高速滑行艇纵向运动稳定性预报方法研究

摘要

高速滑行艇海豚运动是滑行艇静水中高速滑行时产生的纵摇和垂荡耦合运动，海豚运动对滑行艇以及船员的安全有严重的威胁。由于高速滑行艇滑行时有折角线流动分离等强非线性效应，难以应用非线性理论数值模拟海豚运动。本文基于简单格林函数的非线性2D+t理论数值预报滑行艇的海豚运动临界参数，主要开展了以下工作:
　　探讨了二维物体入水砰击问题的简单格林函数非线性边界元方法。探讨了自由面与物面交点的处理、射流区的处理、非线性自由面条件的迭代求解、自由面锯齿不稳定性的移除以及物面压强的精确求解等数值关键技术，探讨了迭代步长、计算域大小、自由面网格数量以及划分方案对计算结果的影响。引入折角流动分离模型以数值模拟带有折角物体入水问题。数值计算了八个不带折角和两个带有折角的楔形体恒速入水的自由面形状、物面压强分布、最大压强系数和垂向水动力，并与其他理论计算值进行比较。
　　探讨了二维物体辐射问题的简单格林函数非线性边界元方法。探讨了远方辐射条件的处理，探讨了迭代时间步长、自由面网格数量、计算域大小、阻尼区长度以及平滑周期对于计算结果的影响。计算了楔形体、圆柱以及具有深吃水和浅吃水的外飘船艏横剖面的附加质量、阻尼系数、二阶定常力、二阶谐振力以及三阶谐振力，并与试验值以及其他数值结果进行了比较。
　　探讨了滑行艇静水匀速航行问题的简单格林函数非线性2D+t理论。数值计算了滑行艇以不同速度在静水中航行时的自由面以及剖面垂向力沿滑行艇艇长的分布。探讨了重力效应的影响，探讨了斜升角、纵倾角以及航速对剖面垂向力最大值的影响，计算了滑行艇不同速度的动升力系数并与Savitsky经验公式进行。
　　探讨了高速船在静水中匀速航行并伴随强迫振荡问题的简单格林函数非线性2D+t理论。以WigleyⅠ和WigleyⅣ为例计算了不同速度航行不同频率垂荡或纵摇时的水动力系数并与试验值以及频率线性理论、三维线性频域理论计算值进行比较验证理论的正确性。基于线性稳定性分析以及Routh-Hurwitz稳定性判据给出了滑行艇海豚运动判定依据，结合该判据和非线性2D+t理论数值预报了不同斜升角、载荷系数的滑行艇海豚运动并与试验值和Savitsky经验公式进行了比较，探讨了载荷系数、惯性矩半径以及斜升角对海豚运动临界纵倾角、重心位置以及湿长度的影响。
　　研究表明，研究的简单格林函数非线性边界元方法能够准确的预报二维物体入水砰击的物面压强分布和自由面形状，引入的流动分离模型能够有效的模拟带折角的二维物体入水砰击问题。基于简单格林函数的非线性2D+t理论，能够比较准确的计算高速船匀速航行并伴有强迫振荡的水动力系数，采用该方法和Routh-Hurwitz判据能够较为准确的预报高速滑行艇海豚运动临界参数。滑行艇的水动力系数与斜升角、纵倾角和航速等有关，载荷系数、惯性矩、斜升角和重心位置等是滑行艇海豚运动的主要影响参数。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文的目的和意义

1．2 物体入水砰击研究进展

1．2．1 物体入水砰击试验研究

1．2．2 物体入水砰击理论研究及数值模拟

1．3 波浪与结构物相互干扰的理论研究进展

1．4 滑行艇水动力性能研究进展

1．4．1 滑行艇试验研究

1．3．2 滑行艇理论研究

1．4 本文主要工作

第2章 二维物体入水理论研究及数值模拟

2．1 二维物体入水问题定解条件

2．2 积分方程的建立及数值离散

2．3 初始条件

2．4 GMRES

2．5 拐点的处理

2．6 射流区的处理

2．7 自由面平滑技术

2．8 自由面网格重新划分

2．9 自由面迭代求解

2．10 物面压强求解

2．11 边界元方法检验

2．11．1 质量守恒验证

2．11．2 自由面物面交点速度验证

2．11．3 自由面物面交点压强验证

2．11．4 动量守恒验证

2．11．4 能量守恒验证

2．12 流动分离模型

2．12．1 流动分离的局部解析解

2．12．2 折角点附近流动的局部解析解

2．12．3 流动分离模型的应用

2．13 数值结果以及分析

2．13．1 质量守恒验证结果分析

2．13．2 自由面与物面交点速度验证结果分析

2．13．3 动量守恒验证结果分析

2．13．4 能量守恒验证结果分析

2．13．5 自由面网格尺寸对计算结果的影响

2．13．6 迭代时间步长对计算结果的影响

2．13．7 截断尺寸对计算结果的影响

2．13．8 自由面网格划分方案以及数量对计算结果的影响

2．13．9 不同斜升角楔形体入水的自由面形状和物面压强分布

2．13．10 带有折角的楔形体入水的自由面形状和物面压强分布

2．14 本章小结

第3章 二维物体辐射问题数值模拟

3．1 二维辐射问题定解条件

3．2 远方辐射条件的满足

3．2．1 Sommerfeld辐射条件

3．2．2 人工阻尼方法

3．2．2 多重透射公式

3．3 初始时刻平滑函数的应用

3．4 水动力系数的求解

3．5 数值结果及分析

3．5．1 楔形物体辐射问题

3．5．2、半圆柱辐射问题数值模拟结果

3．5．3、船艏外飘剖面深吃水辐射问题数值模拟结果

3．5．4、船艏外飘剖面浅吃水辐射问题数值模拟结果

3．6 本章小结

第4章 滑行艇静水高速航行数值模拟

4．1 2D+t理论求解滑行艇静水匀速航行问题

4．2 滑行艇静水航行姿态预报

4．2．1 Savitsky经验公式

4．3 滑行艇静水航行数值模拟结果及分析

4．3．1 滑行艇主要参数以及型线图

4．3．2 滑行艇静水航行姿态预报

4．3．3 滑行艇静水航行自由面形状和升力预报

4．4 本章小结

第5章 滑行艇海豚运动预报

5．1 海豚运动的线性稳定性分析

5．2 水动力系数的求解

5．2．1 2D+t理论求解高速船水动力系数

5．2．2 数值结果及分析

5．3 海豚运动数值预报

5．3．1 回复力系数的计算

5．3．2 数值结果及分析

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