高速航行中航行艇運動阻力的研究

高速航行中航行艇運動阻力的研究

0半理論半經(jīng)驗方法有10種基于滑動路面的阻力估算方法，但由于滑動車輛的高速運動本身的固有非線性，阻力理論的預(yù)測非常復(fù)雜?，F(xiàn)行的估算方法大體可分為四大類:利用現(xiàn)有艇的統(tǒng)計資料進(jìn)行估算、半理論半經(jīng)驗方法、利用滑行艇系列試驗圖譜進(jìn)行計算、利用船模試驗確定阻力。國際上比較普遍的半理論半經(jīng)驗估算方法有英美等應(yīng)用的SIT法、前蘇聯(lián)中央流體動力量力中心的查潔法(цаги)和Shuford法;目前,國內(nèi)船舶設(shè)計單位還依賴于模型試驗和利用系列試驗資料或圖譜估算滑行艇的阻力。本文從艇體受到的各種水動力著手,建立艇體運動的操縱性方程,從而解算出艇體航行時的運動姿態(tài),再利用半理論半經(jīng)驗的公式計算滑行艇的動態(tài)阻力,它是確定主機(jī)功率和推進(jìn)器型號的重要依據(jù)。1重重實效的雙軌抗拉力板—滑行艇艇體水動力分析滑行艇與一般的排水式船舶有很大區(qū)別。根據(jù)航速的不同,其滑行過程可分為三個階段:預(yù)滑行階段(Fr?<2.5)、半滑行階段(2.5<Fr?<4.0)和全滑行階段(Fr?>4.0)。由于滑行艇具有這三個受力完全不同的滑行階段,給阻力的估算帶來很大困難。根據(jù)滑行艇的這種航行特性,在艇體水動力分析過程中,既要把它看作排水型船來考慮,又要把它看作具有動升力的滑行艇來考慮。具體來說,在預(yù)滑行階段(即排水航行狀態(tài)),從操縱性角度,需要把在實際流體中作非定常運動的艇體所受的水動力分成兩類:即慣性類水動力和粘性類水動力,并忽略其相互影響;從耐波性角度,又要考慮阻尼力和回復(fù)力;而在半滑行階段和全滑行階段,必須考慮流體動升力的作用。限于篇幅,只分析艇體受到的回復(fù)力和動升力并給出相應(yīng)的簡化表達(dá)式,對于慣性類水動力、阻尼力和粘性類水動力可參考文獻(xiàn)[6～7]。1.1滑動基力學(xué)結(jié)果回復(fù)力是使艇體產(chǎn)生搖蕩的重要因素,艇體由于回復(fù)力才能獲得在靜水中作自由搖蕩運動的能力。由船舶靜力學(xué)知,滑行艇所受回復(fù)力為:ΖR=-Ζb+mgΚR=-Ζb?h?sin?ΜR=-Ζb?Η?sinθ}(1)ZR=?Zb+mgKR=?Zb?h?sin?MR=?Zb?H?sinθ?????(1)其中,Zb為靜浮力;h為橫穩(wěn)心半徑;H為縱穩(wěn)心半徑;?為橫傾角;θ為縱傾角。1.2負(fù)壓分布的均勻性由文獻(xiàn)可知,通過采用大展弦比有限寬度滑行面薄翼比擬的模型計算流體動壓力,然后加上經(jīng)驗修正系數(shù),即可計算艇體的流體動升力。按薄翼比擬,平板翼的動壓力中心在離艉緣0.75L處,但由于駐點在下表面的導(dǎo)緣稍后,故壓力面上的高壓區(qū)靠近導(dǎo)緣,而吸力面上負(fù)壓分布相對較均勻。當(dāng)只考慮下表面的壓力中心時,它在全翼的壓力中心0.75L之前。按照цаги的經(jīng)驗數(shù)據(jù),動壓力中心在距艉緣0.75L+0.08L?λ0.865/√FB0.75L+0.08L?λ0.865/FB???√處,則動升力和動升力矩為:ΖL=12ρV2B2?0.7πλ1+1.14λ?