小水线面双体船粘性流数值模拟

小水线面双体船运动姿态预报与控制策略研究为了满足日益增长的海洋营运需求和更好地开发海洋资源,对耐波性等船舶性能提出了更高要求,双体船等耐波性良好的高性能船舶得到了极大的关注和发展。

小水线面双体(Small Water-plane Area Twin Hull,SWATH)船通过用两个下潜体把排水体积移到水下,增加运动阻尼,减小水线面积,使其具有远远好于一般单体船的耐波性。

但由于其水线面狭小,使得SWATH船航行时,提供的纵向恢复力和力矩不足以平衡海浪作用于船上的干扰力和力矩,导致SWATH船纵向(升沉和纵摇)运动稳定性较差。

鉴于SWATH船的结构和运动特点,选择常规的控制策略很难达到预期的控制效果。

因此,研究SWATH船运动特性,对船舶运动姿态进行预报,设计合理的控制策略,对SWATH船运动姿态控制具有重要的现实意义和应用价值。

为研究SWATH船运动特性,论文首先建立SWATH船运动模型,利用二维半的切片理论对SWATH船水动力系数进行数值求解,对SWATH船运动姿态预报。

同时通过求解船舶运动响应,利用稳定性、船舶运动周期、阻尼比等性能指标对SWATH船运动性能进行分析。

并以一艘SWATH船实为例,对其水动力系数进行求解,定量分析SWATH船运动特点。

研究结果表明,该SWATH船纵向运动稳定性较差,需要利用稳定鳍对SWATH 船运动姿态进行控制。

海浪是影响船舶运动的主要因素,为研究SWATH船在随机海浪中的运动性能,对海浪作用于SWATH船的升沉干扰力和纵摇干扰力矩进行建模。

并根据SWATH船运动模型特点,给出了 SWATH船运动最优控制器设计。

结合海浪干扰和船舶运动模型,设计SWATH船干扰观测器,通过对干扰的观测和补偿控制,研究SWATH船的干扰补偿控制效能。

仿真结果表明,利用干扰观测器,将干扰补偿与反馈控制相结合,提高了SWATH船运动姿态的控制效果。

由于SWATH船采用前、后两对稳定鳍对船舶运动姿态进行控制,这就不可避免的产生了前后稳定鳍的升力特性和控制方式选择等问题。

顶浪规则波中小水线面双体船纵向运动特性数值分析邓磊;董文才;姚朝帮【摘要】基于RANS方程和VOF模型求解船体粘性兴波流场,采用Overset技术处理船体运动,开展了小水线面双体船(Small Waterplane Area TwinHulls,SWATH)迎浪规则波中运动响应特性及其产生机理的研究.通过数值计算结果与模型试验结果的对比分析,验证了本文方法的有效性;在此基础上,分析了船体运动响应曲线中各峰值产生的原因及片体间相互干扰对SWATH船在波浪中运动响应的影响,发现其中一个峰值出现的原因为遭遇频率接近船体运动固有频率,由此发生共振;另一个峰值的出现则可能与SWATH特殊的船型及附体配置有关.由于SWATH船片体间的水动力干扰效应,SWATH船在波浪中运动响应峰值较单个片体响应峰值明显减小,且出现的位置向低频方向移动.【期刊名称】《舰船科学技术》【年(卷),期】2016(038)008【总页数】6页(P5-10)【关键词】小水线面双体船;RANS;波浪中运动;纵向运动特性;片体间相互干扰【作者】邓磊;董文才;姚朝帮【作者单位】海军工程大学舰船工程系,湖北武汉430033;海军工程大学舰船工程系,湖北武汉430033;海军工程大学舰船工程系,湖北武汉430033【正文语种】中文【中图分类】U661.32小水线面双体船（Small Waterplane Area Twin Hull，SWATH）耐波性能优异，较传统单体船而言具有波浪中的运动响应幅值较小、共振频率较低及波浪中失速小等优点［1 - 3］，但其较小的水线面一方面使得船体兴波较小；另一方面则导致该船型的纵向运动恢复力和力矩较小，纵向运动幅度较大，很容易出现纵向运动失稳，往往需要通过加装稳定鳍等附体来改善其纵向稳定性。

同时，SWATH 船片体间的相互干扰也会对其在波浪中的运动响应产生一定的影响。

对于 SWATH 船在波浪中的纵向运动特性以及片体间相互干扰对其在波浪中运动响应影响的研究，目前国内外选用的方法主要有：模型试验方法［4 - 5］、势流理论方法［6 - 7］和粘性 CFD 方法［8 - 9］。

