流体动力学与船舶
船舶原理(2)
1）水线面面积静矩（对船中）
半宽值(m)
站号
L2 bp 20 ( X f ) AW x y ( x) dx 200 0
L 2
2）水线以下横剖面面积静矩（对基线）
型吃水(m) 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0.00
1、船长
（4）设计水线面长度LWL——设计水线面前后 两端之间的距离。 （5）登记长度LR——量自龙骨板上缘的最小 型深的85％处的水线长度的96％，或沿该水线 面从首柱前缘量到上舵杆中心线的长度，两者 取较大者。
第一节 船舶主尺度、主尺度比和船型系数
2、船宽
（1）最大船宽Bmax——包括外板和永久性突出 物在内的船舶最大宽度。 （2）型宽（Moulded breadth）B——设计水线 面的最大宽度，不包括外板及其他突出物。 （3）登记宽度BR——船舶的最大宽度处的宽 度，包括两舷外板，但不包括固定突出物。
Z c Am 2 z y( z ) dz
0
d
5.00
10.00
15.00
半宽值(m) 20.00
第三节 船体近似计算
一、船体静水力计算的基本内容
3、求型排水体积
W
L
Vm Aw ( z ) dz
0
L 2
d
Vm L Am ( x) dx
2
第三节 船体近似计算
一、船体静水力计算的基本内容
2、求体积静矩
W
L
M YOZ X b Vm L x Am ( x) dx
加强流体力学技术研究引领船舶海洋工程创新
加强流体力学技术研究引领船舶海洋工程创新摘要:随着国际形式的复杂变化、国际交往与运输的频繁以及国内陆路交通的形势严峻。
通过流体力学技术研究提高船舶海洋工程的创新,爱我海疆、强我国防利用科学的流体力学技术打造最完美的战舰、鱼雷、大型货轮、客轮等客货军用船舶。
用最快的航速、最重的承载、最先进的功能完善我国海洋工程学术领域。
关键词:流体力学技术研究船舶海洋工程创新1 流体特性对船舶的影响船的出现已有数千年的历史,从独木舟到万吨客货船,从艨艟战船到航空母舰,不论大小、简繁,它们都属于传统的排水型船。
船舶在保证承载力的同时很难满足运行速度,船舶的运行速度内部是以发动机械为主,外部的流体抗阻力的设计也是决定船舶航行速度的主要原因。
要提高船舶克服海水液体阻力、气流阻力就要从流体力学的特性开始分析。
流体力学的物理状态是依靠物体物理浮力稳定性做应力支撑点,物体在运动中于液体和气体产生摩擦造成大量无规则热运动时分子变化的总称。
流体是由大量的、不断地作热运动而且无固定平衡位置的分子构成的,流动性和没有固定形状是它的基本特征。
因为流体具有一定的可压缩性,在流体的形状改变时,流体各层之间也存在一定的运动阻力简称粘滞性。
当流体的粘滞性和可压缩性很小时,可近似看作是理想流体,它是人们为研究流体的运动和状态的基本参考指数。
根据粘滞性数值我们可以计算出物体在运动过程中所受到的阻力(气流阻力、液压阻力、)物体在克服阻力状态下运行的航速就是我们研发的主要课题。
随着近几年研发的“消波型高速船”就流体力学实践应用的一个成功案例。
消波型高速船属于圆舭型船,但与常规圆舭艇的型线有较大的差别,底升角比常规圆舭艇的大,最大船宽位于尾部以减少舭涡,且具有较长的尾压浪板以消除尾波等特点。
在船舶主要要素相同条件下,剩余阻力比常规圆舭艇降低10%～20%左右,总阻力降低6%～12%左右。
通过消波型高速排水型船船模试验及实船试航资料,运用回归分析方法得到估算剩余阻力系数的回归值,我们可以清楚的看到同等承载吨位的船舶,在同等气候条件下运行,其速度方面具有明显的优势。
船舶航行中的流体力学特性及其建模仿真
船舶航行中的流体力学特性及其建模仿真船舶的流体力学特性是研究船舶航行性能和操纵特性的重要方面。
通过对船舶在水中的运动过程进行建模仿真，可以帮助我们更好地理解船舶航行中的流体力学特性，并提供指导船舶设计和运营的依据。
本文将探讨船舶航行中的流体力学特性以及相关的建模仿真方法。
