M型滑行艇规则波中运动稳定性问题研究

船舶与海洋工程专业毕业论文专业高速无人艇设计与运动性能初步分析摘要高速无人滑行艇具有高速、隐身、智能等优点，因而能够用于灵活作战，目前，国外已有多种水面高速无人艇应用于军事领域，特别是以美国为代表的西已将其列为重要的发展向；国在水面高速无人艇技术面的研究还处在初级阶段，近年来研制出的无人驾驶船也只是应用于探测天气，为了更好低完善我国海军作战体系，带动相关军工业的发展。

本文进行的主要工作有：一、针对目前国外的高速无人艇研究发展现状展开了调查研究，并对我国目前滑行艇阻力、稳性、耐波性和新艇型的开发进行简单的介绍。

二、从任务需求出发，结合现有条件，利用Maxsurf软件进行单体滑行艇模型的设计，并对模型进行了流体性能的初步计算分析。

三、进行了推进器的设计，并对喷水推进器的种种要素对各个性能的影响进行了分析。

四、以滑行艇前进、升沉及纵摇运动为目标开展滑行艇流体性能的初步分析。

五、建立了船前进、升沉、纵摇三自由度运动数学模型，开展了滑行艇三自由度运动预报，分析了高速滑行艇运动特点。

关键词：无人滑行艇性能分析三自由度运动数学模型运动预报AbstractUnmanned Surface Vehicle (USV) has some good properties such as high-speed, stealth, intelligence, etc, which can be used for flexible operations, currently, thereare many foreign high-speed unmanned surface vessels in the military field, especially the United States as the representative of the Western countries have their as an important direction of development; domestic high-speed unmanned craft on the water technology research is still at the initial stage, developed in recent years of unmanned boat only apply detect the weather, in order to better improve our naval combat system of low, promote the development of military-industrial related. This major work carried out are:First，A view of the current domestic and foreign research and development of high-speed unmanned craft launched a survey on the current situation, and introduce resistance, stability, seakeeping, and the development of new hull of our country current planing boat.Second, from the mission requirements, combined with existing conditions, use of Maxsurf single planing hull model of software design, and model the performance of the preliminary calculation of fluid analysis.Third, for the propeller design, and all the elements of water jet propulsion of individual performance was analyzed.Fourth, in order to slide the boat forward, heave and pitch motion targeting of planing craft a preliminary analysis of fluid properties.Fifth, the establishment of the boat forward, heave, pitch three degrees of freedom mathematical model, carried out three-DOF motion planing prediction of high-speed planing craft motor.Keywords: unmanned planing crafts; Performance Analysis; numeral model ofthreedegrees of freedom movement; report Exercise of crafts.目录第1章绪论 (1)1.1引言 .......................................................................................................................... 1 1.2课题背景 .. (2)1.2.1国外发展...................................................................................................... 2 1.2.2国发展 ...................................................................................................... 4 1.2.3我国对于改善阻力性能的各种特殊措施面的研究.............................. 4 1.2.4我国对滑行艇关于耐波性的研究.............................................................. 5 1.2.5我国对滑行艇关于稳性面的研究.......................................................... 5 1.2.6我国对滑行艇新艇型的开发与研究.......................................................... 6 1.3论文研究的目的与意义......................................................................................... 6 1.4论文主要容 (7)第2章高速滑行艇maxsurf建模 (8)2.1滑行艇的maxsurf建模 (8)2.1.1单体滑行艇的主尺度 .................................................................................. 8 2.1.2单体滑行艇的maxsurf建模视图 .............................................................. 8 2.1.3利用muxsurf对艇静止在水面时基本计算 ............................................ 10 2.1.4利用Hydromax对艇静止在水面时基本计算 (11)第3章推进器设计 (17)3.1喷水推进器的概要 ............................................................................................... 17 3.2喷水推进器较常规螺旋桨推进技术的优点 ....................................................... 17 3.3喷水推进器的工作机理........................................................................................ 18 3.4喷水推进器理论 ................................................................................................... 20 3.5影响喷水推进器性能的重要参数 .. (21)3.5.1建立喷水推进器计算模型 ........................................................................ 21 3.5.2重要参数 . (21)第4章滑行艇流体性能初步分析 (27)4.1引言 ....................................................................................................................... 27 4.2滑行艇水动力计算概述 ....................................................................................... 27 4.3滑行艇纵向受力分析........................................................................................... 28 4.4滑行平板的流体动力分析 .. (29)4.4.1姆雷（Murry）法估算滑行艇的阻力 ...................................................... 30 4.5模型阻力计算 ....................................................................................................... 34 4.6滑行艇在静水中垂荡运动................................................................................... 38 4.7滑行艇在静水中纵摇运动................................................................................... 40 4.8滑行艇的纵向运动稳定条件 . (41)第5章滑行艇三自由度运动预报 (42)5.1滑行艇纵向运动耦合程的数学模型 (42)5.1.1坐标系的选取 ............................................................................................ 42 5.1.4 作用于滑行艇的非惯性类水动力（矩） ............................................... 44 5.2滑行艇所受各非惯性力（矩）的具体计算........................................................ 44 5.3高速滑行艇运动特点 . (48)结论 (49)致................................................................................................ 50 参考文献 . (51)第1章绪论1.1引言在过去十几年中，微电子技术、光电技术、计算机、通信、信息处理、新材料等高技术的发展,为无人机及其机载设备等提供了良好的发展条件，无人驾驶运载工具开始真正呈现复兴的势头。

Vol. 43, No. 2Feb., 2021第43卷第2期2021年2月舰船科学技术SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGY滑行艇波浪中运动性能试验研究陶磊，高霄鹏(海军工程大学舰船与海洋学院，湖北武汉430033)摘 要：为了探究自主开发的滑行艇耐波性能，在拖曳水池中进行该滑行艇模型不同航速下的静水阻力试 验、不同航速下变波长顶浪规则波试验与对应不同海况的不规则波试验，试验过程中记录阻力值和纵向运动响应值。

