高速翼滑艇波浪增阻及运动响应特性研究

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随着海洋运输、海洋资源开发以及近海客运交通的发展,高速船艇的需求量日益增加。高速船艇的设计和开发已经成为了船舶设计的热点和必然的趋势。由于高速船艇具有速度快、成本低等优点,因此在海上救护、海上快速运输、海洋环境探测等方面得到了广泛的应用。世界各国以提高航速,改善操纵性和耐波性为目标发展出多种水面高速船艇。将不同船型的特点进行组合,取长补短从而产生出新的船型是高性能船(HSV)研究领域的一种有效创新手段。翼滑艇作为水翼艇和滑行艇的结合产物,将滑行艇的滑行面和水翼艇的水翼相结合,水翼能在航速足够大的情况下能产生升力将船体托起,减小船体与水的接触面积,从而减小高速航行时的阻力,然而对该船型在波浪中的水动力性能研究少之又少。此外,在波浪中会发生增阻现象,不但会引起能耗增加和速度损失,还会对耐波性和操纵性形成隐患。因此,对翼滑艇在波浪工况下的水动力性能预报具有十分重要的意义。本文采用开源CFD工具箱Open FOAM中的不可压缩两相流Navier-Stokes求解器inter Foam建立数值计算水池。对一艘船长1.18m的翼滑艇模型开展水动力特性展开研究与分析。具体包括以下内容:(1)概况了国内外关于波浪增阻、船舶耐波性、翼滑艇船型的研究现状。归纳总结前人研究路线的同时给出了近几年的波浪增阻和船舶耐波性研究热点和方法。(2)介绍了后续计算和研究中所要用到的计算流体力学基本理论。(3)对1.18m翼滑艇船模和滑行艇船模在静水中的水动力特性进行了数值模拟,并与实验数据进行对比。通过比较这两种船型的阻力性能、船体姿态和周围流场等特征,检验了翼滑艇在静水中阻力性能的优越性。(4)选取Fr=0.7为波浪工况航速,以1至3级海况设计了9种不同的波浪工况。考虑垂荡和纵摇耦合运动,对翼滑艇在不同波浪条件下的性能展开数值计算。研究了波高、波长等因素对波浪增阻及运动响应的影响,另外还在同一波高和波长条件下调查了翼滑艇性能随浪向角的变化规律。经过研究发现:在静水中航速足够高的前提下,翼滑艇具有更优秀的阻力性能。Fr=1.0时的翼滑艇阻力仅为同船型滑行艇的58%,此时水翼能最大程度发挥减阻作用。但翼滑艇在波浪工况尤其是大波幅短波长情况下的耐波性能较差,当浪向角为60°时,横摇运动的幅值最大。在实际航行中应尽量避免这种情况。
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