全垫升式气垫船内部流场的数值模拟与优化研究

发布时间：2020-11-02 17:54

【摘要】：气垫船是以静态空气压力支撑的一类高性能船舶,是所有船舶中流体动力特性最为复杂的一种船型。以风机、风道、围裙、气垫为基础构成的围裙气垫系统决定了全垫升式气垫船垫升性、稳性、快速性、耐波性与操纵性等各项性能。围裙气垫系统也是气垫船区别于其他船舶的重要结构,是与各项总体性能最密切相关的系统。本文以在研项目“22客位全垫升式气垫船”作为母型船,对该气垫船的垫升性能进行了规范计算,并分析了围裙气垫系统的主要要素对全垫升式气垫船性能的影响。在保证计算结果精度的前提下对母型船围裙气垫系统进行合理简化并建立三维建模,应用CFD方法对全垫升式气垫船内部流场进行数值模拟计算,将CFD计算结果与规范计算结果进行对比分析,误差均小于7.0%。利用CFD方法计算分析阻流板的安装位置、导流片的安装位置和曲率对全垫升式气垫船内部流场主要参数的影响,得到了气囊和气垫压力分布、压心位置、总升力、艏艉囊压比以及各部位出口的泄流系数与阻流板的安装位置、导流片的安装位置和曲率之间的关系。针对本文中母型船越峰能力不足和囊压比低于设计值的问题提出了三种优化方案,包括在气囊中安装阻流板、在风机出口处安装导流片以及同时安装阻流板和导流片,并分别对三种方案进行CFD计算。根据本文的计算结果,在距离风机出口左壁面465mm处的气囊中安装阻流板进行优化能够使囊压比从1.146升高到1.226,提高6.98%,;艏艉囊压比从0.993升高至1.056,提高了6.3%,极大地提高了母型船的越峰能力。在距离风机出口左壁面265mm处安装曲率ρ=1.43的导流片进行优化能够使囊压比从1.146升高到1.235,提高7.77%;艏艉囊压比从0.993升高至1.063,提高7.0%。同时安装阻流板和导流片优化母型船虽然可以提高囊压比和越峰能力,但是由于阻流板和导流片的相互作用,优化结果不易控制,建议单独使用其中一种方式优化全垫升式气垫船内部流场。计算结果表明,本文提出的优化方案能够提高母型船的越峰能力和囊压比,且本文中应用的CFD方法和优化方案为以后全垫升式气垫船的研究提供了参考。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U674.943
【图文】：

第1章 绪论高性能船舶，自上世纪开始，由于其良好的两栖性能，军事领域专家的高度关注[1]。气垫船的工作原理与普通功率风扇作为鼓风设备，其工作原理是通过气道迅速向体。由于气体速度较大，气囊手指出口较小，因此使气成压力较高的气腔，像是在气垫船与水面或地面之间加。空气从手指出口处排出，以高速射向水面或地面会产获取升力，使得自身升高或脱离水面，降低水对船体的侧壁式气垫船通过在船首和船尾布置柔性围裙，舷侧采封闭。航行时依旧是采用专门的垫升系统向下充气托起和提高航速[2-4]。

“十”字形气垫分割 “T”字形气垫分割图 1.2 气垫分割形式由于气垫船工作原理的特殊性，气垫船气囊、气道布置以及气垫的压力分布会对气垫船的稳性、操纵性、抗沉性产生极大的影响。因此，研究气垫船内部流场分布情况对其设计具有重要意义。气垫船正常工作状态大体上包括垫升状态和航行状态两种，在垫升状态下，气囊或气道内流场分布不均匀则可能导致气垫船出现横倾、纵倾、升沉等问题。而在此过程中，横向和纵向分割围裙的布置、气囊的设计、气道的铺设以及船的重量分布等是影响内部流场的重要因素。在航行状态下，气囊、气道内流场或气垫内压力分布不均匀则可能导致气垫船出现失稳、埋首缩进、尾部浸水、鹅卵石效应加剧等问题[11]。而且气垫船内部流场会受到诸多因素的影响，例如船体的运动状态，风浪干扰以及工况（越峰、登陆）等。这些因素都会影响气垫船底部气垫的压力分布进而影响气垫船升力的变化，围裙内囊压分布的变化以及船下水面波形的改变，这些变化反过来又会进一步影响气垫的压力分布。因此气垫船内部流场以及气垫的压力分布是非常重要的研究课题，也是一个极为复杂的多自由度耦合问题[12]。本文对该问题进行合理简化，只研究气垫船围裙内的囊压分布、气垫

.2.1 气垫船国内外发展概况英国是气垫船技术的发源地，气垫船的概念最早在上世纪五十年代开始出现，由英国 Coquerel 提出，其首次面世就引起了整个造船业的轰动。由于气垫船的全地形适应性极，便于登陆作战，因此很快在军事方面得到了极大应用[14]。上世纪五十年代，横渡英吉利海峡实验的顺利完成是气垫船成功问世的标志，该船被名为“SRN1 号”，气垫船的历史由此开始。虽然此次试验无疑是具有重要意义的，但是各项船舶性能指标来看，技术相当的不成熟，并不具备实际使用价值。尽管如此，这仍让许多国家看到了这种新型高性能船舶的发展潜力，因此引燃了各国工程师对于气垫船术的研制热情。英国海军不断对气垫船进行优化，到 1992 年，英国在军事方面已经配了包括安装了超高声呐的 BH-7 型猎雷艇、VT-2 型反水雷艇以及格里芬型登陆艇在内的艘军用气垫船。在民用方面，英国气垫船技术也较为成熟， BHC 公司研制出了具有实应用价值的能够减低阻力提高船体性能的响应围裙并应用于“SRN4-MK3”型民用客渡垫船[15-17]。
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本文编号：2867370