对试验结果处理分析后发现：在排水体积傅氏数Fr=3.7l3时，滑行艇在5倍于船长的波长附近具有强烈的运动 响应，出现了抨击和出水现象；与传统深厂滑行艇相比，短波中该滑行艇具有更小的运动响应，滑行艇阻力增值较深V 滑行艇有所减小；垂荡响应与航速与波高具有较好的线性关系，纵摇响应航速与波高具有弱非线性。

关键词：滑行艇；模型试验；阻力增值；波浪纵向运动中图分类号：U661.32 文献标识码：A文章编号：1672 - 7649(2021)02 -0063 -05 doi ： 10.3404/j.issn,1672 - 7649.2021.02.013Experimental investigation of seakeeping performance on a planning boatTAO Lei, GAO Xiao-peng(Academy of Ship and Ocean, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)Abstract: In order to explore the seakeworthiness of a new type of planing boat independently developed, the hydro ­static resistance test of the model at different speed, the regular wave breaking test at different speed and the irregular wavetest corresponding to different sea conditions were carried out in the towing tank, and the resistance value and longitudinal motion response value were recorded during the test.Afier processing and analyzing the test results, it is found that the slid ­ing boat has a strong motion response near the wavelength of 5 times as long as the captain when the volume Fourier num ­ber Fr=pared with the traditional deep V coasting boat, the short wave coasting boat has a smaller motion re ­sponse, and the resistance increment of the coasting boat is smaller than that of the deep V coasting boat.There is a good lin ­ear relationship between heave response and velocity and wave height.Key words: planning boat; model test; added resistance; longitudinal wave motiono 引言滑行艇不同于传统的依靠静浮力支撑船体重量的排水船，滑行艇所受的浮力成分随着航速增大发生变化，在滑行艇高速航行时，艇体重量几乎全由作用于 滑行艇艇底的流动升力支撑。

高速无人滑行艇的方案设计与耐波性分析摘要：滑行艇木板可用于巡逻艇，渔船，救护艇，游艇和运动艇。

高速滑行时其重量主要由水升压力载荷支撑，其流体动力特性与常规排水量船（艇）具有显著的差别。

高速滑行艇的阻力特性计算及耐波性分析，对于提高滑行艇动态稳定性具有十分重要的意义。

本文在研究分析高速滑行艇基本性能，解析各船型要素对高速滑行艇运动特点的影响。

利用Maxsurf软件对其在实际流体中的受力进行分析，从而得出比较合理的船型（滑行面形状）要素。

在模型建立的基础上研究其受波浪作用下的阻力特征，得出各项航海性能的特点。

由于高速艇的正常工作状态为高速行驶状态，本文重点研究其在高速航行时于复杂海况下的运动，借以分析船型要素对其耐波性的影响。

如在特定航速下，限定入波角，研究各波形、波速对船舶的影响等。

关键词：滑行艇，高速，maxsurf，耐波性Scheme design and seakeeping analysis of high-speedunmanned gliderAbstract:glider can be used for patrol boats, fishing boats, rescue boats, entertainment boats and sports boats. Hydrodynamic characteristics of hydroplaning craft are significantly different from those of conventional displacement boats (boats).The calculation of resistance characteristics and the analysis of seakeeping resistance of high-speed gliders are very important for improving the dynamic stability of gliders.In this paper, the basic performance of high-speed glider is studied and analyzed, and the influence of various ship types on the movement characteristics of high-speed glider is analyzed.Maxsurf. Software was used to analyze the forces in real fluids, so as to obtain a reasonable boat type (shape of glide surface). Based on the model, the characteristics of its resistance to waves are studied.Since the normal working state of high-speed craft is high-speed running, this paper focuses on the study of its motion under complex sea conditions when sailing at high speed, so as to analyze the influence of ship type factors on its seakeeping performance. For example, in the caseof a specific speed, the wave Angle is limited, and the influence of each waveform and skin speed on the ship is studied.Keywords: glider, high speed, maxsurf, seakeeping第一章滑行艇运动性能基本理论高速无人滑行艇是一种航速高、小排水量的船。

双断级滑行艇纵向运动稳定性的一种校核方法沈小红;吴启锐;李慧敏【摘要】目前双断级滑行艇纵向运动稳定性的理论计算方法还不成熟,推荐一种校核其纵向运动稳定件的实用方法,即利用模型试验得到纵向运动时而稳定时而不稳定的临界点组合,再运用最小二乘法拟合试验中得到的若干临界点得出双断级滑行艇纵向运动稳定性界限.用通过模型试验得到的纵向运动稳定性界限校核高速双断级滑行艇纵向运动稳定性能够获得比较准确的结果.【期刊名称】《中国舰船研究》【年(卷),期】2009(004)002【总页数】4页(P24-27)【关键词】双断级滑行艇;纵向运动;稳定性;临界点;最小二乘法【作者】沈小红;吴启锐;李慧敏【作者单位】中国舰船研究设计中心,湖北,武汉,430064;中国舰船研究设计中心,湖北,武汉,430064;中国舰船研究设计中心,湖北,武汉,430064【正文语种】中文【中图分类】U661.22众所周知，当滑行艇达到某个速度，其流体动力、阻力、推力和重力及这些力的纵向力矩不平衡时，会产生不停纵摇，在多数情况下还伴以小幅的升沉，这称为纵向运动不稳定，也称为“海豚运动”［1，2］。

目前，滑行艇纵向运动稳定性的理论判定方法是通过研究扰动运动微分方程的解的稳定性来判断系统的稳定性［3］。

但是，要判断扰动运动微分方程的解的稳定性首先要求得其微分方程中的各项稳定性导数［4，5］。

所谓稳定性导数是指位移、位移速度和位移加速度所引起的力和力矩的变化率，而到目前为止扰动作用在流体动力及力矩的理论计算还相当困难，这使稳定性导数的计算具有相当的近似性［6］。

