水翼船与机翼理论
水翼船与机翼理论
水翼船与机翼理论1. 引论水翼船在翼载状态通常有良好的耐波性，所产生的余波小，由于入射波引起的速度损失也小。
对于全浸式水翼系统，这些优点尤为显著。
水翼的设计工况一般是亚空泡状态，然而，空泡产生的可能性仍然是一个重要的问题。
讨论中，架设水翼无空泡。
Johnston指出，在选择全浸式水翼系统中的水翼和支柱的结构布局时，有如下一些重要的方面：（1）保持航向稳定性和横摇稳定性。
（2）当水翼露出水面时，能够稳定的恢复到浸没状态。
（3）恶劣海况下航行性能温和的趋向恶化。
（4）安全性。
设计者力图使水翼的升阻比和空泡初生时的航速最大化。
而满足结构要求的条件下，必须实现支柱—水翼系统质量的最小化。
以下首先描述水翼船的主要特征和重要的物理特性。
其次是对机翼理论进行详细讨论。
想用数值方法预报水翼船在波浪中以及在启航和操纵过程中的定常特性和非定常特性，机翼理论是一个必要的基础。
机翼理论的描述，将从介绍基于源，汇和偶极分子的边界元方法开始；这个方法可以考虑非线性理论，三维流动，水翼和支柱的相互作用以及自由表面效应。
再次讨论线性理论，线性理论的优越性是，可以更容易地看出攻角，拱度，襟翼和三维流动，如何影响水翼的升力和阻力。
此外，还要讨论自由表面和水翼的相互作用如何影响水翼的定常升力和阻力；这项分析有实验结果的论证。
最后讨论由于入射波浪引起的非定常情况；这将用于计算一个翼载状态的水翼船，在遭遇迎浪规则波或规则波时的垂荡和纵摇运动。
2.水翼船的主尺度图1.1还给出了一个带襟翼的全浸型水翼系统的例子:前支柱用于转向操纵，喷水推进则和后翼布置组合在一起。
喷水系统有一个喷压式的入水口，内部的管道经过内支柱，然后水从船尾喷到空气中，许多现有的水翼船都装有襟翼，它们用于控制纵倾和图1.2给出了各种类型的水翼布局。
表1.1和表1.2分别给出了单体划割自由面型和全浸型水翼船的主要尺度。
3.物理特征3.1 水翼航行状态的静态平衡在翼载状态下，船的重量由水翼系统提供的定常升力来平衡。
机翼理论
3）过 c 的二曲线1c, 2c 与 轴的夹角分别为1 、1 1 ，点1, 2
与2 c 的连线与实轴夹角为2，2 ，近似2 0 ，2 对于z 平面，设z1, z2 为1, 2 的对应点，z12 c,
2 。 x
z2 2 c 与
v2 b
4．空气动力学特性曲线 1）升力系数Cl 与攻角 关系曲线Cl ~
Cl ~ 曲线在实用范围内，近似成一直线，在较大攻角时，略向下弯 曲，当达到最大值后，则突然下降。飞机如在飞行时遇到这种情况，则有 坠毁的危险，这一现象称为“失速”。
“失速”与机翼上表面的气流在前缘附近发生分离现象有关。对一般的 翼型最大升力系数约1.2 ~ 1.5 ，相应角度10 ~ 15 ，飞机的起飞，降落性能与这 个值有关。
第三节 保角变换法
保角变换法（映射）方法的基本思想可简述如下：
将 平面的圆域C 借助于解析函数z f ( ) 变换到z 平面的域Cz ，C 的外区
域对应于Cz 的外区域。由于圆柱绕流问题的解是已知的，于是任意物体绕 流问题的解也可求出来。
这一变换的目的是由 平面的已知流动求z 平面的未知流动。
1
，
点 z1, z2 与 2 c 的连线与实轴夹角为2，2 ，近似2 0 ，2 2 。
由（3）式可得：
1 2 2(1 2 ) 1 2 2(12) 将2 0，2 2 ，2 0 ，2 2 代入，得：