αΚL=π24ρVB4?0.7πλ1+1.14λ?α??ΜL=ΖL?(0.75L+0.08L?λ0.865/√FB)}(2)ZL=12ρV2B2?0.7πλ1+1.14λ?αKL=π24ρVB4?0.7πλ1+1.14λ?α??ML=ZL?(0.75L+0.08L?λ0.865/FB???√)???????(2)其中,λ=l/B為相對浸濕長度(l為艇體浸濕長度,B為艇寬),FB=V/√gBFB=V/gB???√為艇寬傅汝德數(shù)。2未來加速度w+pv-qu設(shè)滑行艇的質(zhì)量為m,重心G的航速為→V(V?(而u,v,w為→VV?在艇體動坐標(biāo)系上的投影,下同),角速度為→Ω(p,q,r)Ω?(p,q,r),艇體所受到的力為→F(X,Y,Ζ)F?(X,Y,Z),艇體所受到的力對重心的力矩為→Μ(Κ,Μ,Ν)M?(K,M,N)。根據(jù)質(zhì)心運動定理和相對于質(zhì)心運動的動量矩定理可推導(dǎo)出滑行艇六自由度操縱運動模型,在動坐標(biāo)系上的投影式:m(˙u+qw-rv)=Xm(˙v+ru-pw)=Ym(˙w+pv-qu)=ΖΙx˙p+(Ιz-Ιy)qr=ΚΙy˙q+(Ιx-Ιz)rp=ΜΙz˙r+(Ιy-Ιx)pq=Ν}(3)m(u˙+qw?rv)=Xm(v˙+ru?pw)=Ym(w˙+pv?qu)=ZIxp˙+(Iz?Iy)qr=KIyq˙+(Ix?Iz)rp=MIzr˙+(Iy?Ix)pq=N???????????????????????(3)其中艇體所受到的力可寫成:{X=XJ+XΙ+XV+XL+XD+XRY=YJ+YΙ+YV+YL+YD+YRΖ=ΖJ+ΖΙ+ΖV+ΖL+ΖD+ΖRΚ=ΚJ+ΚΙ+ΚV+ΚL+ΚD+ΚRΜ=ΜJ+ΜΙ+ΜV+ΜL+ΜD+ΜRΝ=ΝJ+ΝΙ+ΝV+ΝL+ΝD+ΝR(4)?????????????????????X=XJ+XI+XV+XL+XD+XRY=YJ+YI+YV+YL+YD+YRZ=ZJ+ZI+ZV+ZL+ZD+ZRK=KJ+KI+KV+KL+KD+KRM=MJ+MI+MV+ML+MD+MRN=NJ+NI+NV+NL+ND+NR(4)(3)式中,˙uu˙、˙vv˙、˙ww˙、˙pp˙、˙q、˙r是艇體加速度;(qw-rv)、(ru-pw)、(pv-pw)是由于坐標(biāo)系運動引起的物體向心加速度;(Ix-Iy)qr、(Ix-Iz)rp、(Iy-Iz)pq是回轉(zhuǎn)效應(yīng)。(4)式中,下標(biāo)帶I、V、L、D、R的表示艇體受到的各向水動力及其對艇重心的力矩,XJ、YJ、ZJ、KJ、MJ、NJ表示噴水推進(jìn)推力的各向分力及其對艇重心的力矩。3基基基于于始終運行的載荷的摩擦阻力本文研究的對象——滑行艇,其艇型采用的是單體滑行艇,該滑行艇的主尺度見表1:利用上述滑行艇的主尺度對仿真程序進(jìn)行初始化,當(dāng)給定主機(jī)功率時,噴泵將通過反向推力給艇體向前的推力,在艇體水動力仿真類中,利用四階龍格—庫塔法不斷對滑行艇的運動姿態(tài)進(jìn)行解算,可得到滑行艇的升沉和縱傾角等參數(shù)隨航速的變化曲線,如圖1:由半理論半經(jīng)驗的阻力計算方法可知,滑行艇艇體阻力包括剩余阻力(或稱壓差阻力)和摩擦阻力兩大部分。