在规则波迎浪条件下，对不同航速、不同波长及不同波高时的航行阻力和波浪增阻、纵摇与垂荡运动、重心及艏部垂向加速度进行了详细的对比分析。结果表明增设适当的艏固定水翼能够明显地减小滑行艇在中速和部分高速时的静水阻力，同时显著改善波浪中的耐波性能，但航速很高时，静水阻力和波浪中的航行阻力增大严重。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 船舶耐波性几个重要的研究方向

1．2．1 船舶运动响应计算方法

1．2．2 CFD在耐波性计算中的应用

1．2．3 波浪中的阻力增加

1．2．4 减小船舶纵摇

1．3 船舶减纵摇研究现状

1．4 带翼滑行艇研究进展

1．5 论文的主要研究内容

第2章 滑行艇静水直航性能数值计算

2．1 数值方案

2．1．1 控制方程

2．1．2 湍流模式

2．1．3 控制方程离散方法和差分格式

2．1．4 SIMPLE算法

2．1．5 自由液面处理

2．1．6 近壁面处理

2．2 计算域与网格

2．2．1 计算域

2．2．2 网格

2．3 网格划分对阻力计算结果的影响

2．3．1 计算模型及网格划分

2．3．2 计算介绍

2．3．3 结果分析

2．4 y+与时间步长对阻力计算结果的影响

2．4．1 y+和时间步长设置方式

2．4．2 y+对阻力计算结果的影响

2．4．3 △t对阻力计算结果的影响

2．5 基于直角切割网格重叠的滑行艇直航运动模拟

2．5．1 域动网格技术和重叠网格技术

2．5．2 计算模型

2．5．3 计算域及网格设置

2．5．4 计算介绍

2．5．5 结果分析

2．6 本章小结

第3章 粘性非线性波浪与滑行艇迎浪运动的数值模拟

3．1 数值波浪水池

3．2 粘性非线性波浪数值模拟

3．2．1 计算介绍

3．2．2 结果及分析

3．3 滑行艇迎浪运动数值模拟

3．3．1 计算介绍

3．3．2 结果及分析

3．4 本章小结

第4章 固定水翼参数对滑行艇阻力与耐波性能的影响

4．1 计算研究工况

4．2 固定水翼初步规划设计

4．3 纵向安装位置的影响

4．3．1 模型选取

4．3．2 静水工况计算结果及分析

4．3．3 规则波工况计算结果及分析

4．4 主翼面积大小的影响

4．4．1 模型选取

4．4．2 静水工况计算结果及分析

4．4．3 规则波工况计算结果及分析

4．5．1 模型选取

4．5．2 静水工况计算结果及分析

4．5．3 规则波工况计算结果及分析

4．6 主翼安装迎流攻角的影响

4．6．1 模型选取

4．6．2 静水工况计算结果及分析

4．6．3 规则波工况计算结果及分析

4．7 本章小结

第5章 带艏固定水翼滑行艇与原型艇水动力性能对比研究

5．1 研究模型和计算介绍

5．2 静水直航水动力性能的对比研究

5．2．1 计算工况

5．2．2 计算结果及分析

5．3 规则波中迎浪运动水动力性能的对比研究

5．3．1 计算工况

5．3．2 垂荡与纵摇

5．3．3 重心与艏部垂向加速度

5．3．4 航行阻力与波浪增阻

5．3．5 固定水翼砰击与受力分析

5．4 本章小结

总结

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