翼型前、后缘的曲率半径，分别以rl ，rt 表示。
相对值：
rl
rl b
rt
rt b
如尾部非圆形而是尖的，以上下弧在尾缘的切线交角 表示，叫后缘角。
以上是表示翼型几何特性的几个主要参数，它们决定了翼型剖面的几 何特性。
为什么水翼船的航速很快
为什么水翼船的航速很快水翼船是一种结合了飞机和船只设计的船舶，它利用水面效应和翼面升力的原理使得航速比其他类型船只更快，同时还具有稳定性和节约能源等优点。
本文将为你详细阐述为什么水翼船具有如此快的航速。
一、水面效应水面效应是水翼船快速航行的重要原理之一。
水面效应（Surface Effect）又叫缩短水线效应（SES），是指船舶在接近水面时将船体下部与水面之间的空气压缩，利用空气体积缩小来减少了浮力面积，从而使船只在水面上获得增大的浮力和减小的阻力，从而提高了船只在水中的速度。
利用水面效应可以让水翼船的下部缩短至最小，比传统船只的水线更短，从而减少了水与船底的摩擦，降低阻力，并且浮力增大，让水翼船在水中行驶时，相比于其他船只，需要消耗更少的能量，保证了高速行驶时的动力。
二、翼面升力翼面升力是水翼船另一个重要的原理。
翼面结构是水翼船最重要的设计元素之一。
水翼船的翼面设计可以提供额外的升力，并且产生与升力大小成比例的阻力，从而推进飞航器，加速航行速度。
翼面升力理论是基于伯努利原理（Bernoulli's Principle）。
伯努利原理提出了气体在高速流动时压力低的规律。
在水翼船的设计中，采用了弧形翼面，它通过利用底面和顶面的不同形状产生的速度和压力差，受到气流上压力的排挤，产生下拉力，这就是升力（lift）。
翼面升力在水翼船的航速中起着很大的作用。
船体通过翼面升力可以减少船体与水面的接触面积，实现快速行进，达到了更高的航速，让水翼船在水中行驶更加快捷，节省时间，提高经济效益。
三、稳定性在水中行驶的船只，稳定性是必须考虑的因素之一。
水翼船采用翼面设计，相较于传统船只来说，具有更高的稳定性。
设在船体两侧的翼面，可以让船只更加稳定。
通过翼面的设计，使得船只在行驶时保持平衡，减小了侧倾的可能性，提高了船只的稳定性。
在极端的天气条件下，船只也非常健壮，能够顶住巨浪和风浪，稳定性更强，降低了安全风险。
第十二章 机 翼 理 论
（１２－３６）
沿展向积分得整个自由涡在y 处的诱导速度：
W 1
l 2
( )d
4 l2 y
（１２－３７）
当y=, 上式为旁义积分,取主值为：
l 2
( )d
lim[
y ()d
l 2
()d ]
l2 y
y 0 l 2
y y
上式近似有 Vk V0
1 (W )2 V0
V0
矢径的斜率，为该
攻角下的升阻比 Ｋ＝CL/CD
四、俯仰力矩系数
定义为：
CM 0
1 2
M0
V02lAb
由Ｃmo～α和CL/CD
求压力中心位置
（合力与翼弦交点）
Ｃmo～α曲线 Ｃm1/4～α曲线
优良翼型压力中心位置随攻角改变变化不大， 否则机翼稳定性较差。
§１２-５ 有限翼展机翼 有限翼展机翼：实际上机翼的展弦比均为有限值
4 y
（12－24） 双曲线分布
方向向下
左自由涡产生的沿翼展的 平均诱导速度为：
w 1 l
le
l vzdy
(12-25)
左右因对称，整个机翼下的平均诱导速度为：
w 2 l
le
l vzdy
将（12-24）式代入上式得
(12-26)
w le dy ln l e ln l1 l
l
L V0
2 ( y)dy
