高速翼滑艇瞬态流体动力特性及运动机理研究

The Gliding-Hydrofoil Craft (GHC) has been recently proposed by the research group from JUST, which is partially similar to a planing craft but has a hydrofoil installed in the front part of the ship.The research on the mechanism of high-speed GHC is of great significance for improving navigation performance, navigation safety and reducing energy consumption. This project established a transient hydrodynamic characteristic numerical prediction model and a completely unsteady motion response numerical prediction model based on the method of RANS coupled numerical value to solve three-dimensional motion equation in heave and pitch of GHC. Through analysed the parameters of hydrofoil, wet area of the hull, trim angle, dynamic change regulation of pressure distribution on craft bottom and velocity field characteristics near the hull in the process of high-speed navigation, it constructed a quantitative analysis model of parameters of hydrofoil kinematic characteristics and kinetics characteristics of the hull. Also, it posed numerical calculation method of GHC hydrodynamics based on the dynamic and static pressure distribution of craft bottom. Meanwhile, it carried out model test to measure motion response and hydrodynamic force. It tested wet length of the hull and pressure distribution on craft bottom in the methods of sensor layouts and painting being used. Then checked and verified the results of numerical calculation. It supplied a reliable way to design the layout of a new hydrodynamic characteristic for high-speed GHC.

翼滑艇是由江苏科技大学申请者所在课题组提出的一种新船型，它的结构类似于滑行艇但在艇体首部安装了水翼。研究翼滑艇在高速航行时的运动机理对于提高翼滑艇的航行性能、航行安全以及降低能耗等具有重要意义。本项目基于RANS方法耦合数值求解翼滑艇垂荡纵摇运动方程，建立高速翼滑艇瞬态流体动力及非定常运动响应的实时数值预报模型与方法，通过分析翼滑艇高速航行过程中水翼参数、艇体湿面积、纵倾角、艇底压力分布的动态变化规律及艇体周围的速度场特性，构建水翼参数、艇体运动学及动力学特性的定量分析模型，并基于艇底动静压力分布提出翼滑艇水动力的数值计算方法；开展翼滑艇模型试验，综合测试运动响应及流体动力，采用布置传感器及涂油漆方法测试艇体湿长度及艇底压力分布，并对数值计算结果进行考核验证，为水面高速翼滑艇新型流体动力布局设计提供可靠的计算依据和研究方法。

近年来，世界各国对高速船艇的研究极为重视。高速船艇的发展围绕着不断提高航速、改善航行性能而派生出多种高速船。翼滑艇是滑行艇和水翼艇结合的产物，其航x行状态也可以看成水翼艇和滑行艇的结合。将滑行艇的滑行面和水翼艇的水翼相结合，能快速的使船体抬升，更有效的减小阻力，更快的进入滑行状态，并且具备更好的稳性。随着翼滑艇航速的不断增加，船体周围流体的压力场会发生急剧变化，使船体周围的压力具有足够大的铅垂方向上的分量，来支撑部分甚至全部船重，减少船体与水的接触面积，以此来降低高速时的阻力。本项目研究工作及分析如下：.（1）根据相关文献资料，选取不同的翼型，利用Fluent软件，将二维水翼进行单独的数值模拟，分析单独水翼的水动力特性。选定适合高速艇的翼型进行船舶拖曳实验以及三维数值模拟。.（2）选取15.8米的滑行艇作为母型船，利用缩尺比1:13.39的翼滑艇模型，进行船舶拖曳实验。测量记录翼滑艇船模在水中航行的水动力特性。调整水翼相对浸深、前后安装位置，分析这些因素对翼滑艇水动力特性的影响。.（3）根据相关文献资料，以所选母型船主尺度为参考依据，基于Maxsurf软件对艇型进行设计，然后利用CATIA软件进行光顺处理以减小三维数值模拟计算误差，并在艇体添加水翼，通过改变水翼的初始安装攻角、相对浸深、前后安装位置，建立了水动力特性计算的多种模型。.（4）通过实验结果与FINE/Marine软件计算结果的对比，验证了软件参数设置的正确性及计算结果的准确性，再利用FINE/Marine软件对加装弓型水翼的母型船进行数值模拟，对比分析在不同初始攻角，相对浸深和前后安装位置等参数下的阻力系数、阻升比、阻力及纵倾角等。以选择翼滑艇最佳升阻力性能为目的，确定弓型水翼的最佳安装位置的参数组合。