一、船舶航行中的流体力学特性1. 水动力学基本原理船舶航行过程中的水动力学基本原理包括牛顿第二定律、阻力与推进力平衡、浮力原理等。
牛顿第二定律描述了物体受力导致的加速度变化，对于船舶来说，牛顿第二定律可以用来描述船舶在水中的运动过程。
2. 水的阻力与推进力船舶在航行中会遇到水的阻力，这是由于船体与水之间的摩擦以及水流的阻力导致的。
推进力是指使船舶前进的力，可以通过螺旋桨或者推进器产生。
船舶设计中需要考虑最小化阻力并最大化推进力，以提高船舶的航行效率。
3. 浮力与稳定性浮力是指船舶在水中受到的向上的浮力，根据阿基米德原理可知，浮力等于船体排开的水的重量，船舶的浮力要大于或等于船体的重力，才能保证船舶能够浮在水面上。
船舶的稳定性也是航行中需要考虑的重要因素，船舶设计时需要保证船体的稳定性以确保船舶在海上航行时不易倾覆。
二、船舶流体力学建模仿真方法1. 数值模拟方法数值模拟方法是一种通过数值计算来模拟船舶流体力学特性的方法。
常用的数值模拟方法有CFD（Computational Fluid Dynamics）方法。
CFD方法基于物理原理和数学模型，在计算机中进行流体的数值模拟，可以模拟船舶在水中的运动过程。
通过CFD方法，可以计算船舶的阻力、流场、波浪、流动分布等信息，为船舶设计提供重要参考。
2. 片面力模型片面力模型是一种简化的船舶流体力学建模方法，通过建立船舶船体与水的相互作用力模型，来分析船舶在水中的运动特性。
常用的片面力模型有TVP（TVP）方法、CDG（Compliance Derivative Guidance）方法等。
这些模型可以通过简化船舶在水中的运动过程，得到船舶的力学特性，为船舶设计和控制提供指导。
舰船水动力性能研究及其在设计中的应用
舰船水动力性能研究及其在设计中的应用舰船是国家海洋力量的象征，所以其设计与制造一直是军事科学技术的重要领域。
作为舰船设计过程的重要组成部分，水动力性能的研究与优化已成为海洋工程领域的难点和热点问题。
水动力性能是指船在水中运行时所受到的各类阻力、推进力和流体力学效应等因素的影响。
例如，重载电子导弹驱逐舰就需要具备较强的加速性能和超过20节的高航速，以适应现代化特战需要；而补给舰则需要具备较低的阻力和较高的传动效率，以便能够长时间巡航。
舰船水动力性能的研究内容主要包括：船体的流体力学性能、船舶动力学性能、推进性能、操纵性能等。
1. 船体的流体力学性能船体的流体力学性能是指船体在运行过程中，与周围水体之间产生的各种相互作用，如阻力、流场分布、气泡、压力脉动等水动力现象的研究。
流体力学性能的研究对于船舶的性能、控制和设计都具有重要的作用。
如在设计新型舰船时，科学地评价船体的流体力学性能可以节省一定的生产成本，降低交船完成时间。
同时，研究船体的流体力学性能也有助于提高船舶的速度性能和耐波性能。
2. 船舶动力学性能船舶动力学性能主要是指船舶在水中运动过程中所受到的各种力学影响和变化，如浪陡型、姿态、加速度等。
船舶动力学性能的研究有助于评估航速性能和船舶姿态，进而指导航行和能源使用等方面。
对于大型军舰，动力学性能评估也是一个关键问题。
船舶在海上要面临着复杂多变的海域和气候环境，而唯有考虑一些船体的动力学参数，方可更好地维持航行方向，避免受到外界风力和海浪等影响。
3. 推进性能推进性能主要是指船体的推进方式和方法及效率等问题。
对于各种类型的舰船，在选择船体动力方面，需要根据不同的载重和航速等运输条件采用最为合理的动力配置。
推进效率直接影响船体能源利用和航速等技术性参数，因此在推进性能的评估方面，需要根据现代先进的流体力学方法和数值模拟技术，通过模拟分析和实验验证，来评估船舶的推进效率。
4. 操纵性能操纵性能主要是指船体在海面上的航行及航向操纵等方面的性能。
船的数学知识-概述说明以及解释
船的数学知识-概述说明以及解释1.引言1.1 概述船的数学知识是船舶工程领域中的重要内容，通过数学知识的运用，可以深入理解船舶的运行原理和设计特点。