合速度大小 Vk V02 W 2
对于小攻角，下洗角Δα为小量，有 tan W V0
宽度为dy的一段机翼的二维升力为 dL Vk( y)dy
按定义升力垂直于来流 dL dL cos V ( y)dy
诱导阻力 dDi dL tan W ( y)( y)dy 整个机翼的升力和诱导阻力
基于机翼理论的新型水轮发电机
新型水轮发电装置， 如图 １ 和图２ 所 示， 它包括
上盖板 、 下底板 、 左 升 力 型转 子 ７ 、 右升力型转子 １ ２
其轴线对称、 并外凸的流线型的弧线组成。如图 ２ 所 和 由左 升力 型转 子与 右 升力 型 转 子驱 动 的变 速箱 和 变速箱和发电机位于承载板上方。上盖板与 示鱼尾转舵板 、 分水体 、 上盖板与下底板之间构成的 发 电机 ，
图 ２为沿图 １ 中Ａ — Ａ向的剖视示意图。如 图 ２ 连转子为 ‘ 七型多叶片转子 ，其能量来源为水流 下 力及其经过叶片时所激发的升力 。其叶片转子 由 幽的立式机翼型小叶片和其 内侧 的大型薄翼叶片 组成 。所述流线型分水体沿其轴线对称的两侧边及 底边为外 凸的弧线。其 中两个转子的驱动轴输出端
电机 ， 其特征是 ： 所述上盖板与下底板各有一个 ， 变 转子的相同端分别 固定安装有等半径 的齿轮 ，所述 上盖板与下底板之 间位 于升力型转子的进水端 固定
收稿 日期 ： ２ ０ １ ２ — ０ ７ — ０ ５
安装有外凸流线型的分水体 ，逆水端 固定安装有鱼
作 者简 介 ： 林康 ， （ １ ９ ９ １ 一 ） 年生， 陕西安康 人 ， 本科 在读 ， 主要 研究方
１ ． １ 新 型水轮 发 电装置 整体 结构
轴， １ 卜承载板 图 １ 水轮 发电装置的主视结构 示意圈
图ｌ 为水流发电装置的主视结构示意 图。新型 水轮发电装置 ， 它包括上盖板 、 下底板 、 承载板 、 升力 速箱和发 电机位于上盖板的上方 ，上盖板与下底板 型转子 、鱼尾转舵机构及 由转子驱动 的变速箱和发 之 间 固定有 两个 逆 向转 动 的升 力 型转 子 ，各 升 力 型
水翼船资料
水翼船在停泊或以低速航行时与普通排水型船一样，也靠浮力支承。
但随着航速的增高，作用在水翼上的水动力逐渐加大，最后可将除水翼、臂架、推进器和舵以外的整个船体升离水面。
这时，湿面积大为减少，船的兴波几乎消失，总阻力大幅度下降。
水翼船的航速很高，服务航速通常为60km/h～80km/h，最高可达100km/h～115km/h。
为尽量减轻重量，水翼船的船体通常用铝合金，水翼用高强度合金钢制造，并用轻型高速柴油机或燃气轮机作为主机。
一般采用水螺旋桨、喷水推进或空气螺旋桨等推进装置。
与普通排水型船相比，水翼船的造价虽较高，但有着航速高、兴波小的优点，适用于内河、湖泊和沿海作高速客船、交通船、巡逻艇用。
水翼船的特点是行驶在空气跟海水的临界面上，以尽量克服水的阻力。
水翼船靠潜在水中的水翼支持而行。
船底的薄片水翼在船停泊时完全没入水中，船开始运动时，水流经过弯曲的水翼，产生上举力，船走得越快，产生的升力越大，当水翼在水中升起时，把船体完全推离水面。
由于阻碍消除，船的速度大大提高，行驶更为平稳。
水翼产生升力的原理与机翼相同。
它们的差别除了介质密度不同外，水翼存在自由表面影响和可能产生空泡。
水翼升力L大小，与水的质量密度ρ、水翼有效面积S、流速V平方成比例。
可用公式表达：L=CLρV2S/2。
