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《船舶力学》2025-07期|摘要速览
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流体力学
01
大间隙泵喷推进器梢隙流动及水动力性能研究
戎 智，唐登海，刘登成
摘要：梢隙流动是存在于泵喷推进器转子叶梢与导管内壁之间的复杂流动，叶梢间隙尺寸对梢隙流动及泵喷推进器性能有显著影响，以往针对梢隙流动的研究，其模型尺度下的间隙尺寸大多都小于4 mm。本文基于大涡模拟方法对间隙大小为1 mm和16 mm的泵喷推进器梢隙流动进行了数值模拟，重点分析了大间隙泵喷推进器梢隙流动的特征，及其对空泡起始性能、水动力性能以及导管脉动压力的影响。结果表明：与小间隙相比，大间隙泵喷推进器梢部分离涡的产生位置更靠近转子叶片的导边，梢部的分离涡与梢泄涡交汇位置更靠近转子叶片的随边；艇后泵喷推进器效率下降明显，降低了约10%；梢泄涡涡量与环量更大，梢泄涡空泡起始更早；导管脉动压力显著降低，约为小间隙的20%。因此，泵喷推进器的设计应该综合权衡考虑以上性能，寻求最佳的间隙大小。
关键词：大涡模拟；梢隙流动；泵喷推进器；水动力性能
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.07.001
02
船舶运动安稳期短期统计特性研究
张云驰， 段文洋 ，黄礼敏 ，马学文
摘要：舰载机起降、船舶燃油补给、船舶起重作业等海上作业对船舶的运动有着严格的要求，需要在安稳期窗口内进行以确保作业安全。然而，在高海况下安稳期窗口的出现概率较低。因此，提前评估目标海域安稳期的概率对于海上作业的规划和部署至关重要。针对该问题本文基于船舶运动的统计特性建立了船舶运动概率模型，对安稳期短期统计特性进行研究，并利用仿真数据对运动统计特征与运动幅值-周期联合统计特征进行验证，证明了模型的准确性。随后对安稳期关注的低于作业阈值的连续小幅运动概率进行分析。结果表明，建立的船舶运动概率模型与船舶连续小幅运动概率模型，能够较为准确地反映船舶在相应海况下的运动特征与安稳期出现概率。本研究能够提前在船舶进入某海域作业前给出满足作业要求的安稳期发生概率，同时能在作业前的一段时间内给出安稳期出现的概率，为海上船舶的航行作业计划提供辅助决策。
关键词： 安稳期；窄带高斯过程；安稳期统计估计；联合分布
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.07.002
03
极地浮冰区船舶回转操纵性数值仿真研究
闫宏生，陈梓昊，王锡军
摘要：为探究极地船舶在极地浮冰区中的回转操纵特性，本文采用CFD–DEM相结合的方法，针对一艘中型极地船舶在浮冰区中的回转运动过程进行了数值仿真研究。模拟考虑了船舶在不同舵角以及不同密集度浮冰区中的回转过程，并对船舶回转运动的参数进行预报。结果表明，浮冰的存在会对船舶的回转运动产生显著阻碍，浮冰区回转战术直径的范围是敞水工况战术直径的1～1.5倍。船体受到的力和力矩具有较强的随机性，航速与艏摇角速度时历曲线瞬时起伏更明显。相同舵角下，船舶受到的冰纵向力随浮冰密集度增加而增加，流体纵向力变化不明显；平均总侧向力、总偏航力矩方向与回转操纵方向一致，平均冰偏航力矩则更多偏向于回转操纵的相反方向。
关键词： 极地船舶；离散元方法；计算流体力学；浮冰区；操纵性
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.07.003
04
水下超声速射流诱导流场特性三维数值分析
