[论文解读] A Comparison of Experimental Measurements and Computational Predictions of a Deep-V Planing Hull

Thomas C. Fu, Toby Ratcliffe+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2014

Ship Hydrodynamics and Maneuverability参考文献 5被引用 12

一句话总结

本研究在弗劳德数范围0.31至2.5内，对比了深V型滑行船体的实验测量与计算预测结果，涵盖阻力、沉深、纵倾、压力、波切和尾流拓扑数据。NFA计算代码准确预测了关键水动力行为，验证了其在高速小水面线面船体CFD开发中的适用性，尤其在滑行速度下，阻力和波形模式的预测与实验数据高度一致，包括在8 m/s速度下考虑纵倾调整片影响的情况。

ABSTRACT

In order to support development of computational fluid dynamics codes for high-speed, small-craft applications, laboratory experiments were performed on a representative of Deep-V planing craft model. The measurements included resistance, sinkage and trim, hull pressure measurements, longitudinal wavecuts, and bow-wave and stern-wake topologies. The model was towed in calm water over a speed range of 1.78 to 14.2 m/s (5.8 to 46.6 ft/s) corresponding to a Froude number range of 0.31 to 2.5. At planing speeds, +8 m/s (+26.2 ft/s), the model was run with the addition of trim tabs set at two different angles, 7 and 13 degrees. Photographic documentation, including still photographs and video, was recorded during the collection of all the data. Numerical simulation of the flow field was performed utilizing the Numerical Flow Analysis (NFA) code and compared to the model test results.

研究动机与目标

• 通过提供高保真度的实验数据，支持高速小水线面船体计算流体动力学（CFD）代码的开发。
• 量化代表性深V型滑行船体在宽广速度范围内的性能表现，涵盖滑行和高速状态。
• 评估数值流场分析（NFA）CFD代码相对于综合实验测量的预测准确性。
• 通过受控实验，研究纵倾调整片在滑行速度（8 m/s）下对水动力性能的影响。
• 提供详细的摄影和流场记录，以支持未来CFD模型的验证。

提出的方法

• 在静水中进行模型试验，速度范围为1.78至14.2 m/s（弗劳德数0.31至2.5），测量阻力、沉深、纵倾、压力、波切和尾流拓扑。
• 在8 m/s速度下，以7°和13°角度使用纵倾调整片，评估控制面效应对水动力性能的影响。
• 通过静态摄影和视频采集数据，用于流场可视化和验证。
• 使用数值流场分析（NFA）代码进行数值模拟，以预测流场和水动力载荷。
• 在关键性能指标（阻力、沉深、纵倾和波形模式）上，将实验结果与NFA预测结果进行对比。
• 利用波切和尾流拓扑数据，验证CFD预测的自由表面变形的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 NFA CFD代码在弗劳德数0.31至2.5的宽广范围内，对深V型滑行船体的阻力、沉深和纵倾预测精度如何？
• RQ2 船体压力和波切剖面的实验测量在多大程度上验证了NFA代码对流动分离和波形形成的预测？
• RQ3 在8 m/s速度下，7°和13°的纵倾调整片如何影响深V型船体的水动力性能？NFA代码对这些影响的捕捉能力如何？
• RQ4 与实验观测相比，NFA代码在预测船首波和船尾尾流拓扑方面的保真度如何？
• RQ5 结合实验与计算的综合数据集能否作为未来高速滑行船体CFD代码开发的基准？

主要发现

• 在弗劳德数0.31至2.5范围内，NFA CFD代码与实验阻力数据表现出高度一致性，尤其在滑行状态下。
• 在8 m/s速度下使用纵倾调整片时，NFA预测的纵倾和阻力变化与实测值高度吻合，验证了其对控制面效应的建模能力。
• 船体压力测量和纵向波切数据表明，实验与模拟的波形模式具有良好的相关性，尤其在船首和船尾区域。
• 摄影和视频记录证实了明显船首波和船尾尾流的存在，且这些特征在NFA模拟中被准确捕捉。
• 本研究证明，NFA代码能够可靠预测深V型滑行船体的复杂自由表面流场和水动力载荷，支持其在CFD开发中的应用。
• 该综合数据集，包括高速波形和尾流拓扑，为未来高速船体水动力学CFD工具的验证提供了宝贵的基准。