式中CL称水翼升力系数。
深浸式水翼的CL取决于水翼的翼型(平凸弓形、凹凸弓形、机翼形等)、平面形状(矩形、后掠形、菱形、两端加宽形等)、展弦比和攻角等主要参数。
浅浸式水翼的CL还和相对浸深(水翼的浸深与水翼弦长之比)有关，当水翼浸深增加时，升力系数变大，反之即减小，这种现象称为“浅浸效应”。
按前后两组水翼升力相对大小，分为鸭式水翼艇、飞机式水翼艇和串列式水翼艇。
鸭式水翼艇，指后翼升力大于65％艇重。
主要水翼面积在尾部，此处水流相对较稳定，受波浪干扰影响较小，艇的耐波性较好，但前翼面积较小，起飞性能稍差。
若艇的重心位置偏后，采用鸭式配置较好。
舰船水翼动力学特性与优化研究
舰船水翼动力学特性与优化研究随着我国航运业的不断发展，对船舶运行效率的要求也越来越高。
作为船舶性能优化的一种重要手段，舰船水翼的研究受到了越来越多的关注。
本文将介绍舰船水翼的动力学特性和优化研究。
舰船水翼的动力学特性舰船水翼是指固定在船体下部的翼型结构，可以提高船体在水中行驶时的稳定性和灵活性。
水翼的运行原理是通过流体动力学的作用，减少水体与船体的摩擦力，降低船体的阻力，提高船舶的速度和经济性。
舰船水翼的动力学特性主要包括升力和阻力两个方面。
升力是指水翼受到流体动压力的作用而产生的垂直上升力，它与水翼的几何形状、运动状态和流体介质的密度、粘度等有关。
阻力则是指水翼从流体中获得的阻力力，这个阻力力既包括水翼本身的阻力，也包括船体的阻力，同时还包括其他因素如水流干扰等的影响。
舰船水翼的优化研究为了进一步提高舰船水翼的性能，研究者们提出了各种水翼优化策略。
这些优化策略主要包括以下几个方面：1.优化水翼的几何形状水翼的几何形状是影响其升力和阻力的重要因素之一。
通过设计合适的几何形状，可以有效提高水翼的升力、降低阻力、减少湍流阻力等。
例如，采用自由翼面的设计方式，可以使水翼在高速航行时减少气动阻力，提高机动性。
2.优化水翼的工艺制造水翼的制造工艺也会影响其性能。
传统的水翼采用钢制或铝制材料制造，而现代水翼则采用更轻的复合材料，提高了水翼的强度和重量比。
此外，采用机器制造可有效保证水翼的几何形状和加工精度。
3.优化水翼的运动状态水翼的运动状态也会对其升阻特性产生影响。
通过调整水翼的姿态、速度等参数，可以优化水翼的升阻特性。
例如，在高速航行时，通过调整水翼的增升角度，可增加升力，减小阻力。
4.优化水翼与船体的配合水翼与船体的配合也是影响水翼性能的重要因素。
通过优化水翼与船体的安装位置、形状等参数，可以使水翼与船体互相配合，提高水翼的性能。
总结舰船水翼的动力学特性和优化研究是当今航海领域的重要研究方向。
通过深入研究各种优化策略，进一步提高水翼的性能，可以有效提高船舶运行效率和经济性。
机翼理论
L = ρU 0 Γ l
2)
Γ=
L 98000 = = 80(m 2 / s ) ρU 0 l 1.225 × 100 × 10
当α=60时, 升力系数为 0.5， 阻力系数为 0.04， 几何
5. 一矩形机翼, 翼展 24m, 翼弦 6m,
攻角不变, 机翼剖面形状不变。求：弦长为 4m时的升力系数和阻力系数。
11.一飞机自重 28000KN, 翼型为NACA23012,机翼面积 40m2展弦比 6 飞行速度为 360km/h， 空气密度位为 1.225kg/m3. 设机翼形状为矩形。 求：1）升力系数 2）下洗角 解：1）升力系数 3）诱导阻力系数.