小水线面双体船抗冲击特性数值研究高峰;况贶【摘要】文章介绍了小水线面双体船型的特点,阐述其在军事领域的应用和发展前景.运用数值仿真方法计算水下非接触爆炸作用下小水线面双体船的结构变形和冲击环境,分析此船型结构抗冲击特性和全船冲击环境特点,提出在抗冲击设计时的重点设计区域和优化方向,为其军事应用提供技术积累.%The characteristics of SWATH have been described in this paper, as well as its application and prospect in military field. The structural deformation and shock environment of SWATH in underwater non-contact explosion have been calculated by numerical stimulation method, and the overall ship's structural impact resistance and the shock environment have been analyzed. The specific design area and the optimization direction during the impact resistance design have been put forward, which could be the technical experience for its military application.【期刊名称】《船舶》【年(卷),期】2015(026)005【总页数】5页(P46-50)【关键词】小水线面双体船;结构抗冲击;冲击环境【作者】高峰;况贶【作者单位】海军装备部北京100841;海军驻上海沪东中华造船(集团)有限公司军代表室上海 200129【正文语种】中文【中图分类】U661.43引言小水线面双体船（SWATH船）是一型高科技、高附加值、高性能船舶。

小水线面双体船四自由度操纵运动建模双体船是一种具有非对称外形的船舶，具有很好的生产效率和航行性能。

而为了让双体船能够更加灵活地操纵，需要对其进行四自由度操纵运动的建模，以便于控制船舶的姿态、速度和位置等信息。

下面我们来一起了解一下小水线面双体船四自由度操纵运动建模的具体过程。

一、船舶坐标系的建立首先需要建立船舶坐标系，以便于描述船舶的运动状态。

在小水线面双体船中，通常采用惯性坐标系作为参考系，船体原点位于船体的质心处。

建立船舶坐标系的过程中需要考虑船体的长度、宽度和高度等因素，并对坐标系的方向进行确定。

二、船舶的自由度在进行船舶运动建模过程中，需要考虑船舶的自由度。

对于小水线面双体船而言，其可分为四个自由度，分别为纵向、横向、滚动和偏航自由度。

其中纵向自由度是指船舶在航行方向上的运动，横向自由度是指船舶在航行平面上的运动，滚动自由度是指船舶绕纵向轴旋转的运动，偏航自由度是指船舶绕垂直轴旋转的运动。

三、船舶运动方程的建立在进行船舶的运动方程建立时，需要考虑船舶的受力情况。

根据牛顿第二定律，可得到船舶的运动方程：F=ma其中，F表示船舶所受的力，m为船舶的质量，a则是船舶的加速度。

对于船舶的受力情况，可以通过分析船舶的运动特征得出。

四、航向稳定和自动控制在进行船舶运动建模的过程中，还需考虑船舶的航向稳定和自动控制。

其中，航向稳定主要以船舶的动态、静态稳态、操纵性能的分析为主，通过设计控制系统的参数，使得船舶尽可能地满足特定的操纵要求。

同时，还需分析船舶受到的风、流等外界因素的影响，进而确定船舶的理论最佳航线、最优操纵方法等内容。

总之，小水线面双体船四自由度操纵运动建模是一项非常复杂的工作，需要对船舶的结构、运动特性和控制系统等多个方面进行深入研究，才能够确定最优的运动模型。

通过对船舶四自由度的操纵模型的建立，不仅可以为船舶的操纵提供科学依据，同时也可以为后续的船舶设计、制造和应用提供有力的支持。

为了对某个系统或者现象进行深入研究，相关数据的采集和分析是非常必要的。

小水线面双体无人船阻力数值模拟方法分析摘要：小水线面双体船是突破常规单体船以及双体船诸多性能限制的高性能船舶。

当前对小水线面双体船耐波性能研究大多集中于直支柱布局的耐波性预报。

但流体动力学的研究表明，斜支柱对船舶运动性能有很多有利影响。

针对斜支柱小水线面双体船水动力性能研究，Peng Qianl 运用 STE法，通过比较直支柱、倾斜支柱和 NPI 双体船的频率响应曲线，证明支柱倾斜可提高小水线面双体船的耐波性能，并通过比较数值模拟和实验结果，证明该船波浪增阻较小，因为倾斜支柱可利用波浪能量，减小船在波浪中的能量消耗。

