槽道气垫双体船气水耦合机理及耐波性预报方法研究

The channel air cushion supported catamaran (CACSCAT) is a hybrid of air cushion vessel and channel planing catamaran. The air cushion only supports 30% of CACSCAT weight, which is different from surface effect ships (SES) whose air cushion bears most of the ship weight. When CACSCAT makes movements, the hydrodynamics of planing sidehulls and aerodynamics of channel air cushion interfere with each other through the inner free surface, which is called air – water interaction. Actually CACSCAT suffers stronger air – water interaction than SES, of which aerodynamics of air cushion dominates. Previous study suggests that it is hard to precisely predict the seakeeping performance of CACSCAT without consideration of air – water interaction. In this work, in order to solve the seakeeping problem of CACSCAT, the 2.5D theory that only applies to Neumann boundary (rigid displacement hulls) value problems will be innovatively extend to a 2.5D+A theory that could treat mixed boundary (including Neumann boundary conditions of sidehulls and Dirichlet boundary conditions of inner free surface) value problems of air and water flow fields. By using the proposed 2.5D+A method, the seakeeping performance of the high speed CACSCAT could be efficiently predicted, as well as the air – water interaction can be investigated. Moreover, CACSCAT towing tank model experiments are expected to be carried out, for proving the validity of 2.5D+A method.

槽道气垫双体船是一种气垫船和槽道滑行艇的杂交船型。与气垫排水占大多数的表面效应船不同，槽道气垫双体船的气垫排水量仅占总排水量的30%左右。在摇荡运动中该船型两滑行艇侧体的水动力与中间槽道内气垫的气动力通过内自由面相互影响，称作气水耦合效应。槽道气垫双体船的气水耦合效应比气动力占支配地位的表面效应船强烈，前期研究结果表明在没有考虑气水耦合效应时槽道气垫双体船的耐波性预报精度较低。本项目拟针对某高速槽道气垫双体船，独创性地把现有仅适用于排水型船体的纽曼边值问题的2.5D理论发展成可处理气、水流场的混合边值（包含侧体纽曼边条件和内自由面狄利克雷边条件）问题的2.5D+A理论，用以快速预报高速槽道气垫双体船的耐波性运动，并分析气水耦合机理。在此基础上，开展槽道气垫双体船船模的水池耐波性试验，以对2.5D+A理论的预报结果进行验证。

槽道气垫船是近年来发展起来的一种高航速、浅吃水、具有滑行艇型侧体的侧壁式气垫船，其在波浪中运动的数值方法研究对这类船型乃至常规侧壁式气垫船的耐波性能预报和船型、垫升系统的优化设计都有重要意义。在现有的高速船舶耐波性运动预报方法中，二维半理论兼具计算精度和计算效率的优点，具备潜质发展为高精度高效率的槽道气垫船水动力计算方法。然而，既有的二维半理论是针对排水型船舶的纽曼边值二维半问题发展而成的，还不能直接用于解决槽道气垫船的由侧体和气垫组成的混合边值水动力问题。.本项目的主要工作是把现有的无粘性二维半理论发展为计及水的粘性耗散效应影响的二维半理论（简称为准粘性二维半理论），以更好地解决大外飘角高速船的水动力问题；然后把它分别推广成可处理（全垫升气垫船特有的）狄利克莱边值问题和（侧壁式气垫船特有的）混合边值问题的二维半理论，用于解决气垫与波浪的相互作用问题；再借鉴多域边界元法的思想，提出多域二维半理论，用于解决气垫船内外自由面高度差的问题，从而获得高速槽道气垫船水动力问题的解决方法；最后，结合本项目所发展的可以完整考虑气垫边界条件、并能评估气动压力在空间非均匀分布状态的气垫气动力分析模型，形成一种高精度高效率的槽道气垫船运动分析模型，并通过与现有理论方法和模型试验结果进行对比来验证该模型的有效性，完成并实现了项目全部研究目标。.项目资助发表了SCI检索论文7篇，EI检索论文2篇；出版专著1部；申请发明专利3项，其中2项已获得授权。协助培养硕士研究生1名（已毕业），博士研究生2名（1名在读、1名已毕业）。项目投入经费20万元，支出19.0817万元，各项支出与预算基本相符。剩余经费0.9183万元，剩余经费计划用于本项目研究后续支出。