CL12
CL 2 2
6. 已 知 某 矩 形 机 翼 的 展 弦 比 λ1 =
l = 5 的 机 翼 , 升 力 系 数 为 CL = 0.6 ， 绝 对 攻 角 b l α a1 =10o ,机翼剖面形状、几何攻角不变，当 λ2 = = 4 时， b
求：1）机翼的升力系数， 2）绝对攻角 3）诱导阻力系数， 解：1）根据展弦比换算条件，相似翼型升力系数相同
展长 10m的矩型机翼, 攻角为 8o时, 阻力系数为 0.075, 升力系数为 1.0, 对于
同样形状的机翼，当展弦比为 6 时， 求：1）升力系数 2）阻力系数 3）几何攻角
解: 1）展弦比很接近，不计升力系数的变化，当 λ =6 时仍取 CL = 1.0 2） λ =5 对于 λ =∞ 对于 λ =6 诱导阻力系数
CDi =
C 2L
πλ
三元机翼的总阻力： 又摩擦阻力，形状阻力，诱导阻力三部分组成。 机翼的展弦比换算： 换算条件：在相似条件下进行换算，即要求两机翼的翼型相同、有效冲角相等，雷 诺数相等，则有两机翼的升力系数相等，阻力系数相等。
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水翼船与机翼理论
1. 引论
水翼船在翼载状态通常有良好的耐波性，所产生的余波小，由于入射波引起的速度损失也小。
对于全浸式水翼系统，这些优点尤为显著。
水翼的设计工况一般是亚空泡状态，然而，空泡产生的可能性仍然是一个重要的问题。
讨论中，架设水翼无空泡。
Johnston指出，在选择全浸式水翼系统中的水翼和支柱的结构布局时，有如下一些重要的方面：
（1）保持航向稳定性和横摇稳定性。
（2）当水翼露出水面时，能够稳定的恢复到浸没状态。
（3）恶劣海况下航行性能温和的趋向恶化。
（4）安全性。
设计者力图使水翼的升阻比和空泡初生时的航速最大化。
而满足结构要求的条件下，必须实现支柱—水翼系统质量的最小化。
以下首先描述水翼船的主要特征和重要的物理特性。
其次是对机翼理论进行详细讨论。
想用数值方法预报水翼船在波浪中以及在启航和操纵过程中的定常特性和非定常特性，机翼理论是一个必要的基础。
机翼理论的描述，将从介绍基于源，汇和偶极分子的边界元方法开始；这个方法可以考虑非线性理论，三维流动，水翼和支柱的相互作用以及自由表面效应。
再次讨论线性理论，线性理论的优越性是，可以更容易地看出攻角，拱度，襟翼和三维流动，如何影响水翼的升力和阻力。
此外，还要讨论自由表面和水翼的相互作用如何影响水翼的定常
升力和阻力；这项分析有实验结果的论证。
最后讨论由于入射波浪引起的非定常情况；这将用于计算一个翼载状态的水翼船，在遭遇迎浪规则波或规则波时的垂荡和纵摇运动。
2.水翼船的主尺度
图1.1还给出了一个带襟翼的全浸型水翼系统的例子:前支柱用于转向操纵，喷水推进则和后翼布置组合在一起。
喷水系统有一个喷压式的入水口，内部的管道经过内支柱，然后水从船尾喷到空气中，许多现有的水翼船都装有襟翼，它们用于控制纵倾和图1.2给出了各种类型的水翼布局。
表1.1和表1.2分别给出了单体划割自由面型和全浸型水翼船的主要尺度。
3.物理特征
3.1 水翼航行状态的静态平衡
在翼载状态下，船的重量由水翼系统提供的定常升力来平衡。
对于
全浸型水翼系统，可以得到：
Mg=p/2*C L U2A
此式也用于说明，水翼的平面面积如何随船体大小的增长而增长。
船体重量的增加，对有效载荷产生负面影响，对商业客船来说，是最大载客量的减少。
然而，从结构强度的观点来说，设计水翼—支柱系统，使它的重量相对船体的重量而言，随船体重量的增加而只有轻微的增加，是完全可能的。