对于双断级滑行艇在高速滑行时具有3个滑行面，各个滑行面之间又相互干扰，因此要确定作用在各滑行面的流体动力及力矩更是相当困难。

由此可见，双断级滑行艇的纵向运动稳定性很难有准确的计算方法，因此借助模型试验来判定双断级滑行艇的纵向稳定性可能是唯一可以选择的一种办法［7，8］。

实践证明，在同一速度下，艇的重心偏后容易产生纵向不稳定，这是由于纵倾角偏大和浸湿长度偏小，不能满足力和力矩的平衡所致。

滑行艇尾部结构的模态分析和响应预报滑行艇在水上运动中，尾部结构作为掌舵和推进的关键部位，需要具备高强度和高耐久性。

为确保滑行艇尾部结构的安全和可靠性，在设计之前进行模态分析和响应预报是必不可少的步骤。

滑行艇尾部结构的模态分析主要是通过对其振动响应进行分析，确定其天然频率和振动模式以及各个振动模态的振幅和振动形态。

通常采用有限元方法进行模拟分析，通过将结构划分为多个网格单元，计算每个单元的质量、刚度和阻尼特性，进而推算出整个尾部结构的特征频率和振动形态。

在模态分析中，应考虑荷载条件和边界条件等多种实际工况，尽可能全面、准确地模拟实际运动过程。

模态分析的结果可用于预测不同频率和振动模态下的振动响应，进而进行响应预报。

响应预报主要是通过结构动力学分析和流体动力学分析，确定尾部结构受外界载荷（如波浪、风力等）作用下的响应情况，预判可能发生的振动、疲劳和损伤情况，从而找出优化设计方案。

在响应预报中，还需要充分考虑结构材料的压缩强度、弯曲强度以及疲劳极限等参数，以便更准确地进行设计优化。

总之，滑行艇尾部结构的模态分析和响应预报是确保设计可靠性和性能的重要手段。

通过科学的分析方法和充分的实验验证，可以降低滑行艇尾部结构的失效风险，提高其运动效能和使用寿命。

作为滑行艇尾部结构的重要设计指标，以下是一些相关数据：1. 结构材料：滑行艇尾部结构通常采用高强度、轻质、耐腐蚀的复合材料，如碳纤维增强复合材料、玻璃纤维增强聚酯树脂等。

这些材料具有很高的强度和刚度，同时重量轻、防腐蚀性好、易加工等优点。

2. 特征频率：滑行艇尾部结构的天然频率通常在50-100Hz之间，取决于结构形态和材料特性。

在设计中，需要尽量减小共振频率，以避免受到外界激励源的影响而发生共振破坏。

3. 阻尼特性：滑行艇尾部结构的阻尼特性是指在振动过程中损失能量的能力。

阻尼特性不足容易导致共振，进而加剧结构疲劳和损伤。

因此，在设计中应该采用适当的阻尼措施，以提高结构的抗振能力和耐久性。

滑行艇规则波中迎浪运动响应的时域解
朱鑫;段文洋;陈云赛;马山;陈纪康
【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》
【年(卷),期】2013(000)009
【摘要】针对滑行艇耐波性预报必须考虑水动升力影响导致常规方法不适用的问题，采用基于线性长波假设的方法，考虑了瞬时波面对各水动力系数及波浪载荷的影响，给出了棱柱型滑行艇在规则波中迎浪运动响应的时域解。

同时，在计算瞬时水动力系数和波浪载荷时也考虑了升力效应。

通过简化处理，将其应用于常规滑行艇的运动预报，并通过模型试验结果进行验证，计算值和试验值吻合较好，有较高的实际应用前景。

【总页数】6页(P1094-1099)
【作者】朱鑫;段文洋;陈云赛;马山;陈纪康
【作者单位】哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨 150001;哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨 150001;哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨 150001;哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨 150001;哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨 150001
【正文语种】中文
【中图分类】U631.1
【相关文献】
1.棱柱型滑行艇在规则波中迎浪运动响应的频域解 [J], 朱鑫;段文洋;马山;黄硕
2.超高速滑行艇在顶浪规则波中的运动特性 [J], 孙祯惠;葛家玉
3.迎浪规则波中高速滑行艇运动响应数值预报与分析 [J], 凌宏杰;王志东;徐娇
4.船舶在顶浪不规则波中的运动响应数值分析 [J], 陶志奇;王慧;徐伟光;黄宇翔
5.三体船在迎浪和横浪中的运动响应计算 [J], 张新峰
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

滑行艇在规则波中的数值模拟苏玉民;赵金鑫;陈庆童;朱炜;金星【期刊名称】《船舶力学》【年(卷),期】2013(000)006【摘要】针对波浪中滑行艇水动力性能预报的不足，提出了一种基于六自由度运动模型的滑行艇水动力性能预报方法，实现其在波浪中自由运动的水动力性能预报。

首先根据水波理论利用CFD技术完成了三维数值水池的造波和消波，然后以某型滑行艇为模型，将六自由度方程赋予滑行艇，实现了其在迎浪匀速航行时随波浪的自由运动，最后通过Fluent数值计算得到了其在波浪中自由运动时的阻力、升力、升沉位移、纵倾角以及兴波等流场参数。

计算结果表明：利用该方法获得的某型滑行艇的流场参数较真实地反映了滑行艇在波浪中的姿态，为滑行艇耐波性实验提供了一定的理论依据。

【总页数】9页(P583-591)【作者】苏玉民;赵金鑫;陈庆童;朱炜;金星【作者单位】哈尔滨工程大学水下机器人技术重点实验室，哈尔滨 150001;哈尔滨工程大学水下机器人技术重点实验室，哈尔滨150001;中国直升机设计研究所，江西景德镇 330300;海军驻上海沪东中华造船集团有限公司军事代表室，上海200129;哈尔滨工程大学水下机器人技术重点实验室，哈尔滨 150001【正文语种】中文【中图分类】U661.39【相关文献】1.滑行艇规则波中迎浪运动响应的时域解 [J], 朱鑫;段文洋;陈云赛;马山;陈纪康2.棱柱型滑行艇在规则波中迎浪运动响应的频域解 [J], 朱鑫;段文洋;马山;黄硕3.M型滑行艇规则波中运动稳定性问题研究 [J], 余泽爽;毛筱菲4.三体滑行艇在规则波中的数值预报 [J], 邹劲;杨静雷;蒋一;崔桐5.高速滑行艇在规则波中的纵向运动数值研究 [J], 王硕;苏玉民;庞永杰;刘焕兴因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

