高速滑行艇水动力分析技术外文翻译资料

 2022-07-28 15:53:35

滑行艇是一种海洋船，高速向前运动时其重量主要由高压水动力压力所支撑。它的高速特性使它大受欢迎，从而提高了军事，娱乐和赛车应用对滑行艇的兴趣。由于其性能和速度的要求，对高速滑行船体设计分析程序是非常重要的。获取用于预测这些船体运动的快速，准确的技术在该领域的改进中起着重要的作用。在过去的几十年中，对于高速滑行艇的水动力学分析也做了许多研究。在本论文中，对现有的这些船体分析技术进行了综述。了解这些技术的优势和局限性将有助于研究人员和工程师选择最合适的方法来优化设计和分析船体。为了对现有技术进行综合研究，本文将其分为两大类：实验分析和数值计算技术。数值计算技术进一步分为边界值问题和领域相关问题。每种技术仅适用于有限范围的情况。

关键词：高速滑行艇；分析技术；实验技术；数值方法；基准表

1.引言

如今，高速船被用于军事，娱乐，赛车，交通等方面。由于其速度和性能优越，近年来高速船体的数量大大增加。出于其在各种海况条件下的最佳可靠运行的目的，运动中船体行为的准确分析十分重要。同样船体的结构设计也很重要，结构设计对船舶重量，成本和可运输的货物都有直接的影响。在设计方面开发出新概念的必要性正变得不可或缺。高速船在向前移动时其水动力压力支撑了大部分重量，从而将大部分船体从水中举起，波浪中的船体的动态行为与其水动力性能是相互影响的。随着船体在水中的运动，其水下的水动力和水上空的气动力影响其运动，同时影响着船体的动态行为。

对于排水量型海船，兴波使阻力随速度显著增加，要求更高的功率。船舶结构的最佳设计可以在高速时降低兴波阻力，滑行艇具有与其他类型的船体得以区分开的特征。了解滑行艇性能对于在各种操作下准确预测滑行艇的行为是很重要的。而评估滑行艇性能最大的挑战之一是通过水力学分析获得准确实用的结果。

这项研究的重点是评估现有的水动力分析技术，确定每种方法的适用性。首先简要介绍了高速滑行艇。然后对该领域的研究进行了评估和分类。最后，将每个分析方法的适用性和局限性归纳在基准表里。

2.一般规格

对滑行艇来说，当船体速度超过60节。分布在船体上的水动力压力产生很大的一部分升力支撑其重量。水动力压力也影响这些船体的稳定性。在较低的速度下，船体排开水向前移动。随着速度的增加，产生升力，最终支撑船体并将其移出水面。随着湿表面积的减小，水动升力会进一步提高。

水动力增加平衡了船体的重量。在这种情况下，随着水动力的增加，浮力减小。在排水状态下，为了达到更高的转速，需要较大功率的发动机。然而，随着船舶达到滑行状态，船舶水下部分产生的水动力压力将船体提升到水面，从而导致更快的运动（图1）。在滑行模式下的船舶具有更高的效率，因此在相同的前进速度下需要更少的功率。这是因为湿表面积减小因此的摩擦阻力降低。图2示出了三种常规运动模式（排水状态，半滑行状态（过渡）和滑行状态）中的船体阻力特性，Fr作为船体傅汝德函数（Fr=V/radic;gL，其中V是前进速度（m/s），g是重力加速度（m / s2），L是在水线长（m））。排水状态下船体的Fr小于0.5。超过这个的船体速度则属于“过渡状态”，是排水型和滑行状态的过渡。一旦Fr超过0.85，就变成到滑行状态。与其他状态相比，滑行状态的性能强烈依赖于其重心位置。在上述每种状态中，船体都有不同的状态。例如，排水状态中的船体运动非常类似于排水型船舶的运动。

在半滑行状态中，船体从排水状态转化到滑行状态，傅汝德数保持在小于〜0.85。 类似于排水状态，在这种情况下，船体的纵倾，湿表面积和阻力都增加。为了实现滑行状态，船体必须克服所谓的阻力（Fr =〜0.5），这需要相对较高的功率。当Fr达到〜0.85时，达到半滑行状态的实际上限。 如果船舶发动机没有提供足够的动力，船体将不会转化为滑行状态。 随着傅汝德数的增加，船体的纵倾逐渐减小，趋于一个恒定的值。在滑行状态中，水动力升力和浮力分别支持船体重量的大约95%和5%。 在这种运动状态中，船体周围水的流动分成为两方面，使利用分析技术求解控制方程变得不可能。尽管实验测试是模拟这些流动最可靠的方法，但是这些技术非常昂贵，数据只能在有限测试数量的情况下得出。 近年来，分析技术和实验技术的局限性促使研究人员使用计算流体力学（CFD）方法。