为了确定船舶的纵倾角，需要分别考虑首尾水翼的升力系数。
单个水翼的升力系数C L取决于许多参数，如来流的攻角，襟翼角，拱度，厚度，弦长比，展弦比，水翼浸深与最大弦长之比，潜深弗劳德数，来自上游水翼的干扰，空泡数，雷诺数。
水翼表面的其他细节也很重要。
此外，潜深弗劳德数在浅水中，也有很大影响。
图1.5示意地说明了定常升力如何随攻角和襟翼角而变化。
3.2主动控制系统
主动控制系统通常用于全浸式水翼船，以维持船舶在静水中的升沉，横倾和纵倾的稳定性。
该系统也用于操纵控制和降低由波浪引起的加速度及船与波浪在竖直方向的相对运动。
用传感器测量水翼船的位置，用襟翼来抵消位置的变化。
作为主动控制系统的一部分，需要有描述水翼船运动特性的计算机程序。
带有主动控制系统的水翼船，常采用凌波平驰模式和依浪起伏模式。
在长波中采用依浪模式，可使船与波的垂向相对运动降至最低，从而避免水翼的吸气和刮水。
在较短的波浪中采用凌波模式，可使船
舶在竖直方向的加速度降至最小。
3.3空泡
设计在亚空泡条件下的水翼，因为空化问题而使船速限制在50节以下。
当水中的压力等于汽化压力，即接近零时，空泡就会出现。
空化的后果一个是，水翼的材料迅速破坏和水翼的举升能力极大降低；另一个是水翼上的阻力增加。
因为空化时伴随噪音产生，当空泡可能造成破坏时，人们在船上就可以听到。
以下将通过研究一个有襟翼的二维水翼周围的压力分布（见图1-8），来阐述在水翼上出现空泡的可能性。
总压力可表示为：P=P a+ρgh+ρ/2*U2(1-(U L/U)2)
为了减小空化的可能性，沿水翼的压力分布应该比较平坦，即没有很突兀的局部压力极小值。
用给定水翼的无空泡斗曲线可以判别空化的可能性。
用图1.8的例子来说明这个计算过程。
引入压力系数
C p=(p-p0)/0.5 U2
如果最小压力小于或等于汽化压力，空化就会在水翼上的某点发生。
为了延缓空泡，而对尾水翼做出恰当设计时，需要求出首水翼在尾水翼上产生的下洗速度。
图1.13展示了数值计算的下洗速度。
3.4 从壳载到翼载状态
设计时要重点考虑的是，推进系统要有足够的功率和效率来抬升船体，使之达到翼载状态。
当使用喷水推进时，这是要特别关注的地方。
图1.15所示的推进器推力曲线对应于一个设定的功率。
从中看出，
推力随航速的增加而减小。
这里同时使用了常规螺旋桨和喷水推进器。
注意到，在图1.15中，航速约20节附近，阻力曲线有一个阻力峰。
那时船体还在水中，裸体阻力，附体阻力都要考虑。
静水中的阻力峰在决定推进功率时至关重要。
还需留出20%~25%的余量，以考虑在实际海况下最大可能的阻力增加。
翼载状态时的阻力包括：
（1）水翼和支柱上的粘性阻力。
（2）诱导阻力。
（3）水翼和支柱的波浪阻力
（4）支柱上的喷溅阻力。
此外，还有附体阻力和螺旋轴上的阻力。
翼载状态时，由升力诱导的作用在水翼上的阻力，将随航速的增加而降低。
其原因是：首先考虑到诱导阻力系数C D与升力系数的平方C L2成正比；其次，船舶的总重量与总升力相互平衡，这意味着，随着航速的增加，C L与U-2成反比的减小。
因此，升力诱导的阻力系
数和阻力分别于U-4和U-2成正比。
起飞后出现的最小阻力是由升力诱导的阻力产生的。
当水翼船处于巡航速率时，主要的阻力分量是作用在水翼和支柱上的粘性阻力。
由于粘性阻力受表面粗糙度的影响较大，因此需要经常对水翼和支柱进行清理。
水翼船与机翼理论
姓名赵伟栋
班级船舶122
学号1205080226
2014/7/8。