王旭刚，曹 越，徐 嘉，王凡瑜，俞建阳
摘要：为研究喷管进出口不同压比条件下水下回转体尾部喷流流场特征，本文基于VOF多相流模型对超声速射流诱导流场特性展开研究，分析了不同压比下回转体尾部流场形成演化规律和诱导空泡形态分布。研究结果表明：射流尾空泡形态与喷管压比密切相关，低压比射流（喷管未过膨胀）诱导尾空泡呈现出类似超空泡的锥形形态；高压比条件下（压比为11.36，喷管过膨胀）射流受尾涡影响减弱，高压比射流在Kelvin–Helmholtz不稳定性驱动的剪切夹带作用下会演化为脉动射流；脉动射流流场内的“回击”现象和水介质压力扰动会对射流的脉动特性产生“正反馈”；高压比射流转为脉动射流后流道颈缩程度随时间剧烈波动，初始空泡的破碎会使颈缩位置随时间随机分布；高压比射流在压比为21、喷管欠膨胀时，流场脉动特性发生转变，尾空泡形态趋于稳定，回转体底部压力波动幅度降低。
关键词： 水下超声速气体射流；气液两相流；尾空泡；数值模拟
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.07.004
05
喷水推进高速水陆两栖平台自航数值模拟及推力减额分析
杜尊峰，樊 涛，段 鑫，李 昂
摘要：为研究喷水推进高速水陆两栖平台的推力减额特性，本文基于RANS方程及VOF模型，求解平台自航流场。通过重叠网格方法计算平台的纵倾及升沉运动，同时利用体积力法简化模拟喷泵作用，从而实现喷水推进高速水陆两栖平台自航的数值模拟。采用流线追踪法得到推进器进流面，以动量通量法计算推进器总推力。模拟结果表明，喷水推进水陆两栖平台的推力减额特性在不同航速下表现出不同的特点。具体来说，低航速时，推力减额为正；中高航速时出现负推力减额。在整个航速范围内，阻力增额恒为正，动量减额恒为负，阻力增额随航速增加逐渐减小并接近于零是中高航速出现负推力减额的原因。
关键词： 喷水推进；高速水陆两栖平台；推力减额；体积力法
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.07.005
06
栅格翼动态展开试验研究
鲍文春，郭 涛，尹世龙，李 宁，陈 浮，等
摘要：栅格翼水下发射技术方案可增加水下航行体的运动稳定性，是提高航行体对发射环境条件适应能力的有效途径之一。针对水下应用栅格翼动态展开过程，建立展开过程运动学参数数学模型，设计栅格翼地面展开机理验证试验，研究栅格翼在空气介质及水介质中展开过程景象、运动参数变化规律及展开用时等信息，获得水介质对栅格翼展开过程参数的影响，为水下栅格翼动态展开过程方案分析及展开过程运动参数分析提供有益的经验。
关键词： 栅格翼；水下展开；地面试验；动态展开；空中展开
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.07.006
07
风帆助航船舶双元素翼帆多帆干涉特性的数值研究
李 臣，王宏明
摘要：为了研究风帆助航船舶在航行中多组翼帆之间的干涉特性，本文首先基于相对风向角设计了双元素翼帆相邻布置方案，并采用雷诺平均N–S方程在定常工况下进行数值仿真，以分析双元素翼帆的气动干涉特性，针对多帆干涉引起的失速问题，提出了一种优化双元素翼帆攻角和襟翼偏转角的方案，并据此获得了翼帆级间干涉特性。研究结果表明，在单排布置方案中，当相对风向角为30°、90°和120°时，最佳间距均为1.5c，但当相对风向角为90°和120°时，级间干涉显著增强从而引起翼帆失速，经优化后，双元素翼帆系统的助推力系数可提升5.2%以上，下游翼帆的流动分离消失。
关键词：风帆助航船舶；双元素翼帆；多组翼帆；干涉特性；数值模拟