Stefano Brizzolara等通过对斜支柱小水线面双体船的阻力优化研究，证明了斜支柱较传统小水线面双体船的优越性。

Latorre运用 Hooft 法研究了斜支柱小水线面双体船的运动性能，通过与实验的比较，得出粘性阻尼对于预报垂荡、纵摇峰值时具有重要影响的结论。

由此可知，对斜支柱小水线面双体船的水动力性能研究具有重要意义。

根据船舶在波浪中的运动理论，本文对比不同支柱倾斜角度的小水线面双体船在波浪中的运动响应，以探究不同支柱倾斜角度对耐波性的景响。

关键词：小水线面；双体无人船；阻力数值；模拟方法引言小水线面双体船(SWATH)由于改善了耐波性并提高了某些特定任务的作业效率,从而使美国海军对该类船产生了兴趣.由于该船型的新颖性,传统的设计方法已不适用。

因此，大卫泰勒研究中心投入了大量费用来研究其主要载荷、二次载荷和响应的合适标准.提出一个确定SWATH船最大波浪载荷的方法,并概括了用简单设计算法得到的结果吗，同时给出从模型试验得到的二阶砰击栽荷、主要结构应力分布的预报算法，以及替代常规钢质板格次要结构的轻型结构方案。

1.小水线面双体船概述1.1 小水线面双体船小水线面双体船，SmallWater planeAreaTwinHull，简称SWATH船，又叫半潜式双体船，其主要是由两个船体构成，且有水线面面积小等特点。

小水线面双体船阻力及其数值模拟方法研究随着科技的不断发展，人们对于水上运输的需求也越来越高，而其中的阻力问题一直是制约船只速度的重要因素。

近年来，小水线面双体船因其具有较小的阻力、良好的平稳性、大载货量等优点而备受关注。

本文将重点探讨小水线面双体船阻力及其数值模拟方法研究。

一、小水线面双体船阻力的构成小水线面双体船的阻力主要由摩擦阻力、压力阻力和波浪阻力所组成。

其中摩擦阻力和压力阻力发生在船苗和船身表面，波浪阻力则是因为船体在水面上运动时，其周围的水形成波浪导致。

1. 摩擦阻力摩擦阻力指的是，船体表面与水流接触时，由于摩擦而产生的阻力。

摩擦阻力主要受到流体黏性、流体密度、流速、船体表面粗糙度和湍流程度的影响。

通常情况下，摩擦阻力占整个船体阻力的比例较小。

2. 压力阻力压力阻力是由于船体移动时，在船体前部会产生压力导致船体后部产生负压力而产生的。

船体成形和船速是影响压力阻力的两个主要因素。

一般来说，压力阻力约占船体阻力的20%到30%。

3. 波浪阻力波浪阻力是因为船体在水面上运动时，其周围的水形成波浪导致。

波浪阻力是船体阻力的主要组成部分。

波浪阻力的大小与船体速度、船型和水深等因素有关。

对于小水线面双体船而言，由于其设计采用了双体结构，其波浪阻力相对其他类似大小的船而言要小一些。

二、小水线面双体船阻力的数值模拟方法研究1. 流体动力学数值模拟方法流体动力学数值模拟方法是利用计算机模拟流体力学的方法。

通过对流体的运动逆推出其力学行为。

通过数学模型来描述流体的各个特性，使用数学运算求出船体所受到的各个力学参数，进而计算出船体的运动特性，从而对其阻力进行分析。

2. 边界元法边界元法是一种计算机数值模拟方法，其原理是将解析求解过程转化为离散求解。

边界元法适用于很多物理问题，如电磁场、声学、热力学和流体动力学等。

边界元法可以用于计算整个流体流动领域内的力学参数，精度高，计算效率高。

三、结论小水线面双体船的阻力主要包括摩擦阻力、压力阻力和波浪阻力。

小水线面双体船横摇阻尼特性数值与试验研究孙小帅;姚朝帮;叶青【摘要】针对安装稳定鳍的小水线面双体船开展了零速静水自由横摇衰减数值与试验研究.通过不确定度分析验证数值计算方法的可靠性,进而对比船体的线性横摇阻尼和非线性横摇阻尼,并分析摩擦阻尼和稳定鳍对小水线面双体船横摇恢复力矩的影响规律.结果表明:由数值计算求得的自由横摇衰减曲线与试验结果吻合良好;在线性横摇运动假设下,线性横摇阻尼系数随着初始横倾角的增加而增大;将通过数值计算求得的非线性阻尼系数代入到非线性横摇运动方程中能准确地模拟船体的自由横摇衰减运动;摩擦阻尼和稳定鳍对小水线面双体船零速静水自由横摇时的横摇恢复力矩贡献很小.%A SWATH (small waterplane area twin hull) installed with stabilizing fins rolling freely in calm water was investigated by both numerical approach and experimental method.Uncertainty analysis was made to verify and validate the numerical method.Both linear roll damping and nonlinear roll damping were obtained and the contributions of the frictional damping and the stabilizing fins to the roll restoring moment were analyzed.The results illustrate that:the numerical free roll decay curve agrees well with the experiment;under the assumption of linear roll mode,the linear roll damping coefficient sees an upward trend with the increase of initial heel angle;the computed free roll decay curves using nonlinear damping coefficients agree well with the experimental results; the frictional damping and the stabilizing fins make minimal contributions to the roll restoring moment for the free roll decay motion in still water.【期刊名称】《国防科技大学学报》【年(卷),期】2017(039)006【总页数】9页(P71-78,142)【关键词】小水线面双体船;横摇阻尼;自由横摇衰减【作者】孙小帅;姚朝帮;叶青【作者单位】海军工程大学舰船工程系,湖北武汉 430033;海军工程大学舰船工程系,湖北武汉 430033;海军工程大学舰船工程系,湖北武汉 430033【正文语种】中文【中图分类】U661.1船舶在波浪中的横摇运动相比其他自由度的运动呈现出更明显的非线性特征[1]，准确预报船舶横摇运动的关键在于求解船舶的非线性横摇阻尼。

