高速滑行艇喷溅区瞬态特性及喷溅阻力的计算方法研究

The research on the mechanism of spray of high-speed planning craft is of great significance for improving navigation performance, navigation safety and reducing energy consumption, as it is widely used in high-speed transportation, marine resources exploration and military affairs. 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 planning craft. through analysed the shape of spray, area, trim angle, dynamic change regulation of pressure distribution on craft bottom and velocity field characteristics in the area of spray in the process of high-speed navigation, it constructed a quantitative analysis model of geometrical characteristics, kinematic characteristics and kinetics characteristics in the area of spray, and determined the characteristic parameters of the shape of spray, area and mean velocity. Also, it posed spray resistance numerical calculation method 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 stagnation point, shape and pressure distribution in spray area in the methods of sensor layouts and painting being used. And it advocated a spray resistance test analysis method, 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 planning craft.

高速滑行艇在海上快速运输、海洋资源探测以及海洋军事等领域应用广泛，研究滑行艇在高速航行时的喷溅机理对于提高滑行艇的航行性能、航行安全以及降低能耗等具有重要意义。本项目基于RANS方法耦合数值求解三维滑行艇垂荡纵摇运动方程，建立高速滑行艇瞬态流体动力及完全非定常运动响应的实时数值预报模型与方法，通过分析滑行艇高速航行过程中喷溅区形状、面积、纵倾角、艇底压力分布的动态变化规律及喷溅区的速度场特性，构建喷溅区几何特征、运动学及动力学特性的定量分析模型，确定出喷溅区形状、面积及平均流速等特征参数，并基于艇底动静压力分布提出滑行艇喷溅阻力的数值计算方法；开展滑行艇模型试验，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喷溅区驻点、形状及艇底压力分布，提出一套滑行艇喷溅阻力的试验测试分析方法，并对数值计算结果进行考核验证，为水面高速滑行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。

高速滑行艇在海上快速运输、海洋资源探测以及海洋军事等领域应用广泛，由于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，因此研究滑行艇在高速航行时的喷溅机理对于提高滑行艇的航行性能、航行安全以及降低能耗等具有重要意义。本项目通过模拟滑行艇喷溅及确定喷溅阻力对于指导新型滑行艇设计、改善滑行艇航行性能具有十分重要的意义。.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阻力、周围流场、艇底动压力等，通过与模型试验结果对比，当航速V2m/s时，阻力计算值与试验误差小于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。.运用三维建模软件建立了滑行艇模型，基于计算流体动力学软件（FINE/Marine），完成了高速滑行艇在自航模式下，重心距艇尾占总长的38.1%L、35.1%L，航速为V=2m/s~7m/s共计12种工况下滑行艇三自由度运动响应预报，完成了水动力特性、运动响应特性、航速对喷溅特性的影响等研究，通过与试验数据对比，二者吻合良好。在此基础上建立了滑行艇喷溅区几何特性的定量分析模型，基于艇底压力、速度、水相分布等参数确定了喷溅区域，完成了相关的程序编制，通过自编程对喷溅区域进行处理获取了喷溅区域特征参数，完成了喷溅区域流体运动特性及喷溅阻力的计算分析。.完成了棱柱型滑行艇在静水中约束航行的喷溅及阻力特性研究，分析了滑行艇喷溅区面积、艇底静压力等参数的变化特性，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%。.完成了棱柱型滑行艇喷溅阻力的模型试验研究。通过分析高速摄像机拍摄的视频，利用CAD软件捕获滑行艇喷溅区和滑行面，研究了滑行面面积、喷溅区面积、驻点移动距离等参数的变化特征；通过Matlab自编程序，对压力传感器试验数据进行处理分析，确定了滑行面的平均速度、摩擦阻力系数、压阻力和摩擦阻力，并最终确定滑行艇的喷溅阻力，试验结果表明：滑行艇的喷溅阻力约占总阻力的22%~35%。