高速滑行艇喷溅阻力的数值计算与分析方法研究

摘要

传统排水型船的重量由静水力支持，而滑行艇的重量是由水动力和静水力联合支持，滑行艇在高速航行时伴随着强烈的喷溅现象，对滑行艇的航行阻力及运动性能产生显著影响。精确模拟滑行艇的喷溅及确定喷溅阻力对于确定艇体受到的动载荷及艇型的优化具有十分重要的意义。
　　本文采用与滑行艇试验艇型相同的三维棱柱型滑行艇模型，针对棱柱型滑行艇在静水中约束航行及在波浪中约束航行进行了数值模拟与分析。
　　利用Fluent软件对滑行艇约束模式下纵倾角τ=3.0°、5.0°，航速V=1.0m/s~6.0m/s共计12个工况进行了数值模拟，完成了棱柱型滑行艇在静水中约束航行的水动力特性研究，分析了不同纵倾角不同航速下滑行艇的阻力、周围流场、艇底动压等，并将数值计算结果与试验相比较，吻合较好。当航速 V?2m/s时，阻力数值计算值与试验值误差小于5％，说明该数值模拟方法在研究较高体积傅汝德数时具有较好的计算精度。
　　根据棱柱型滑行艇在静水中约束模式下的数值模拟结果，完成了棱柱型滑行艇在静水中约束航行的喷溅特性研究，分析了滑行艇喷溅面积、艇底静压等参数的变化特性，通过自编后处理程序绘制出滑行艇喷溅区的形状，并计算出喷溅面积及喷溅阻力。喷溅区平均速度与航速之间近似满足线性关系，纵倾角τ=3.0°下喷溅阻力占总阻力的12%~19%，纵倾角τ=5.0°下喷溅阻力占总阻力的25%~30%。
　　通过速度边界造波方法，实现波浪环境的模拟，对滑行艇以一定航速，在波长为2.1m、波高为0.2m的波浪中航行进行了数值模拟，选取纵倾角τ=5.0°，航速V=0m/s~5.0m/s共计6个工况，开展了计及空气载荷作用下棱柱型滑行艇在波浪中约束航行的喷溅特性研究，分析了滑行艇的艇底静压、艇底水相体积分数分布等，绘制出滑行艇喷溅区的形状，计算得到不同航速下滑行艇的喷溅阻力。航速 V=0m/s时，喷溅阻力非常小，可以忽略不计；其余航速下，在波浪中滑行艇的喷溅阻力占总阻力比例RS/R的峰值约在10%左右。
　　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，本文提出喷溅区的分离方法，并推导出喷溅区几何参数及喷溅阻力的计算公式，最终建立棱柱型滑行艇喷溅参数及喷溅阻力的计算模型与方法，为滑行艇喷溅阻力的研究提供了一种可行的研究分析方法。

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第1章 绪论

1.1引言

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容及方法

第2章 CFD基本理论知识与滑行艇喷溅

2.1计算流体动力学简介

2.2数值计算方法

2.3UDF概述

2.4滑行艇喷溅

2.5本章小结

第3章 静水中约束模式下滑行艇的水动力特性研究

3.1引言

3.2计算模型的建立及设置

3.3棱柱型滑行艇数值模拟结果对比分析

3.4本章小结

第4章 棱柱型滑行艇在静水中约束航行的喷溅特性研究

4.1引言

4.2计算工况

4.3滑行艇的喷溅阻力计算方法研究

4.4棱柱型滑行艇喷溅特性及喷溅阻力的计算分析

4.5本章小结

第5章 棱柱型滑行艇在规则波中约束航行的喷溅特性研究

5.1引言

5.2数值水池的建立

5.3滑行艇在波浪中的数值模拟

5.4滑行艇数值计算结果分析

5.5本章小结

第6章 结论与展望

6.1主要结论

6.2研究展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

附录