3.几何特征

滑行船体具有许多常见的几何特征，包括斜升角，折角线，防溅条（图3）。

斜升角定义为船体底部与水平面之间的角度（图3）。根据这个定义，平底的船体具有零的斜升角。具有零斜升角的船只能在静水中不断平稳地移动;然而，在汹涌的水域，他们遇到砰击。遇到砰击会使乘客不舒服，在极度汹涌的水域，砰击可能伤害乘客，并对船体和船上的设备造成严重损害。另一方面，具有非零斜升角的船体，在向前移动时打破两个水域并更加顺畅地移动，同时被提升到水面。选择正确的斜升角可以帮助稳定船体，并有助于平稳的行驶。在滑行状态下，它还可以减少湿面积从而减小阻力。为了最大限度地减少砰击效应，船体通常会形成V形结构。应该注意的是，与V形相比，平底的船体具有更高的阻力。随着船体在水中的运动，船尾是最后一部分从水中出来的，并且是第一个在返回路上接触水的部分。因此，较大的船尾会产生较大的砰击效果。斜升角可以大大减少这种砰击。

船体的底部和侧面的交点形成一条称为折角线的线。当侧面和底面之间的角度增加时，折角线变得更高。折角线可以使船体在更高的速度下在湍流的水域中更平滑的运动。这也是保持船体更加稳定的重要因素。此外，折角线把水分开并减少船体湿面积，从而减小阻力并提高速度。

防溅条可以提高高速滑行艇的效率和性能。防溅条的形状，尺寸和位置对其效果有重要影响。防溅条重新定向即将到来的水，并将其限制在船体的底部，从而引起升力。它们通过减少润湿面积来提高效率。防溅条也增加了船体的纵向和横向稳定性。防溅条的另一个优点是它们保护侧壁免受入水。防溅条有各种形状；然而，它们都共同三角形横截面，锋利的边缘，以防止即将到来的水的停滞点。

滑行艇有三种主要的横截面：凸，凹或直线型（ 图4）。凸面横截面在实践中比其他两种形状更受欢迎。凸型船体非常坚固，与其他横截面相比，材料要求较少，造成船体变轻。这种形状的另一个优点是其会减少砰击载荷[2]。

4.船体分析技术

滑行艇的设计需要工具去估计尺寸、推进力、流体阻力和预测船体运动状态。 由于船体运动状态复杂，其周围的流体阻力还没有被完全理解。这些船体的水动力因为其喷溅阻力、兴波阻力、自由液面模拟和周围存在性质不同的两种流动 ，所以相较于排水型船体更复杂。最好的和最准确的结果来自过去几十年里进行的实验。数值计算技术可以用来确定流动的未知参数以及预测船体的水动力特性。数值计算方法可以在滑行艇的不同阶段被使用，特别是在选择最佳船体时。 一般来说，有各种各样的水动力分析的理论和数值技术，分类如图5所示。

本文的主要研究方向是描述研究者们更喜欢的数值计算技术。FVM和BEM是分别描述粘性流和势流更优越的方法。然而，FDM和FEM是滑行艇周围水动力分析最不常用的方法之一。需要强调的是，FVM最初是在FDM的基础上发展的。在图5所示的方法中，FEM和FDM在滑行艇的水动力分析中的应用有限。因此，下文中基于粘性流的方法，只描述FVM。

4.1. 分析实验技术

关于滑行艇的分析技术，种类不多。其中，Savitsky的设计和分析方法是最受欢迎的。1964年，Savitsky 对于各种楔形船体进行了一系列的测试并得到用以估算升力和阻力的经验公式。他通过一个回归程序得到方程式，并提出了一种估计高速滑行艇阻力的方法。使用他的等式，需假定船体处于滑行状态，即施加在船身底部的升力支撑整个重量，忽略浮力。

4.2. 边界元法（BEM）

流体运动由连续方程结合Navier-Stokes方程描述。这两个方程分别是基于质量和动量守恒的。一般来讲，Navier-Stokes方程的方法是复杂且耗时。在实践中，为了简化控制方程，做出了许多假设。简化的控制方程限制了它们的适用性。在理想流假设下，势流理论被广泛应用，它假定忽略在计算领域（水动力）性能的变化。

BEM通过格林公式来解决一组微分方程。这种方法中的流场不从边界层分离。方程式只能解决边界上问题。这种方法减少了问题的一个维度，减少未知数。因此，需要思考和时间更少。在BEM中，整个流体区域的积分与边界积分相关，致使其网络更简单，计算速度也更快。

由于该方法的半分析性质和积分的使用，拉普拉斯方程的函数是严密的的。边界的离散化可能是BEM中的错误来源。使用这种技术，首先计算部分速度势，然后计算总速度势。 因此，通过计算部分势，通过微分获得速度。了解速度，压力和力量。尽管与基于粘性流的技术相比，BEM可以大大减少分析时间并提供合理的解决方案，但是对于粘性效应不可忽略或发生波浪破坏的问题，BEM可能会导致显著的误差。