本文将介绍船的浮力原理、稳定性计算以及船舶运动的数学模型，通过这些内容帮助读者更好地理解船舶工程中的数学知识。
同时，本文也将探讨船舶设计与数学之间的关系，展望未来船舶工程领域在数学方面的发展前景。
通过本文的阐述，读者将能够更全面地认识船的数学知识，并对船舶工程领域有更深入的了解。
1.2 文章结构文章结构部分：本文将以船的数学知识为主题，分为引言、正文和结论三个部分。
在引言部分，将对船的数学知识进行概述，并介绍文章的结构和目的。
接着在正文部分，将详细介绍船的浮力原理、船的稳定性计算和船舶运动的数学模型。
最后，在结论部分将总结船的数学知识的重要性，探讨船舶设计与数学的关系，以及展望未来的发展方向。
整个文章将全面展示船的数学知识在船舶设计和运行中的重要作用，为读者呈现一幅全面的船舶数学之美。
1.3 目的本文旨在深入探讨船舶领域中数学知识的重要性和应用。
通过分析船的浮力原理、稳定性计算以及船舶运动的数学模型，我们将展示数学在船舶设计、运输和航行中的关键作用。
同时，通过本文的研究，我们希望读者能够更全面地了解船舶领域的数学知识，提高对船舶设计和运行过程中数学建模和计算的理解和应用能力。
通过对船的数学知识的深入研究，不仅可以帮助读者更好地理解船舶行为和性能，还可以为未来船舶设计和航行技术的发展提供有益的启示和指导。
2.正文2.1 船的浮力原理船的浮力原理是一个基本的物理概念，它解释了为什么船可以漂浮在水面上。
根据阿基米德原理，船的浮力等于所排开水的重量，也就是说船体受到的浮力大小等于船体所在水中排开的水的重量。
当船体浸入水中时，水会向四周流动，形成一定的动态压力。
这个动态压力的分布会使得船体表面上下的压力不同，从而产生一个向上的浮力。
这个浮力的大小取决于船体的形状和浸入水中的深度，一般来说，船体越大，浸入水中的深度越大，所受到的浮力就越大。
船舶动力学与操纵性能分析
船舶动力学与操纵性能分析船舶动力学是研究船舶在不同水体中的运动、力学效应以及受外界影响时的动力响应。
船舶的操纵性能则是指船舶在不同条件下对操纵指令的响应能力和灵敏度。
本文将对船舶动力学及其操纵性能进行分析与讨论。
一、船舶动力学分析船舶动力学分析是研究船舶在液体介质中受到的各类力学效应。
主要包括以下几个方面：1. 流体阻力：船舶在水体中运动时，会受到阻力的影响。
阻力的大小与水体的黏性、船舶的外形、速度等有关。
2. 惯性力：当船舶受到外力作用时，会产生惯性力，使船舶发生运动。
例如船舶的加速度、减速度等。
3. 水动力效应：船舶在水中前进时会产生侧滑、纵向力和横向力等水动力效应，影响船舶的稳定性和操纵性。
4. 波浪力：在海洋或湖泊中航行时，船舶会受到波浪力的影响，产生起伏和摇晃。
二、船舶操纵性能分析船舶操纵性能是指船舶对操纵指令的响应能力和表现出的灵敏度。
良好的船舶操纵性能对于船舶的安全和操作效率至关重要。
下面分析几个影响船舶操纵性能的因素：1. 转向性能：船舶在转向时需要良好的稳定性和灵活性。
相关因素包括船舶的操纵设备、舵的设计和位置、船舶的结构等。
2. 加速性能：船舶在加速时需要有较好的推进力和动力性能，以便快速响应操纵指令。
3. 刹车性能：船舶在减速或停止时需要有有效的刹车装置和刹车性能，以确保船舶的安全停靠。
4. 效益性：良好的船舶操纵性能还应考虑船舶的燃油消耗、航速与操纵指令的关系等问题。
三、船舶动力学与操纵性能的优化要优化船舶的动力学和操纵性能，需要综合考虑船舶的设计、结构、动力系统等方面的因素，下面列举几个优化的方向：1. 船舶外形设计：通过减少船舶的阻力，改善船舶的流线型外形，可以提高船舶的运动效率和操纵性能。
2. 推进系统优化：船舶的推进系统是关键的动力装置，优化推进系统的结构和性能，可以提升船舶的加速性能和操纵性能。
3. 操纵设备改进：改进船舶的操纵设备，包括舵、操纵系统等，可以提高船舶的转向性能和灵敏度。
船舶设计航速计算