假設(shè)艇的排水量為Δ,滑行攻角為α,可得到滑行艇常見的阻力表達(dá)式為:R=Δ?tanα+RF/cosα(5)其中:RF=0.5ρV2S(Cf+ΔCf)Cf=0.455/(logRe)2.58,ΔCf為表面粗糙度修正,可取0.4×10-3。Δ·tanα稱為剩余阻力,由于實際航行過程中不僅有飛濺,還有興波,因而其中包含興波阻力和飛濺阻力兩種阻力成分,它們都是水壓力在運動方向的分力,所以有稱壓差阻力。RF是艇體摩擦阻力,而摩擦阻力系數(shù)已有現(xiàn)成公式,所以,計算摩擦阻力的關(guān)鍵是確定滑行艇的浸濕面積S。而S=lB,但滑行艇的浸濕長度l隨速度、攻角和艇體吃水而變化,不是一個固定值。為了避免查表的麻煩,并便于計算機(jī)仿真,采用如下近似計算:l=0.5×L+Τ/tan(α0+α)(6)利用公式(5)可計算出艇體的各種阻力成分,剩余阻力、摩擦阻力和艇體總阻力隨航速的變化見圖2:從圖2可以看出,當(dāng)航速<9m/s,剩余阻力隨航速的增加而增大;而當(dāng)航速為9m/s～20m/s,剩余阻力卻隨航速的增加而減少,原因是興波阻力隨艇體抬出水面而減小;之后比較平坦,是因為艇體不能再抬出水面而使興波減小。而摩擦阻力是隨航速的增大而增加,雖然在半滑行階段(航速為9m/s～20m/s),摩擦阻力會隨艇體濕面積的減小而減少,但是摩擦阻力與航速的平方成正比,從而使摩擦阻力繼續(xù)增加;在全滑行階段(航速>20m/s),因艇體濕面積不能再減少,摩擦阻力為航速的二次方,迅速增加。4試驗數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果的比較為了研究所選艇型的在排水狀態(tài)和滑行時的靜水阻力性能,在某所高速水動力試驗室進(jìn)行了船模的水池拖曳試驗。該船模符合“滑行艇船模阻力試驗方法(CB/Z244-88)中的允差標(biāo)準(zhǔn),模型參數(shù)為:縮尺比λ=1∶4.58,船長L=2.4m,型寬B=0.735m,排水量Δm=66kg,重心位置(距船舯)Xm=-390mm。該試驗采用自由拖曳法測試了船模的阻力、升沉和縱傾角等參數(shù),其中阻力采用電測法測量,縱傾角采用傾角傳感器測量,升沉采用升沉儀測量。下面把船模試驗數(shù)據(jù)和仿真計算結(jié)果的艇體阻力進(jìn)行比較。為了與船模試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,需要把阻力和航速轉(zhuǎn)化成與艇體大小無關(guān)的量:即用艇體阻力除以艇體的排水量得到單位排水量的阻力(Rt/Δ),把航速轉(zhuǎn)化成體積傅汝德數(shù)Fr?。把上面的仿真值與船模試驗值進(jìn)行比較(見圖3)。從圖3可以看出,仿真計算值與試驗值吻合較好,雖然在較低速和較高速有偏差,但在滑行艇常規(guī)航速上的阻力估算較準(zhǔn)確。再由圖3來分析滑行艇阻力隨體積傅汝德數(shù)的變化:在預(yù)滑行階段,曲線的坡度較陡,阻力隨航速的高次方增長,與一般排水船舶相似;在半滑行階段,由于流體動升力的增大,排水體積減小,故興波阻力下降,但隨之出現(xiàn)的飛濺阻力卻趨增大,兩者有抵消作用,因此阻力曲線坡度變得相當(dāng)平坦;當(dāng)航速達(dá)到全滑行階段后,阻力曲線又趨陡直,這是因為排水體積無進(jìn)一步的減小,從而興波阻力無更多的減少,但艇底動壓力增大,使飛濺阻力急劇增大,反映出總阻力的迅速增