M型滑行艇规则波中运动稳定性问题研究余泽爽;毛筱菲【摘要】采用黏性的CFD商业软件STAR-CCM+,基于重叠网格技术和DFBI(动态体驱动模块)模拟刚体的6-DOF运动,解决了滑行艇的动航态问题.通过建立波浪数值水池,对单M与双M船在迎浪规则波中的2-DOF运动进行数值模拟,对两者在迎浪规则波中的波浪增阻、运动响应和运动稳定性等问题进行比较分析.结果表明,双M 船在迎浪规则波中更易发生跳跃现象,但是具有更小的增阻系数,同时在短波中具有更小的运动响应.%Based on the viscous CFD software STAR-CCM+,the 6-DOF motion of rigid body was sim-ulated to solve the problem of the dynamic navigation state of planning craft by overset grid technolo-gy and DFBI(Dynamic Fluid-Body Interaction)module.Through the establishment of numerical wave tank,the 2-DOF motions of single M-hull and double M-hull ship(M & DM)in regular head waves were simulated separately.The comparison were analyzed on the wave added resistance,motion re-sponse and motion stability in regular head waves.The results show that it's more likely to happen the jump phenomenon for DM in regular head waves but it has a lower added resistance coefficient. Meanwhile,the motion response of DM is smaller in short waves.【期刊名称】《武汉理工大学学报（交通科学与工程版）》【年(卷),期】2018(042)002【总页数】5页(P344-348)【关键词】单M船;双M船;数值模拟;运动稳定性;跳跃现象【作者】余泽爽;毛筱菲【作者单位】武汉理工大学交通学院,武汉 430063;武汉理工大学交通学院,武汉430063;高性能船舶技术教育部重点实验室【正文语种】中文【中图分类】U661.320 引言M船是一种新型的高性能滑行艇，由于独特的水气两相特性，一直被认为无法大型化设计，但是双M船概念的提出，不仅不改变M船的水动力性能，同时又能增加甲板面积，在军民两用领域，均有广阔的应用前景.对双M的研究，主要是基于滑行艇的性能特征及其与M船水动力性能的比较与分析[1].关于M型船的研究，迟云鹏等[2]基于模型试验，对槽道滑行艇、多体滑行艇和M 型船等的阻力、稳定性和耐波性进行了讨论，奠定了M型船研究的实验基础.陈辉[3]基于Fluent对M型船静水阻力进行数值模拟，并与试验结果进行对比，在Fr▽<3时有较高精度； Ghassabzadeh等[4]采用动网格技术(dynamic mesh)，对槽道多体船进行模拟，实现了对高速运动的模拟和流场信息的捕捉.邹劲等[5]以CFX为计算工具，基于阻力最佳对M型船进行了优化设计；采用黏性CFD软件的重叠网格对三体滑行艇高速航行运动进行模拟，捕捉到了“porpoising”现象，并通过稳定速度的上限和失稳速度的下限确定了稳定性界限[6]；基于黏性CFD软件STAR-CCM+的普通结构网格和变形网格，对三体滑行艇全航行阶段进行数值模拟，讨论了网格因素对计算精度和收敛速度的影响，通过与试验进行对比，得出了不同航速时应采用的网格方案[7].章丽丽等[8]基于CFX软件结合船体六自由度方程对三体滑行艇不同航行阶段的2-DOF直航运动进行模拟，并结合试验重点讨论了船体的兴波特性、槽道中水气两相动升力的变化规律.余泽爽等[9]基于STAR-CCM+的重叠网格技术，对M型船静水直航的2-DOF运动进行数值模拟，探讨了船表网格尺寸、湍流模型、y+和时间步长适应性等因素，在不同航行阶段对数值模拟的影响，并讨论了M型船的减阻原理.作为一种滑行艇，M和DM都存在波浪中的运动稳定性问题，其形成机理与滑行艇基本一致.文献[10]提出滑行艇在迎浪规则波中的高速运动可以分为线性和非线性运动，或者分为无跳跃运动、规则跳跃运动和不规则跳跃运动，并指出这些运动形式与航速、波长和波高相关；基于试验，半经验公式曾得到广泛的应用；采用了线性切片法对滑行艇在Fr=1.2时迎浪规则波中的运动进行模拟计算，并与实验数据吻合良好；文献[10-12]采用了非线性切片法，将航速提高到了Fr=1.8；王硕等[13]基于黏性CFD求解器和动网格技术，对滑行艇在迎浪规则波下的运动进行数值模拟，计算结果与试验结果吻合较好，并讨论了滑行艇在波浪中的运动稳定性问题.基于STAR-CCM+，建立数值波浪水池，对单M船和双M船在迎浪规则波中的2-DOF运动进行数值模拟，从波浪增阻、运动响应和运动稳定性(跳跃现象)等方面进行比较分析，进而得出双M船的优缺点.1 数值方法1.1 控制方程基于笛卡尔坐标系的黏性不可压缩流场应满足连续性方程和RANS方程为(1)(2)式中：下标i,j=1,2,3；ρ为流体密度；μ为动力黏性系数；ui为速度分量为速度分量的时均项；Si为源项.基于SIMPLEC算法，时间离散采用隐式非定常，湍流模型选两方程k-ε模型，边界层的处理满足两个基本原则：①航速越高，边界层越薄；②航速越高，y+值越小，但不低于30.自由面捕捉采用VOF法，通过计算网格单元中流体与网格单元体积之比(f=Vi/V)来确定自由面(f=0.5)，适用于两相流的模拟，其中只有空气相为可压缩.1.2 计算域与边界条件图1为计算域与边界条件设置情况，考虑到M和DM船后兴波情况以及为了便于比较，两者共用同一套计算域.图1 计算域与边界条件计算域为船前1.5L，船后5L，自由面上L，自由面下1.5L，宽度为1.5L.速度入口边界条件即为VOF波(规则波)和附加速度(航速)，压力出口为VOF两相静压，船体表面为不可滑移壁面，中间的对称面可以减少网格数量和计算量.1.3 网格采用自适应切割体网格，边界层网格采用棱柱层网格生成方法.图2为网格划分情况，为了形成高质量的数值波浪水池，采用多层过渡加密方法对自由面加密区进行加密；为了捕捉到船体复杂而剧烈的航态变化，采用重叠网格和DFBI模块来模拟刚体的6-DOF运动；为了满足重叠网格的计算精度，在重叠网格周围，采用区域加密法对其进行加密，以保证插值计算的精度需求.图2 网格划分2 数值模拟2.1 研究对象使用的模型来自文献[4]，为了便于比较，双M船由单M船对称得到，见图3，表1为M与DM的主尺度.图3 M与DM三维视图表1 M与DM主尺度参数MDML/m22B/m0．61．2D/m0．240．24d/m0．090．09Xg/m0．7170．7 17Zg/m0．240．24Kyy/m0．50．5Δ/kg30．95061．900隧道总量242.2 数值波浪水池建立数值波浪水池，采用STAR-CCM+中的VOF Wave模块，以一阶Stocks波为例，从波浪的沿程衰减和波形保持两个角度，对数值造波进行验证.一阶Stocks 波的波面抬高表达式为η=Acos(kx-σt)=(3)式中：A为波幅；k为波数；x为波浪传播方向坐标；σ为波浪的遭遇频率；λ为波长；T为波浪周期；U为航速.