船舶设计航速计算船舶设计航速计算是船舶设计中的重要环节之一。
船舶的航速是指船舶在水中航行时的速度，是船舶设计的关键指标之一。
船舶设计航速计算的准确性和合理性直接影响到船舶的性能和经济效益。
船舶设计航速计算的基本原理是基于流体力学和船舶动力学的理论基础。
船舶在航行过程中会受到水的阻力、船体阻力、推进器推力等多种力的作用，船舶的航速是在这些力的相互作用下得出的。
为了准确计算船舶的设计航速，需要考虑船体的形状、尺寸、航行条件、船体与水的相互作用等因素。
船舶设计航速计算的方法较多，常用的方法有以下几种：1. 经验公式法：基于大量的航行数据和船舶设计经验，通过统计分析建立了各种船型的经验公式。
这种方法适用于常规船型的船舶，可以通过输入船舶的参数来计算航速。
2. 模型试验法：通过对船舶进行模型试验，测量船舶在不同航速下的阻力和推力等参数，然后根据试验数据进行分析和计算。
这种方法适用于船型复杂或特殊的船舶设计。
3. 数值模拟法：利用计算机进行数值模拟，通过求解流体力学方程和船舶运动方程，模拟船舶在水中的运动过程，计算船舶的航速。
这种方法适用于船型复杂或特殊的船舶设计，可以提供更准确的航速计算结果。
船舶设计航速计算的关键是确定船舶的阻力和推力。
船舶的阻力包括摩擦阻力、波浪阻力和气动阻力等，需要根据船体的形状、尺寸和航行条件等参数来计算。
船舶的推力则与船舶所采用的推进器的性能有关，需要考虑推进器的推力特性和效率来计算。
船舶设计航速计算还需要考虑船舶的航行条件，包括航行水域的水动力特性、风速、波浪等因素。
这些因素会影响船舶的航行性能和航速，需要进行综合分析和计算。
船舶设计航速计算的结果将直接影响到船舶的设计和性能评估。
在进行船舶设计时，需要根据船舶的任务和航行条件来确定合理的航速要求。
船舶的航速过高可能会增加船舶的阻力和能耗，降低船舶的经济性能；航速过低则可能无法满足船舶的任务需求。
因此，船舶设计航速计算的准确性和合理性对于船舶设计和运营至关重要。
船舶设计中的流体动力学分析
船舶设计中的流体动力学分析在船舶设计领域，流体动力学分析是一项至关重要的工作。
它就像是船舶航行的指南针，为船舶的性能、效率和安全性提供关键的指导。
当我们想象一艘船舶在大海中航行时，可能会觉得它只是简单地破浪前行。
但实际上，船舶与周围水流的相互作用极其复杂。
船舶在水中移动时，会产生阻力，影响其速度和燃油消耗；同时，水流对船舶的稳定性和操控性也有着深远的影响。
而流体动力学分析的核心任务，就是深入研究这些复杂的相互作用，为船舶设计提供科学依据。
首先，让我们来了解一下船舶所面临的阻力。
船舶在水中前进时，会遇到多种类型的阻力。
其中，摩擦阻力是由于船体表面与水的摩擦而产生的。
船体表面的粗糙度、长度和湿表面积等因素都会对摩擦阻力产生影响。
形状阻力则是由于船体形状导致水流分离而产生的。
一个设计不良的船体形状可能会引起大量的水流分离，从而显著增加形状阻力。
兴波阻力则是船舶在水面航行时产生的波浪所带来的阻力。
船舶的速度、吃水深度和船型等都会影响兴波阻力的大小。
为了准确计算这些阻力，流体动力学分析采用了多种方法和技术。
计算流体动力学（CFD）就是其中一种强大的工具。
通过建立数学模型和数值模拟，CFD 可以模拟船舶周围的水流场，计算出各种阻力成分，并预测船舶在不同速度和工况下的性能。
在船舶设计的早期阶段，设计师们通常会依靠经验公式和模型试验来初步估算阻力。
这些经验方法虽然简单快捷，但往往精度有限。
随着计算机技术的飞速发展，CFD 逐渐成为船舶设计中不可或缺的手段。
它能够提供更详细、更准确的流场信息，帮助设计师优化船体形状，降低阻力。
除了阻力，流体动力学分析还对船舶的稳定性和操控性起着关键作用。
船舶的稳定性包括横稳性、纵稳性和方向稳定性等方面。
流体动力学可以分析水流对船舶重心和浮心的影响，评估船舶在不同装载条件和海况下的稳定性。
例如，当船舶遭遇侧风或横浪时，水流的作用力可能会导致船舶倾斜甚至倾覆。