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.07.007
结构力学
08
双轴动载下船用脆性材料破坏的态基近场动力学模拟
李 双，吕海宁，黄小华，苏 强，秦 睿，等
摘要：船用脆性材料在动载作用下的破坏分析一直是学术和工程领域关注的重点。在态基近场动力学（peridynamic,PD）基础上，引入一项四次多项式影响函数来反映非局部PD长程力衰减，并给出了基于能量的破坏准则，建立了船用脆性材料破坏的态基PD模型。通过一系列动载作用下破坏算例的模拟以及与试验结果的对比，验证了该模型的准确性，研究了双轴荷载比、材料泊松比、中心预制裂纹长度和裂纹角度等对脆性固体破坏的影响。结果表明：在一定条件下，双轴荷载比或预制裂纹角度的改变会影响裂纹扩展方向，荷载比或材料泊松比则会影响主裂纹而产生裂纹分叉。而且，荷载比或泊松比的增大提高了试件抗动载能力，但预制裂纹长度或角度的增加，会使脆性构件抗动载能力降低。
关键词： 动力破坏；态基近场动力学；脆性材料；断裂；裂纹扩展
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.07.008
09
粒状海冰单轴压缩强度的试验研究
刘禹博，王庆凯，卢 鹏，李志军，黎 舸
摘要：为探究粒状海冰力学性质，本文进行粒状海冰平行冰面方向的单轴压缩强度测试，其中试验时的应变速率为10-5～10-2 s-1，温度分别为-3℃、-5℃、-7℃、-10℃和-15℃。试验结果表明，在韧性区内，粒状海冰单轴压缩强度随应变速率的增加而增加；在脆性区内，则随应变速率的增加而降低；而在韧脆过渡区内，其强度达到峰值。将冰温-峰值强度曲线与历史数据作比较，发现渤海粒状海冰峰值压缩强度较低，粒状海冰峰值压缩强度随冰温降低而上升，且上升趋势逐渐变缓，反映出海冰晶体结构对其力学性质的影响。引入孔隙率的概念，并据此得到宽应变速率区间粒状海冰单轴压缩强度随应变速率和孔隙率变化的统计关系曲面，随后将这一结果与北极融冰期粒状海冰进行比较分析，最后讨论了渤海海冰与极地海冰力学性质统一数学描述的可行性。
关键词： 海冰；粒状晶体；单轴压缩强度；冰温；应变速率；孔隙率
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.07.009
10
砰击载荷作用下船体梁动态极限强度研究
吴泰辉，蔡诗剑，刘亚冲，王福花，吴剑国
摘要：大外飘船型在恶劣海况中容易发生剧烈的砰击，在船舯区域产生作用时间短且幅值与波浪弯矩相当的砰击弯矩，因此有必要进行砰击载荷作用下的船体梁动态极限强度的研究。本文以5618 TEU集装箱船为研究对象，提出了两种用于计算砰击载荷作用下船体梁动态极限强度的模型，施加了不同形式的砰击载荷，研究其在动态载荷作用下的动态响应，基于B–H准则确定了船体梁的动态极限强度。基于一跨模型，讨论了载荷持续时间、材料应变率效应、预加载、高低频弯矩组合对船体梁动态极限强度的影响，为制定考虑砰击弯矩的动态极限强度设计衡准打下了坚实的基础。
关键词：大外飘；砰击弯矩；船体梁；B–H准则；动态极限强度
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.07.010
流体与结构声学
11
基于梳状函数的有限长圆柱壳水动力噪声计算方法
俞白兮，朱正道，李 凯，司马灿
