三體航行艇迎浪規(guī)則波中縱搖運(yùn)動(dòng)和垂蕩運(yùn)動(dòng)的對(duì)比分析

三體航行艇迎浪規(guī)則波中縱搖運(yùn)動(dòng)和垂蕩運(yùn)動(dòng)的對(duì)比分析

0體平行結(jié)構(gòu)的耐波性預(yù)報(bào)三體滑動(dòng)步槍是高速和超高速滑動(dòng)步槍領(lǐng)域的一種新類型，具有良好的航行穩(wěn)定性。其結(jié)合了常規(guī)滑行艇、高速多體船與氣膜減阻船的眾多優(yōu)點(diǎn),將流體力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)性能較好地結(jié)合了起來(lái),具有較大的負(fù)載能力,優(yōu)異的快速性,較高的穩(wěn)性和出色的耐波性,且利于總布置,因而應(yīng)用價(jià)值較高。高速航行時(shí),三體滑行艇的片體底部與水面接觸,艇體產(chǎn)生的興波與噴濺迅速被吸入槽道內(nèi),槽道中自上而下會(huì)形成空氣層、氣水混合物層以及噴濺水流層。三者的共同作用不僅能有效降低三體滑行艇高速滑行時(shí)的阻力,還具有緩沖、減振和減小拍擊的作用。三體滑行艇因受動(dòng)升力和復(fù)雜橫剖面的影響,縱向運(yùn)動(dòng)的理論預(yù)報(bào)往往顯得不夠精確,這時(shí),研究適合三體滑行艇的耐波性預(yù)報(bào)方法便具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)于耐波性的理論預(yù)報(bào),已有許多人研究過(guò),經(jīng)典的方法是由Weinblum,DenisOgilvie和Tuck,Newman等人提出。這些理論通常是基于瘦長(zhǎng)體假設(shè),并在頻域內(nèi)使用線性二維或者三維方法,其中,二維方法通常是指切片理論。已運(yùn)用切片理論成功預(yù)報(bào)過(guò)許多常規(guī)低速船的縱向運(yùn)動(dòng)。近年來(lái),許多研究者開發(fā)了線性三維方法,如Inglis,Nakos等人。一般來(lái)說(shuō),三維方法并不能取得比二維方法更好的結(jié)果,主要是能正確處理定常與非定常的交互作用、尾封板的效應(yīng)和計(jì)算方法的數(shù)值精度。對(duì)于瘦長(zhǎng)體的高速船,可以使用一種基于二維Laplace方程,用三維的自由表面條件的方法。對(duì)于向前高速航行的船舶,一個(gè)船體切片產(chǎn)生的波浪主要波及的是順流,而非逆流。本文將利用基于切片法原理的商業(yè)計(jì)算軟件Seekeeper,分別計(jì)算三體滑行艇在低速和高速時(shí)在迎浪規(guī)則波中的縱搖運(yùn)動(dòng)和垂蕩運(yùn)動(dòng)幅值響應(yīng)函數(shù)。1船舶試驗(yàn)1.1試驗(yàn)條件和試驗(yàn)設(shè)備三體滑行艇的耐波性試驗(yàn)在某大學(xué)的船模試驗(yàn)水池進(jìn)行。其主要儀器及規(guī)格如表1所示。1.2試驗(yàn)?zāi)Ｐ图胺椒ùＳ赡巢Ａт摯в邢薰局圃?經(jīng)檢驗(yàn),船模符合設(shè)計(jì)要求,其主要參數(shù)如表2所示。規(guī)則波運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)使用的模型采用玻璃鋼制作,模型的縮尺比為1∶5.625,模型試驗(yàn)滿足幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似和重力相似(傅汝德數(shù)相似)準(zhǔn)則。試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D如圖1所示。本次試驗(yàn)波高取為ζ?50mm,試驗(yàn)波長(zhǎng)Lλ=2~12m,船模航速V=2.3,5.7m/s,對(duì)應(yīng)的容積傅氏數(shù)F?=1.21,3.00。試驗(yàn)前,對(duì)儀器及傳感器進(jìn)行標(biāo)定,求出相應(yīng)的標(biāo)定系數(shù)。升沉運(yùn)動(dòng)傳感器測(cè)點(diǎn)在船模重心處,首、尾加速度測(cè)點(diǎn)位于:首部在9#處,尾部在5#處。