波浪的沿程衰减主要由网格和水的黏性引起，建立数值波浪水池是为了排除网格因素.验证波浪的沿程衰减，重点关注船舶所在区间波浪的衰减情况，在船首、船中和船尾处分别设置探针，监测该位置处波面抬高时历.波浪参数见表2.表2 波浪参数A/mλ/mT/sU/(m·s-1)U0UminUmax0．02541．6004．2112．61表3为探针所在位置测得波浪参数与理论值之间的误差，可见该网格方案能够有效表达波浪参数，基本可以排除网格因素引起的波浪沿程衰减问题.附加航速越高，衰减问题越明显.表3 测得波浪参数与理论值的误差 %参数探针位置/mx=-2x=-1x=0U0振幅0．290．60-0．87周期0．000．05-0．04Umin振幅-2．12 -3．41 -3．11周期0．010．06 0．06Umax振幅-4．67 -4．72 -4．69周期-0．06 -0．05 -0．10在解决了波浪沿程衰减问题后，零航速的波形保持基本没有问题，但是考虑到在数值模拟时，采用的方法是使船舶在X方向上保持固定，让来流形成相对航速，因此需要对带有附加航速的规则波进行波形验证，同理重点关注船舶所在区间的波形与理论波形之间的差异.图4为在不同附加航速下，经过若干周期后所截取的波形图与理论波形的对比，可见在船舶区间处，在不同附加航速下，波形均能够保持至少8个周期，基本满足模拟需求.此外，随着附加航速的增加，波形保持越困难.图4 波形验证2.3 迎浪规则波中的运动作为滑行艇，M船在波浪中高速航行时承受着严重的波浪载荷，其在迎浪规则波中的运动可分为线性和非线性运动，按照跳跃现象，则可以分为无跳跃、规则跳跃和不规则跳跃；其中后两者会失稳现象，从而产生严重的后果.2.3.1 波浪增阻与运动响应选取计算工况为Fr▽=2.4，M和DM的航速分别为UM=4.21 m/s和UDM=4.73 m/s，波浪参数选取波长分别为λ=4,6,8,10 m，波幅分别为A=0.025,0.05,0.075 m，计算表明，该工况下均未发生跳跃现象，因此数据分析采用一阶项即可.波浪增阻系数可表达为(4)式中：Rwave为波浪中的平均阻力(时均一阶项)；Rcalm为静水阻力；Bwl为湿宽度；L为湿长度.图5为M和DM波浪增阻系数的对比，可见DM有着比M更小的波浪增阻系数，这得益于DM更大的船宽，同时也说明DM(在Fr▽=2.4时)波浪中失速系数较小. 图5 波浪增阻系数图6为M和DM波浪中的垂荡和纵摇运动响应的比较，可见DM在短波(λ/L≤2)中的运动幅值比M小，而在实际海况中所遭遇的波长已在此区间，说明DM(在Fr▽=2.4时)能得到更小的运动响应，适航航行较好.图6 运动幅值2.3.2 波浪中的运动稳定性问题选取计算工况为Fr▽=6.4，M和DM的航速分别为UM=11.23 m/s和UDM=12.61 m/s，波浪参数选取波长分别为λ=4,6,8,10 m，波幅分别为A=0.025,0.05,0.075 m.图7为M和DM在该工况下发生跳跃现象的分布情况，可见DM比M更易发生跳跃现象，同时跳跃现象的发生与航速、波长和波高密切相关，与文献[10]关于常规滑行艇发生跳跃现象条件的结论基本一致.图7 跳跃现象分布图2.3.3 跳跃现象与滑行艇类似，M船在迎浪规则波中高速航行时，会发生跳跃现象，该运动由垂荡和纵摇耦合形成，不同的运动模式按照两个自由度的运动进行判定，由于跳跃现象会演变成运动失稳，因此对跳跃现象的判定与对比分析至关重要.图8为M和DM无跳跃运动示意图，垂荡和纵摇均为正弦形式的周期性运动，其周期与遭遇周期一致，船体始终未离开波面.图9为M和DM规则跳跃运动示意图，垂荡运动满足正弦形式，而纵摇为不对称的周期性运动，其周期与遭遇周期一致，船体在前一个波浪周期的上坡处跳离波面，落在后一个波浪周期的波谷上，完成一个运动周期.图8 M与DM无跳跃运动图9 M与DM规则跳跃运动图10 为M和DM不规则跳跃运动示意图，垂荡和纵摇均为不对称的周期性运动，其周期约为遭遇周期两倍，船体在第一波浪周期上坡处跳离波面，落在第二波浪周期的波峰上，贴着波面滑行至第三波浪周期上坡处，完成一个运动周期.图10 M与DM不规则跳跃运动图11为M和DM在三种跳跃现象时垂向加速度的时历曲线，可见在发生跳跃运动(规则跳跃和不规则跳跃)时，垂向加速度向下极值最大达到g，即为重力加速度，说明船体完全跳跃离开波面，当收到外界干扰时，会引起更为复杂更为严重的运动，甚至倾覆，因此这种运动是最为危险的情况；同时当发生不规则跳跃运动时，存在两个明显的峰值点，分别代表着在一个运动周期中两次落在上坡面，其中较大的峰值导致船体跳跃离开波面.图11 垂向加速度3 结论1) 采用本研究提出的网格方案能够建立起质量良好的波浪数值水池，能够较为精确的模拟较高附加航速的规则波.2) 本研究采用的数值模拟方法能够较为精确的捕捉到M船在迎浪规则波中发生的跳跃现象.3) 在所给定的排水量和重心位置下，DM具有比M更小的波浪增阻，并且在短波(λ/L=2)时有更小的运动幅值；4) 在所给定的排水量和重心位置下，DM比M更易发生跳跃现象，值得后续进一步的研究.参考文献[1] 邹劲,王瑞宇,孙寒冰,等.三体滑行艇纵向运动稳定性的数值模拟[J].船舶,2015,26(5):40-45.[2] 迟云鹏,孟宪钦.高速槽道艇阻力及耐波性能试验研究[J].船舶工程,1995(3):27-31.[3] 陈辉.M船型水气两相流场特性研究[D].武汉：武汉理工大学,2011.[4] GHASSABZADEH M, GHASSEMI H. Determining of the hydrodynamic forces on the multi-hull tunnel vessel in steady motion[J]. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering,2014,36(4):697-708.[5] 邹劲,蒋一,孙寒冰.M型船优化设计[C].中国国际船艇展暨高性能船学术报告会中国游艇设计建造技术论坛，上海，2015.[6] 邹劲,王瑞宇,孙寒冰,等.三体滑行艇纵向运动稳定性的数值模拟[J].船舶,2015,26(5):40-45.[7] 邹劲,姬朋辉,孙寒冰,等.网格因素对三体滑行艇阻力计算影响探究[J].船舶,2016,27(3):8-14.[8] 章丽丽,孙寒冰,蒋一,等.三体滑行艇槽道的水气动力特性研究[J].哈尔滨工程大学学报,2017,38(1):31-36.[9] 余泽爽，毛筱菲.基于重叠网格M型船水气二相流数值模拟研究[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版)，2017，41(5)：864-870.[10] WANG S, SU Y M. RANSE simulation of high-speed planning craft in regular waves[J]. Journal of Marine Science andApplication,2012,11(4):447-452.[11] 王硕,苏玉民,庞永杰,等.高速滑行艇CFD精度研究[J].船舶力学,2013(10):1107-1114.[12] 王硕,苏玉民,杜欣.滑行艇静水直航及波浪中运动的数值模拟[J].华南理工大学学报(自然科学版),2013,41(4):119-126.[13] 王硕,苏玉民,庞永杰,等.高速滑行艇在规则波中的纵向运动数值研究[J].哈尔滨工程大学学报,2014(1):45-52.。