4.3. 有限体积法FVM

在FVM中，控制体积的积分在计算领域中离散化。 Navier-Stokes方程（3个方程）和不可压缩流的连续性方程具有4个未知数（3个速度和1个压力）的总数。这些方程可以同时或迭代地求解。在同时求解的方法中，为四个未知数求解一组方程。该方法是昂贵的并且需要相对较高的存储器和计算时间。由于该方法计算量大，计算机速度起着重要作用[3]。

FVM具有以下算法：

1.将控制方程整合在控制体积上。

2.离散化，其中包括替换积分项的近似值并将积分方程转换为一组代数方程。3.选择求解方程组的方法。

3.选择求解方程组的方法。

第一步，整合控制体积，区分了FVM与其他CFD方法。

问题建模可以通过三个步骤完成：计算速度和压力分布，建模自由曲面以及模拟船体运动。为了获得速度和压力分布，求解Navier-Stokes方程。然后从压力和速度分布计算正向应力（压力）和切向应力（由于粘性力）。力和力矩是从正向和切向应力获得的。此外，使用线性和角动量守恒方程计算线性位移和角位移。 在FVM中，控制方程的解决方案受网格类型和质量，流动类型和湍流模型（如果使用）以及速度和压力场的求解算法的显著影响。数值模拟高速滑行艇周围的流动的第一步是创建一个合适的网格。存在各种各样的网格，每个网格具有取决于具体问题的优点和缺点。基于问题的几何形状，可以使用结构化或非结构化网格。结构化网格要简单得多，并且仅需要很少的信息用于网格的离散和计算。然而，当这些网格用于复杂几何时遇到困难。另一方面，非结构化网格效率更高，但对网格数据需要更高容量存储。为了解决这个问题，会使用了多块网格。通过增加具有高梯度流动参数的区域中网格的分辨率，可以提高网格质量。多块网格可以提高解的准确性[5]。

船身的自由度，运动幅度和船体与流体之间的相对运动在选择合适的网格中起着重要的作用。笛卡尔，翻转和附体的网格主要用于这一领域的研究人员。在某些情况下，重新构建也可用于改进仿真结果。笛卡尔网格是固定的，结构的运动效果被应用于离散方程或边界上单元格的形状的位置。然而，在嵌套方法中，使用多个重叠的网格来离散计算域。在这种技术中，一个简单的网格覆盖了整个域，对于每个移动的区域或复杂的几何形状，使用单独的网格。

在重新构建中，首先创建一个包含边界的非结构化网格。然后将线性和角位移应用于结构。给定在整个解决方案中保持固定的初始计算域和结构的移位边界，创建整个域上的新网格。在附加的网格技术中，通过计算线性和角位移，首先移位结构，然后相应地移位未变形的网格。该方法适用于6自由度小振幅运动的模拟[6]。

高速船体周围的流动状态通常是湍流。 在湍流中，动量和能量等计算量波动较大。 这些波动的模拟是耗时且花费经济高昂的的。 不同于直接模拟，控制方程可以计算出一段时间内平均值（RAMS方程），以减少时间和费用。平均方程有额外的未知数，可以使用湍流模型获得。

在分析湍流时，选择合适的模型非常重要。在高速船体的水动力分析中，k-ԑ 和k-omega; 主要被研究人员使用。 k-ԑ 模型由于其对于简单和复杂的流量（包括循环流，有曲度的流线和涡流）的分析准确性而是普遍的应用的。 k-ԑ 模型进一步分为三种类型：标准，RNG（重整化）和可实现模型。虽然标准模型用于高雷诺数流动，但RNG理论使用微分方程来解释粘性效应，这在低雷诺数流动中变得很重要。然而，这种模式的有效使用取决于靠近围壁的流动是否有适当的行为。 RNG模型比标准模型具有显着的改进，特别是在流线高度弯曲的地方或者有涡流和循环流存在。在由于逆压力梯度引起的速度和分离速度降低的流动中，RNG的性能优于标准k-ԑ模型 。 k-ԑ 模型在更高雷诺数的区域有更准确的结果。然而，在雷诺数相对较小的地方，它遇到麻烦，导致流量参数的精确度降低。因此，k-ԑ 模型可以用更好更契合的原理来预测接近严格围壁的湍流变量。

在控制变量法中，有两种方法来解决Navier-Stokes和连续性方程：联立法和迭代的方法。在联立法方法中，首先离散所有流量变量（速度和压力）以获得代数方程组。然后同时求解这些线性方程。这种方法代价非常大，需要强大的电脑。在这种方法中，速度场首先被解决，然后压力被计算出来。另一方面，在迭代方法中，速度和压力项通过两种方式离散化：估算校正和部分步长。这两种离散化方法通常用于流体动力学问题，并且相对准确。压力和速度离散有了不同方法。其中，第一和

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