圖2所示為在水池中的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。?和表4所示分別為船模速度在V=2.3,5.7m/s時(shí),三體滑行艇在迎浪規(guī)則波中的試驗(yàn)升沉平均值和縱搖平均值。2體試驗(yàn)結(jié)果分析用MAXSURF中的Seekeeper模塊預(yù)報(bào)三體滑行艇在迎浪規(guī)則波中的運(yùn)動(dòng)時(shí),采用二維切片理論預(yù)報(bào)船體的垂蕩縱搖運(yùn)動(dòng)。假設(shè)船體為船寬遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)、船寬和吃水遠(yuǎn)小于船長(zhǎng)的細(xì)長(zhǎng)體,不考慮粘性阻尼;并認(rèn)為船體為剛性體,不會(huì)在波浪中因受力而發(fā)生船體變形。同時(shí),Seekeeper也做了如下假設(shè):1)為微幅運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)幅值相對(duì)于波浪幅值是線性的;2)船體剖面是直壁的;3)波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于水深,可以近似認(rèn)為是深水波;4)波浪不因船體運(yùn)動(dòng)而受影響。三體滑行艇在規(guī)則波中的運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)采用與船模試驗(yàn)相同的波形參數(shù),即波高為50mm,波長(zhǎng)為2~12m,航速分別為2.3m/s和5.7m/s。圖3所示為建立的基于MAXSURF的三體滑行艇模型。三體滑行艇在迎浪規(guī)則波中的縱搖運(yùn)動(dòng)和垂蕩運(yùn)動(dòng)幅值響應(yīng)函數(shù)理論預(yù)報(bào)結(jié)果與試驗(yàn)值的對(duì)比如圖4~圖7所示,其中,升沉RAO(升沉幅值/波幅)為無(wú)因次升沉幅值,縱搖RAO(縱搖幅值/波幅)為無(wú)因次縱搖幅值。由圖4~圖7可知:1)無(wú)論是低速或是高速,基于二維切片法的Seekeeper基本上能對(duì)三體滑行艇在規(guī)則波中的運(yùn)動(dòng)做出合理的預(yù)報(bào),其結(jié)果可信,能夠滿足實(shí)際工程應(yīng)用。2)從圖5中可以看出,當(dāng)V=2.3m/s時(shí),縱搖運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)在低遭遇頻率處誤差較大,出現(xiàn)了與試驗(yàn)結(jié)果不同的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。3)從總的運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)來(lái)看,Seekeeper對(duì)高速航行時(shí)三體滑行體的預(yù)報(bào)更為準(zhǔn)確(圖6、圖7)。無(wú)論是運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)還是計(jì)算精度,與V=2.3m/s時(shí)相比,V=5.7m/s時(shí)的預(yù)報(bào)與試驗(yàn)結(jié)果吻合更好。同時(shí),理論預(yù)報(bào)與試驗(yàn)結(jié)果也存在相應(yīng)的誤差,其主要原因?yàn)?1)進(jìn)行三維建模時(shí)不能很好地體現(xiàn)折角。因細(xì)小的片體折角會(huì)導(dǎo)致無(wú)法建模,因而三體滑行艇在建模時(shí)這部分通常要被忽略,而這卻正是三體滑行艇為減少橫向流動(dòng)而特意設(shè)計(jì)的。2)MAXSURF不能設(shè)定遭遇頻率,只能限定遭遇頻率范圍,具體到遭遇頻率上時(shí),軟件會(huì)依據(jù)船長(zhǎng)與波長(zhǎng)的比值自己選定,這樣,就無(wú)法和試驗(yàn)值逐個(gè)進(jìn)行比較,也就無(wú)從知道具體的誤差。3對(duì)迎浪規(guī)則波的理論預(yù)