喷水推进穿浪双体船操纵运动仿真研究

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1、喷水推进穿浪双体船操纵运动仿真研究吴晞张辉施平安（海军兵种指挥学院广东广州510430）摘要：喷水推进控制的穿浪双体船可实现比较复杂的航行操纵运动。本文采用面元法和公式估算法计算了穿浪双体船的附加质量和水动力导数，建立了喷水推进穿浪双体船的操纵运动模型，并用该模型对喷水推进的穿浪双体船的操纵运动进行了较为全面的仿真，同时将仿真结果与实船操纵运动进行比较，验证了该模型的可行性和正确性。关键词：喷水推进;穿浪双体船;操纵性仿真穿浪双体船（WPC）是高速双体船的一个重要分支，它基本保持了高速双体船的特征，吸收了小水线面双体船的“小水线面”和深

2、V型船的“深V横剖面”两项改善耐波性的措施，形成一种新的高性能船型，如图1所示。它具有高速，优良的耐波性，稳性好，回转性好等高水平的综合航海性能[1][2]。图1穿浪双体船结构图采用喷水推进操纵控制的穿浪双体船，可以实现常规船舶无法进行的横移、斜移和原地回转等复杂的操纵运动。本文基于势流理论面元法计算穿浪双体船的附加质量，用动量理论建立喷泵倒航斗模型，在MMG模型的基础上推导出喷水推进穿浪双体船操纵运动模型，并用该模型对实船操纵运动进行仿真，将仿真结果与实测数据进行比较研究。1喷水推进的WPC操纵运动模型本文以MMG分离型数学模型为基础

3、，建立喷水推进控制的穿浪双体船操纵运动数学模型。在文献[3]提供的MMG模型简化形式的基础上将喷水推力TJ在OX轴上的分量XJ、OY轴上的分量YJ和对OZ轴的力矩NJ，取代螺旋桨和舵的水动力和力矩。则喷水推进穿浪双体船的MMG非线性数学模型的运动方程为：(1)2水动力计算进行双体船操纵性计算时，不能简单地把单体船的计算公式套用到双体船上去。本文通过等效公式来建立单个片体和整个船体二者之间的附加质量和水动力系数之间的关系。这样，可用一般船舶的操纵性理论和公式来研究穿浪双体船的操纵性问题。2.1附加质量2.1.1单片体附加质量求解物体附加质

4、量，关键是要求解出扰动速度势[4]。按Green函数法[5]，流场内任意点p处的扰动速度势可表示为：(2)图2片体网格划分图根据文献[4]本文应用面元法对（2）式进行求解。首先在深V型片体上顺着来流方向以及垂直于来流方向分割，将片体进行网格划分，如图2所示。在每个网格面元上布置等强度的面源q，面源强度一经确定，即可计算扰动速度势。根据所求扰动速度势，按势流理论得物体附加质量为[4]：(3)编写边界元法数值计算程序，通过椭球体验证了程序的正确性。用程序计算了5组不同网格数的单片体附加质量系数结果如表1。从计算结果可以看出，随着网格数的不断

5、增加，m22、m66数值计算值逐渐变小，m11数值计算值逐渐变大,且计算结果随着网格数的增加逐渐趋于稳定状态，表明了该计算程序是稳定的。这也说明：网格划分得越细，数量越多，对计算结果精度的提高是有益的。表1附加质量系数计算结果网格数附加质量系数600800100012001400K11*(10-2)0.12790.14410.15330.15550.1585K22*(10-1)0.88170.67380.59170.58880.5845K66*(10-2)0.32760.31020.30120.29840.29832.1.2穿浪双体船附

6、加质量对于穿浪双体船附加质量等效问题，本文利用两个球垂直于它们的中心连线运动时动能的已知解来近似确定[6]，因此，穿浪双体船的附加质量M11可根据单片体的附连质量m11按下式求得：(4)同样，双体船横漂时的附加质量M22为：(5)双体船相对于通过重心G的垂直轴之附加惯性矩M66，根据一个片体的力矩m66和一个片体的附加质量m11按下式确定：(6)2.2水动力导数粘性水动力包括线性和非线性两部分，理论计算粘性流体动力还不完善。本文用井上模型[7]对片体粘性水动力进行近似计算。然后通过“影响系数”[8]将单片体水动力导数折合成穿浪双体船的粘

7、性水动力。即：双体船横向水动力系数Ystotal和垂向力矩系数Nstotal的一半，与单独一个片体的横向水动力系数Ys和垂向力矩系数Ns的比为：，(7)其中：α1与α2称为“影响系数”。α1、α2可在模型试验的基础上由下面的万能经验公式来计算：（8）式中：相对间隙。从文献[8]可知，纵向水动力导数应该是片体间距的复杂函数，当相对间隙较大时，可假设片体间的相互作用对纵向水动力导数的影响不大，此时双体船的纵向水动力导数可按单个片体纵向水动力导数的两倍进行计算。3喷泵推力分析3.1喷泵推力计算根据动量理论，喷泵在船后发出的有效推力[9]：(9

8、)式中—海水密度；—喷泵流量；—喷口流速；—进口流速；—船速；—动量系数。求解式（9）中的推力，必须先求出推进水泵的流量Q。根据喷泵特性可知：某一推进水泵的具体工作点由该工况下推进水泵所能提供的压头曲线和推