通过流体动力学分析，设计师可以优化船舶的外形和内部结构，提高其稳定性。
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采用计算流体动力学(CFD)技术实现在船舶设计阶段对船舶水动力性能的精确预报，是船舶水动力学学科中一个具有重大理论和实用意义的、富有挑战性的课题。
近十年来，随着船舶CFD计算方法和计算能力的发展，数值预报精度不断提高，其对船舶优化设计的指导作用也日益突出，并有与船模试验并驾齐驱、取代部分船模试验的趋势。
三维船舶粘性流计算方法，具有准确捕捉船体周围粘性流动细节包括船模试验难以测量的流动形态的能力，已成功地应用于船舶快速性方面的阻力预报；在船舶操纵性方面，这类方法虽处于初始发展阶段，但也已获得重大进展，具有精确预报船舶操纵水动力的潜力。
本文即在这种背景下，瞄准船舶操纵水动力预报方面的国际前沿和热点课题，通过对现代船舶粘性流计算方法的研究，自主开发了一个船舶操纵粘性流求解器，并将所开发的求解器成功地应用于一系列和船舶操纵问题相关的粘性流动与水动力计算，得到了令人满意的结果。
本文选取RANS方程作为控制方程，并用标准κ-ε湍流模式结合壁函数封闭方程；分析了常用的边界条件，特别是入流边界条件、壁面边界条件和轴边界条件，提出了处理这些边界条件的方法；在分区结构网格上，运用有限体积法(FVM)对RANS方程进行离散，其中，对流项采用混合迎风、中心差分格式，扩散项采用中心差分格式，源项采用中心差分格式并进行部分隐式化以增强离散方程系数矩阵主对角占优；压力、速度等采用非交错配置，并用SIMPLE法耦合求解；对离散后得到的代数方程组选用稳定和收敛性能佳的强隐式法(SIP)迭代求解，并在每步迭代之前对线性方程的矩阵系数进行亚松弛预处理以增强求解的稳定性；为提高数值解的稳定性和收敛性，采用了多重网格法。
基于上述方法，采用C++程序设计语言，研究和开发了一个船舶操纵粘性流求解器(VSMAN)。
应用所开发的求解器，以NACA0015翼型舵为算例计算了船舵在不同雷诺武汉理三「;大学博士学位论文数下大舵角范围内的三维粘性流场及水动力，成功地预报了舵的失速角和最大升力，并初步探讨了雷诺数对舵水动力的影响;计算结果与现有试验和计算数据比较，吻合程度相当好，初步检验和验证了该求解器精确模拟粘性流动和计算水动力的能力。
应用所开发的求解器，以6:1长椭球体为算例计算了回转体在大攻角下定常斜航运动时的三维粘性流场及水动力，对层流流动和湍流流动分别进行了计算，分析了层流与湍流分离流动和涡旋产生的特点及其对水动力的影响;计算结果与他人的试验和计算数据比较，吻合程度良好，表明应用本求解器能够正确模拟这种以层流/湍流分离流为主的复杂粘性流动，得到相当精确的水动力，检验和验证了该求
解器精确模拟回转体在大攻角下的粘性分离流动和计算水动力的能力。
应用所开发的求解器，以wigley船型为算例计算了大角度斜航船体粘性流场和水动力，分析了漂角的变化对船体所受到的粘性水动力的影响，相当精确地
预报了以横流分离和般涡生成与泄出为特征的操纵运动船体特有流动形态及横向水动力和转脂力矩，经与现有试验和计算数据比较，检验和验证了该求解器精确模拟绕斜航运动船体的大尺度分离流动和计算非线性水动力的能力。
利用两个开放源代码的软件库FOX和VTK，设计开发了一个高效、友好的船舶CFD可视化系统(SCFDVS)，实现了以多种方式绘制ZD/3D几何体和计算网格、ZD/3D标量场和矢量场的功能，并在本文计算的前、后处理过程中得到了成功的应用。
本文完成的工作缩短了我国在船舶操纵水动力预报方面与国际先进水平的差距。
由于操纵运动粘性流动的复杂性，粘性流方法目前在船舶操纵水动力计算领域的开发与应用尚处于初始发展阶段，其应用能力和计算精度还不能满足工程实用的要求。
本文在研究基础薄弱、研究条件差的情况下对船舶操纵粘性流动及水动力计算进行了有益的探索，取得了一定的成功，但仍有许多问题值得进一步探讨和研究。