对滑行艇设计的几点思考汪建午　柯建平摘　要　介绍了滑行艇的阻力及其计算,提出了一种简单而又行之有效的计算方法。

分析了滑行艇诸要素对其快速性及适航性的影响。

对613m 滑行艇的设计进行了简要分析。

关键词　滑行艇　快速性　适航性 滑行艇是指体积傅氏数Fn >3、艇体重量主要由水动升力支持的高速船。

滑行艇具有良好的阻力性能、较高的航速、成本造价低等优点,是沿海旅游船、短途客渡艇、交通艇等理想的交通工具。

优良的快速性、适航性是滑行艇设计的关键问题。

1　滑行艇的阻力分析与计算滑行艇在Fn >3以后的航行状态表明,滑行艇由于受艇底水动力升力的作用,将艇体抬出水面,艇的重量主要由水动力支持,而水线下的排水量支持艇体重量的一小部分,所以滑行艇阻力成分不同于排水型过渡艇。

根据滑行艇的阻力理论,滑行艇的总阻力R T=Δ・tg τ+R f ,其中Δ・tgτ为剩余阻力,包含兴波阻力和飞溅阻力两大阻力成分,Δ为排水量,τ为滑行状态下的纵倾角,R f 为摩擦阻力,这一理论是平板滑行理论的延伸。

第18届国际船模试验池会议提出:滑行艇在滑行状态下的裸船体阻力表达式为R Th =Δ・tg τ+R f +R S pf ,其中R S pf 是考虑由于须状飞溅的湿面积所引起的摩擦阻力。

