全垫升式气垫船水压场数值模拟

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2、3卷第l期海军工程大学学报Ⅷ．13Nol2001年2月OFNAvLU町vl矾S玎YOFⅡ忙咖Feb．2∞1文章编号：1009—3486(2001)0l—OOO7—04全垫升式气垫船水压场数值模拟刘巨斌，肖昌润，郑学龄(海军工程大学基础部，湖北武汉430033)摘要：提出了任意分布的气垫压力所产生的水压场的计算方法．对椭圆域上均匀分布的气垫压力产生的水压场进行了数值模拟，井将计算结果与实验进行了比较．结果表明，用数值模拟的方法研究奎垫升式气垫船水压场是可行的关键词：气垫船；水压；数值模拟中围分类号：U674．94

3、3文献标识码：A气垫船水压场的形成机理与普通排水型舰船水压场是不同的．排水型舰船在水中航行时，由于船体对水的排挤，形成绕船体的流场，引起船体周围压力的变化，形成水压场．气垫船除了由于气垫对水面的压力，使水面有小的变形外，没有对水的排挤．与排水型舰船水压场相比，气垫船水压场具有水压场量级小的特点，能够在布有水压水雷的海域航行或进行扫雷作业．为了有效防范与抗击气垫船，或进行水压引信设计，对气垫船水压场进行研究十分必要．对普通排水型舰船水压场已有较多研究，而对于气垫船水压场的研究，国内外所见报导不多．文献[1]对气垫

4、船水压场进行了综述，并进行了初步计算和实验研究。本文提出了任意分布的气垫压力引起水压场的计算方法，据此可以考虑气垫内外压力分布的连续性．对椭圆形上均匀气垫压力产生的水压场进行了数值计算，计算结果与实验结果符合较好，表明用数值方法研究气垫船水压场是可行的．1控制方程和边界条件设气垫船以均匀速度c在深度为日的海域作直线运动，将坐标系建立在气垫船上，轴与气垫船运动速度c相反，轴铅直向上，Y轴水平，原点O位于船的中纵剖面、中横剖面和未受扰动的水面交点，O、、Y、：构成右手正交系．在oxyz坐标系中观察，流动是定常的，在

5、一一处，水流以速率c沿+轴方向流向气垫船．根据线性水渡理论，扰动速度势(，y，：)满足方程：O—x2++砻：o(L，y，∈nJ』式中：n是流体流动区域．在自由表面上满足线性化的自由表面条件：旦+：一：o(2)gdxg0式中：g是重力加速度；p0是水面上的气垫压力。在水底满足：收稿日期：1990-1l-18；修订日期：2000-07-IO基金项目：国防科技预研基金资助项目(95JI3B51．]BI101)作者简介：刘巨斌(1964一)，男，副教授，博士，海军工程大学学报第13卷誓：0z：一H(3)dZ另外还要满足

6、辐射条件以保证远前方无波：1～丽—。(4)文献[2]给出了满足(1)～(4)式的解．方向扰动速度由=O~／3x给出根据理想流体的贝努里方程，由小扰动理论可得流场中一点的扰动压力为：Ppcv据此可计算出气垫船在海底z=一H处产生的水压场P女．2矩形上均匀气垫压力的水压场当气垫压力以常压P分布在长为L0：2L(沿方向)、宽为，=2rL(，为宽度与长度之比)的矩形域时，水底(=一日)扰动压力与气垫压力之比经推导可得：出P：一孥(，1+，2)(5)c。一一式中：n(cos0)sin(sin0)c0s(c0s)c0s(i

7、；』[VPJ(tan一，镛cos20)cossin(koLeos0)sin(rk0Lsin0)sin(koxcosS)cos(k0ysinO)：』tanOdO(1／eosh2ko—F~cos2O)coshko％式中：VP表示求积分主值，Z=L／H，=x／H，=y／H，=koH，为方程cos20一tan=0(<0<号)的正实根．3任意形状、任意分布的气垫压力诱导水压力场的计算如图1所示，当气垫压力为分布在一非规则区域上的任意函数时，可分别用与轴和Y轴平行的等间距网格线将区域离散成许多小单元，其中绝大多数为矩形单元

8、，周围部分单元为非规则单元．对非规则单元，也可以逐一单独进一步细分成更小的矩形单元．当网格线密度较大时，周围非规则单元的影响较小，可以简单地去掉，只考虑中问部分的矩形单元．对每一矩形单元i，其形心为(，y)，半长为，半宽为，无量纲化以后分别为(，)，，．其上分布的气垫压力可认为是常数P，单元i上的气垫压力在水底点(，y，一日)处产生的水底扰动压力P可由(5)式算出，这时以局部坐枥=(一