高速滑行艇運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)數(shù)值預(yù)報(bào)與噴濺特性研究.pdf

1、滑行艇作為水面高速艇的代表船型,在內(nèi)河巡邏、海上救護(hù)、海上快速運(yùn)輸、海洋環(huán)境探測等方面得到了廣泛的應(yīng)用,近年來發(fā)展迅速的水面高速無人艇大多采用滑行艇艇型,并在軍事領(lǐng)域展現(xiàn)出誘人的應(yīng)用前景。由于滑行艇在高速航行狀態(tài)下的流體動(dòng)力載荷及其運(yùn)動(dòng)響應(yīng)具有十分復(fù)雜的強(qiáng)非線性特性,包含了水動(dòng)力/氣動(dòng)力耦合作用載荷、自由面變形的流動(dòng)分離與湍流、航行的縱向穩(wěn)定性、隨浪中的橫甩、底部砰擊與舷側(cè)噴濺等瞬態(tài)非線性問題,對于滑行艇的航行穩(wěn)定性、機(jī)動(dòng)性和安全性產(chǎn)生

2、至關(guān)重要的影響。
　　本文基于計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT、滑行艇三自由度運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型、模型制作與自航試驗(yàn)等研究方法開展了計(jì)及風(fēng)載荷作用的滑行艇瞬態(tài)流體動(dòng)力載荷、運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及其控制,建立了基于高速滑行艇流場數(shù)值計(jì)算結(jié)果的噴濺特性及噴濺阻力的定量分析和計(jì)算模型,提出計(jì)算噴濺區(qū)幾何參數(shù)的方法,推導(dǎo)出噴濺阻力的計(jì)算公式;完成了計(jì)及風(fēng)載荷的滑行艇瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)數(shù)值預(yù)報(bào)與理論預(yù)報(bào),在此基礎(chǔ)上提出了基于運(yùn)動(dòng)水翼系統(tǒng)的滑行艇姿態(tài)控制方法,并進(jìn)

3、行自航模型試驗(yàn)研究。主要研究內(nèi)容包括:
　　完成了高速滑行艇約束模式下流場及流體動(dòng)力性能的數(shù)值模擬,深入分析了滑行艇噴濺面積、艇底動(dòng)壓及噴濺阻力的變化規(guī)律;為精確計(jì)算噴濺區(qū)在水平面內(nèi)投影的幾何形狀和特征雷諾數(shù)提出了四條假設(shè),推導(dǎo)出由噴濺區(qū)面積計(jì)算噴濺區(qū)后緣駐線與龍骨線夾角、前緣邊線與龍骨線夾角、邊線、特征雷諾數(shù)的計(jì)算方法,同時(shí)提出了噴濺阻力的計(jì)算公式,并編寫了后處理程序,能夠完成滑行艇噴濺區(qū)流體動(dòng)力性能的計(jì)算及噴濺區(qū)幾何形狀的繪制

4、;通過與戴維遜實(shí)驗(yàn)室的經(jīng)驗(yàn)公式和ITTC公式的計(jì)算結(jié)果相比較具有良好的一致性,驗(yàn)證了本文所建立的滑行艇噴濺特性數(shù)值計(jì)算模型的可靠性。
　　采用FLUENT軟件運(yùn)動(dòng)網(wǎng)格數(shù)值求解技術(shù),耦合求解滑行艇縱向三自由度運(yùn)動(dòng)方程,構(gòu)建了三維滑行艇瞬態(tài)流體動(dòng)力及運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)數(shù)值預(yù)報(bào)模型及方法,開展了不同體積傅汝德數(shù)、不同重心位置模式下滑行艇運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的數(shù)值預(yù)報(bào)與分析,給出了各工況下滑行艇流場特性及航行姿態(tài),分析了滑行艇響應(yīng)運(yùn)動(dòng)過程中重心位置、縱傾

5、角的變化規(guī)律,研究表明:相同航速條件下,重心位置后移引起滑行艇的升沉量和縱傾角增大;在重心位置相同的條件下,滑行艇由排水航行向滑行狀態(tài)過渡期間,縱傾角隨著航速的增加而增大;當(dāng)滑行艇進(jìn)入滑行艇狀態(tài)后,隨著航速的增加縱傾角下降,滑行艇的升沉量隨著航速的增加不斷增加。
　　當(dāng)滑行艇低速航行時(shí),噴濺出現(xiàn)在艇艏部且面積較小,以須狀噴濺為主;隨著航速的增加,噴濺越來越明顯,噴濺出現(xiàn)在艇艏部和舷側(cè)部分且噴濺面積增加,同時(shí)存在主噴濺區(qū)和須狀噴濺區(qū)

6、。通過滑行艇運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果給出并驗(yàn)證了重心位置過于靠近艇尾滑行艇易出現(xiàn)“海豚運(yùn)動(dòng)”現(xiàn)象的結(jié)論。
　　建立了計(jì)及風(fēng)載荷的滑行艇非線性縱向運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型,包括推進(jìn)系統(tǒng)模型及控制系統(tǒng)模型,改進(jìn)了受風(fēng)面積和風(fēng)壓力臂的計(jì)算方法;推導(dǎo)出計(jì)算滑行艇瞬時(shí)浸濕長度及面積的計(jì)算公式,開發(fā)了滑行艇縱向三自由度運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)仿真軟件,完成了計(jì)及風(fēng)載荷作用的滑行艇的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)預(yù)報(bào),定量的描述了滑行艇航行過程中風(fēng)阻所占的比例及多工況下滑行艇航行姿態(tài)的對比分

7、析。
　　提出并設(shè)計(jì)了一套新型的滑行艇航行姿態(tài)控制裝置——運(yùn)動(dòng)可控水翼系統(tǒng)(水翼可以變攻角和縱向運(yùn)動(dòng)),建立了計(jì)及風(fēng)載荷作用的可控水翼滑行艇非線性縱向運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型,提出了可控水翼對滑行艇升沉量和縱傾角的控制策略,編寫了可控水翼滑行艇縱向運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)及可視化程序,完成了0～8級風(fēng)載荷作用下水翼變攻角、縱向運(yùn)動(dòng)及變攻角+縱向耦合運(yùn)動(dòng)三種模式對滑行艇升沉量和縱傾角的控制預(yù)報(bào)與分析。結(jié)果表明:相同外載荷作用下,在水翼變攻角+縱向運(yùn)動(dòng)控制下滑行

8、艇升沉量和縱傾角變化幅值均小于水翼固定的情況,運(yùn)動(dòng)水翼可以達(dá)到對滑行艇姿態(tài)的控制。
　　為驗(yàn)證本文提出的運(yùn)動(dòng)水翼對滑行艇航行姿態(tài)控制方案的可行性,設(shè)計(jì)制作了可控水翼系統(tǒng)及滑行艇自航模型。波浪水池中開展了滑行艇模型的自航試驗(yàn),通過六自由度傳感器(MTA)采集滑行艇模型運(yùn)動(dòng)響應(yīng)參數(shù),對試航數(shù)據(jù)的分析處理結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)水翼能夠?qū)崿F(xiàn)對滑行艇航行姿態(tài)的實(shí)時(shí)調(diào)控。
　　本文通過開展滑行艇瞬態(tài)流體動(dòng)力及運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的計(jì)算分析,建立了噴濺