作者认为以上阻力表达式在计算过程中有一定的难度和局限性。

具体表现在:①艇在滑行状态下纵倾角受艇的线型、重量、重心和不同的航速而变化,由于流体水动力升力作用于艇底复杂的曲面,因而很难准确地计算出其纵倾角。

②艇体的湿面积和飞溅湿面积受航行状态和航速等的影响,同样也很难准确地计算。

③在高速滑行状态下,受水动力作用的影响,粘压阻力不容被忽略。

我们在这里介绍日本造船协会通过船模试验得作者单位:汪建午、柯建平———海军第4807厂(355011)。

收稿日期:2001-06-25出的一种简便而行之有效的计算方法。

这种计算方法的裸船体阻力表达式为R T =C ・Δ・g ,其中C 为总阻力系数,由试验图谱求得,详见图1,Δ为排水量,g 为重力加速度。

尾插板对滑行艇阻力及纵向稳定性影响试验分析潘柏衡;高霄鹏【摘要】对带有尾插板的滑行艇模型进行静水拖曳试验,监测模型运动过程中阻力、升沉、纵摇的变化及模型整体的运动稳定性,加装1.0 mm以上的尾插板能够解决该滑行艇在中高速运动过程中常见的运动稳定性问题,同时能够有效减小滑行艇在中高速下的阻力.随着航速的进一步提升,过深的尾插板会使模型发生埋首,同时阻力迅速增大.如滑行艇能够搭配合适的尾插板,有望获得更好的快速性和稳定性.%The towing test for a planning craft model with tail-board was carried out instill water to measure the resistance, heaving,pitch and the movement stability of the model.It was found that the problem of movement stability of planning craft in the middle and high speed can be promoted by installing tail-board over 1.0 mm,while the resistance can be reduced effectively. But resistance would be rapidly increased, and trim by head would appear when the speed got higher if the tail-board was toodeep.The better resistance and stability qualities can be expected,if suitable tail-board is adopted in the planning craft.【期刊名称】《船海工程》【年(卷),期】2018(047)001【总页数】3页(P26-28)【关键词】尾插板;滑行艇;纵摇;阻力;运动稳定性【作者】潘柏衡;高霄鹏【作者单位】海军工程大学舰船工程系,武汉430033;海军工程大学舰船工程系,武汉430033【正文语种】中文【中图分类】U661.1尾插板通常是垂直安装在船艉部的一块具有很大长宽比的平板，尾插板可以在船舶航行过程中产生的额外的水动升力，能够一定程度上影响船舶的航行姿态，进而改变船底的压力分布和尾流场的兴波特性[1]，选择合适的尾插板可以在某些航速范围内降低船舶航行阻力，提高航行效率[2]。

高速滑行艇阻力性能RANS计算中网格影响因素丁江明;江佳炳;秦江涛;翟志红【摘要】为了准确预报高速滑行艇的水动力与阻力特性,本文基于RANS方法和重叠网格技术针对某50 kn高速单体滑行艇的缩比船模阻力特性开展了数值计算研究.分析了网格类型、船体边界层网格分布、船体表面网格尺度、流场背景域网格加密等网格相关因素对艇底气水混合物分布、兴波形状、船体姿态以及船体阻力预报结果的影响,并与船模阻力试验结果进行了比较.通过研究认为:开展高速滑行艇的运动与阻力性能RANS预报时,网格因素对模拟高速滑行艇边界层流动、艇体周围湍流流动和兴波特性,以及预报艇底气水分布、艇体航行姿态与阻力性能具有显著影响.【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》【年(卷),期】2019(040)006【总页数】7页(P1065-1071)【关键词】高速滑行艇;水动力;阻力;计算流体力学;RANS方法;SSTk-ω;网格;压力分布【作者】丁江明;江佳炳;秦江涛;翟志红【作者单位】高性能舰船技术教育部重点实验室,湖北武汉430063;武汉理工大学交通学院,湖北武汉430063;高性能舰船技术教育部重点实验室,湖北武汉430063;武汉理工大学交通学院,湖北武汉430063;高性能舰船技术教育部重点实验室,湖北武汉430063;武汉理工大学交通学院,湖北武汉430063;中国船舶及海洋工程设计研究院喷水推进技术重点实验室,上海200011【正文语种】中文【中图分类】U661.31滑行艇高速航行时主要依靠流体动升力抬升船体，艇体与水流之间相互作用较为剧烈，航行姿态变化大并伴有飞溅等现象。