双支柱小水线面双体船阻力理论预报谢 伟1梁利云1陈材侃2(1中国舰船研究设计中心,湖北武汉430064;2华中科技大学,湖北武汉430074)摘 要:根据线性兴波理论推导了双支柱小水线面双体船兴波阻力公式。

粘性阻力采用传统的经验公式。

编制了阻力预报软件。

对某实船S W ATH 2进行了阻力计算,给出了计算结果。

关健词:小水线面双体船;兴波阻力;计算软件中图分类号:U 674.941 文献标识码:A文章编号:1673-3185(2006)01-0073-04Prediction M ethod for the Resistance of Tande m Strut S WATH ShipsX ie W ei L iang L i -yun Chen Cai -kanAbst ract :Th is paper presents the wave-m ak i n g resistance for m ulas o f tande m strut S WATH sh i p s based on linear w ave-m ak i n g theo r y ,adopting conventional experiential expressions for v iscous re -sistance .A ccord i n g to the for mu las ,a resistance pred icti o n so ft w are is developed .Resistance co mpu -tation on the S WATH ship na m ed S WATH 2w as carried ou,t and the fina l co m putation results are prov i d ed .K ey w ords :S WAT H sh i p ;w ave-m ak i n g resistance ;v iscous resistance ;ca lculation so ft w are 小水线面双体船由两个相同的片体组成,每个片体由细长的水下潜体(主体)和薄的立柱(支柱)构成。

小水线面双体船(SWATH)优化设计及数值方法毛筱菲;谭廷寿【摘要】介绍了基于阻力最小的小水线面双体船主尺度优化方法,引入逐步二次回归的优化思想,结合可变误差多面体算法和乘子法,形成了独特的优化算法.开发了阻力计算和主尺度优化程序(SWATHRES和SWATHOPT),根据输入的主尺度及优化变量约束,程序内确定给定几何表达的主体和支柱船型,在指定的设计航速下,计算输出阻力最小的优化船型及相应的阻力曲线.计算表明:该系统可用于SWATH阻力预报和方案设计阶段的主尺度选型.【期刊名称】《船舶力学》【年(卷),期】2010(014)007【总页数】8页(P749-756)【关键词】SWATH;主尺度优化;阻力计算;船型【作者】毛筱菲;谭廷寿【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【正文语种】中文【中图分类】U662;U661.3小水线面双体船（Small Waterplane Area Twin Hull,SWATH），属于排水型高速船，由深置水下的双下潜体、小水线面的双支柱和宽敞的上船体三部分组成；小水线面双体船（SWATH）是组合了浮力和动升力所产生的一种船型。

它的提出是基于一个简单的设计思路：水面舰船要获得较小的兴波阻力，其水线面保持小而且瘦削，主要浮体应浸入水中。

同时，两个片体的设计又是满足稳性（特别是横稳性）要求的。

与气垫船、水翼艇、地效翼艇等船型不同，小水线面双体船从本质上讲，仍属于排水型。

但是同传统的单体排水型船相比，它却具有很多独到之处。

由于小水线面双体船具有较小的水线面面积，所受干扰力也就相对较小，且其固有周期比常见的波浪周期长得多，不易发生共振，从而使运动幅值较小，因此最大的特点就是耐波性好，尤其是在高海况、高航速时，这一特点更为明显，俗称全天候船舶。

小水线面双体船比常规单体船的水动力性能对船体几何形状及其尺度更为敏感，因此，在设计之初发展一个优化模型决定其船型和几何尺度是非常重要的。