采用数值计算来准确模拟艇体运动姿态与气水分布特性以及相应的阻力特性是高速滑行艇研制中的一项关键技术，也是难点所在。

滑行艇的阻力长期以来主要采用模型试验、经验公式和系列图谱来预报。

但模型试验成本高、周期长，经验公式和图谱预报存在适用范围窄等缺点。

随着船舶计算流体力学(computational fluid dynamics，CFD)技术的发展，基于数值计算预报滑行艇阻力的应用研究日益增多。

划艇比赛模型研究报告摘要本报告研究了划艇比赛中的模型以及其在提高竞技水平和训练效果方面的应用。

通过对比赛模型的设计原则、建模方法以及仿真技术的运用，我们深入探讨了划艇比赛模型的发展和创新。

引言划艇运动是一项历史悠久、技术要求较高的水上运动项目。

随着科技的进步和运动员的专业化，提高划艇比赛的竞技水平和训练效果成为当前的关注焦点之一。

本报告旨在研究划艇比赛模型，并探讨其在提高竞技水平和训练效果方面的应用。

1. 划艇比赛模型的设计原则划艇比赛模型的设计原则可以分为静态和动态两个方面。

静态设计原则主要包括模型的结构和材料的选择；动态设计原则主要涉及模型的水动力特性和航向稳定性。

1.1 结构设计原则划艇比赛模型的结构设计原则包括艇身的形状、长度、宽度、重量等。

在设计过程中，需要考虑模型的稳定性、流线型和艇身刚度等因素。

1.2 材料选择原则划艇比赛模型的材料选择原则直接影响到模型的轻重、强度和耐久性。

常用的材料有碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料等。

1.3 水动力特性原则划艇比赛模型的水动力特性原则涉及到水流对模型的阻力、航行稳定性以及进水和波浪的影响等。

针对不同的比赛项目和赛道条件，设计师需要注意模型的水动力特性。

1.4 航向稳定性原则划艇比赛模型的航向稳定性是指模型在航行过程中保持直线航向的能力。

通过合理设计模型的重心位置、舵系统和舵面面积等，可以提高划艇比赛模型的航向稳定性。

2. 划艇比赛模型的建模方法划艇比赛模型的建模方法主要包括基于实验数据的经验模型和基于计算机仿真的数值模型两种。

2.1 经验模型经验模型是基于实验数据和经验公式来描述划艇比赛模型的水动力特性和航向稳定性的模型。

通过对已有比赛模型的测试数据进行统计和分析，可以建立一些经验公式，用于预测和优化新的模型设计。

2.2 数值模型数值模型是基于计算机仿真技术来描述划艇比赛模型的水动力特性和航向稳定性的模型。

利用计算流体力学（CFD）等数值计算方法，可以对划艇比赛模型进行精确的水动力分析和预测。

“高性能船水动力原理与设计”思考题（2012年度）1.何谓高性能船，其特点是什么？2.高性能船的种类有哪些，其中哪些是排水型船？哪些是水动力支撑？哪些是空气动力支撑？3.船型和兴波阻力的关系？4.线性兴波阻力理论在船型设计中的作用？5.船型的概念，船型包含那些内容？6.随体积傅氏数变化，船舶的航态如何变化，如何划分三种典型航态？7.影响耐波性的船型参数有哪些？（图2-4）1）贝尔的耐波性品级指标中影响耐波性的船型参数有哪些？2）莫尔在研究船型与耐波性的关系中，影响纵向运动的船型参数有哪些？8.常用高速方艉圆舭排水型船阻力计算方法有哪些？图谱方法有哪些？9.单体圆舭高速船的船型特点？10.方艉船型的水动力特点？11.方艉船型的特征参数（b/B,β）及其对水动力性能的影响？12.为什么深V船型的耐波性好？13.单体深V高速船的船型特点？14.试比较深V船型与常规圆舭船型的水动力特点？15.画出典型圆舭和深v船型横剖面图。

16.SSB的作用？17.据试验结果，书（P34~37)分析不同参数的SSB首对阻力和耐波性的影响。

18.高速双体船的船型特征及其优缺点？19.高速双体船的阻力特性，分析两片体间干扰阻力产生原因？20.临界速度和无效干扰速度概念，画出典型普通高速双体船的兴波阻力曲线并分析其特点？21.分析修长度系数及片体间距对双体船阻力影响？22.如何估算双体船阻力？有哪些方法？23.试分析双体船航行升沉与纵倾变化的特点,设计中如何计及其影响?24.为什么双体船会发生螺旋运动?25.小水线面双体船的船型特点？26.小水线面船优缺点?27.SWATH的性能特点？28.SWATH的快速性特点,单支柱SWATH兴波阻力公式中包含那些部分?双支柱呢?29.为什么称小水线面双体船是全天候船舶,试分析其耐波性能?30.为什么小水线面双体船纵向运动预报要考虑粘性影响?31.为么小水线面船通常纵向运动不稳定?如何改进?32．鳍的作用及其对耐波性影响？33．WPC的船型特点，画出典型WPC横剖面形状？34．如何选择WPC的横剖面形状？尾端形状及首端形状？35．影响WPC性能的主要船型参数有哪些？并分析之。

三体滑行艇纵向运动稳定性的数值模拟邹劲;王瑞宇;孙寒冰;蒋一【摘要】The porpoising phenomenon of planing trimaran lacking of stability is numerically simulated by the overset mesh technology to study the longitudinal motion stability of the planing trimaran with high speed. The mechanism of porpoising is studied based on the bottom pressure distribution. Several operation conditions established by dichotomy algorithm are used to obtain the upper limit of stable velocity and the lower limit of instable velocity in still water, approaching the limit curve of longitudinal stability. It is found that the computational results are in good agreement with the experimental results by comparison between the numerical calculations and mode tests. It shows that the numerical method can provide practical values.%为了研究三体滑行艇在高航速下的纵向运动稳定性,利用重叠网格技术对三体滑行艇在失稳时产生的"海豚运动"现象进行CFD仿真.根据艇底的压力分布特征分析了发生"海豚运动"的机理;利用二分法制定了若干计算工况,得到静水航行时的稳定速度上限线和失稳速度下限线,实现了对纵向稳定性界限曲线的逼近.将数值计算结果与模型试验结果进行对比分析,计算值与实验值吻合较好,表明该数值方法具有较好的实用价值.【期刊名称】《船舶》【年(卷),期】2015(026)005【总页数】6页(P40-45)【关键词】三体滑行艇;重叠网格;海豚运动;纵向运动稳定性【作者】邹劲;王瑞宇;孙寒冰;蒋一【作者单位】哈尔滨工程大学船舶工程学院哈尔滨150001;哈尔滨工程大学船舶工程学院哈尔滨150001;哈尔滨工程大学船舶工程学院哈尔滨150001;哈尔滨工程大学船舶工程学院哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】U674.951引言高速三体滑行艇是常规滑行艇、高速多体船和气膜减阻船的组合船型，综合以上几种船型的优点，在高速滑行时，片体底部与水面接触，艇体产生的兴波与喷溅迅速被吸入槽道内，槽道内会形成气相区域、液相区域、气液二相混合区以及喷溅水层，在一定程度上减小了滑行阻力而且还提供了减震、缓冲的作用［1］，但也使其运动机理变得较为复杂，尤其是在高速航态下的“海豚运动”。

三体滑行艇阻力和稳定性研究的开题报告
一、选题背景
滑行艇是一种运动艇，在赛艇运动中被广泛应用。

在国际上，滑行艇运动已经发展成为一项成熟的体育运动，具有科技含量高、运动难度大等特点。

其中三体滑行艇作为最新研发出的一种团体滑行艇，其使用3人进行操控和比赛，其运动特点和运动难度高于普通滑行艇。

二、研究目的
针对三体滑行艇的特点，本研究旨在通过实验和理论分析，研究三体滑行艇在滑行过程中的阻力和稳定性，并探究其优化措施，以提高其性能表现。

三、研究方法
1.理论研究：通过文献调研和数值计算，探究三体滑行艇在滑行过程中所产生的各种阻力（水阻力、气阻力等）及对其稳定性影响的因素（倾角、侧风等）。

2.实验研究：采用模型试验、水池试验等方法，获取三体滑行艇在模拟实际比赛水域下的滑行性能数据，包括滑行速度、滑行阻力、滑行稳定性等。

3.优化设计：根据实验和理论结果，提出三体滑行艇的优化设计方案，包括船体形状优化、尾翼设计、材料选择等。

四、研究意义
本研究将为三体滑行艇运动员提供更科学、更有效的训练指导和比赛策略，同时也为滑行艇研究领域提供新的研究思路和技术手段，为提升中国滑行艇的竞技水平做出贡献。

五、预期成果
本研究预计通过实验和理论分析，探究三体滑行艇的阻力和稳定性，形成系统的理论分析和实验数据，并提出相应的优化设计方案，为三体
滑行艇的发展提供参考。