摘要：单层圆柱壳是水下航行体常见的结构形式，在水动力噪声控制方面较双层圆柱壳更具优势，但随着航速的增加，单层圆柱壳的水动力噪声问题仍不可忽视。本文建立了无限大理想水介质中有限长圆柱壳的声振耦合模型，并基于梳状函数，采用相关函数和功率谱密度函数建立了有限长圆柱壳受湍流边界层脉动压力激励的水动力噪声计算方法。计算中分别采用梳状函数法与直接扩展法建立圆柱面的湍流边界层脉动压力波数–频率谱，并分析了不同方法对圆柱表面激励力与壳体振动位移的影响，最后将两种方法计算得到的辐射声功率与统计能量法结果作比较。研究结果表明：基于梳状函数法得到的圆柱面湍流边界层脉动压力作用力和圆柱壳振动位移功率谱密度函数与直接扩展法的计算结果存在差异，其中基于梳状函数法计算得到的圆柱壳辐射声功率与统计能量法计算结果在中高频具有更好的一致性，验证了基于梳状函数的有限长圆柱壳水动力噪声计算方法具有更好的准确性。此外，对比了不同航速、不同壳体厚度对圆柱壳受湍流边界层脉动压力激励的辐射声功率的影响，计算结果符合水动力噪声的一般规律。
关键词： 有限长圆柱壳；湍流边界层脉动压力；梳状函数法；水动力噪声
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.07.011
12
舰船推进轴系–壳体耦合系统振动传递特性分析
田亚奇，张 聪，贾泽坤
摘要：舰船的推进轴系与壳体之间存在着双向振动传递作用，仅建立单一结构的动力学模型无法真实反映两者之间的振动耦合效应。本文基于解析法建立水下舰船推进轴系–壳体耦合系统的动力学模型，其中壳体简化为水下锥柱组合壳，推进轴系视为梁结构，轴承简化为弹簧–阻尼–质量系统作为轴与壳之间的连接结构。采用功率流理论，分析轴端、壳端不同方向激励下的输入功率流，以及轴与壳之间经由轴承所传递的功率流，并借助有限元法对解析法求解轴–壳耦合系统振动传递特性的有效性进行验证。结果表明：激励施加在轴系端部时，轴壳耦合系统的输入功率流更大；轴–壳耦合效应会显著增加轴端激励下的输入功率流；后艉轴承是轴–壳之间横向振动传递的主要路径。本研究可为水下舰船的减振降噪和优化设计提供理论支撑。
关键词： 功率流；推进轴系；浸没锥柱组合壳；多跨梁；解析法
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.07.012
13
大型邮轮总振动模型试验研究
刘 哲，王纬波，胡志宽，杨智雄
摘要：振动舒适性是评价大型邮轮乘客体验的关键技术指标之一。由于邮轮上层建筑高，与普通船型差异大，目前还没有成熟的总振动近似计算方法。本文根据某大型邮轮的刚度和质量分布，提出了一种钢制总振动试验模型的设计方法，设计了等比例模型和非等比例变态模型两种方案，并采用变态模型在空气中和水池中完成了模态试验，给出了有压载和无压载工况的干/湿模态的试验结果。结果表明，无论有、无压载，湿模态与对应干模态的固有频率的比值基本不变；对于同一阶模态，有压载工况与对应无压载工况的固有频率的比值也基本保持不变。钢制船体总振动试验模型能够更好地考虑附连水质量的影响，可为特殊船型的总振动模型设计和固有频率预报提供有价值的参考。
关键词： 大型邮轮；总振动；固有频率；试验模型
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.07.013
14
水下加筋板–声空腔耦合损耗因子计算方法研究
陆 斌，盛美萍，郭志巍，程一鹏，杨长江
摘要：加筋板结构因其具有较高的结构刚度和强度，被广泛应用于船舶结构设计。本文在加筋板分频段分析模型基础上结合声空腔子系统统计能量分析（SEA）参数计算方法，建立了加筋板结构与声空腔间的辐射效率计算模型，并考虑流体负载的影响，从而获得了水下加筋板–声空腔耦合损耗因子计算方法，进一步使用SEA商用软件对计算方法进行了验证。研究分析了流体负载和结构加筋对耦合特性的影响，结果表明：流体负载和结构加筋主要影响耦合结构截止频率以下频段的辐射效率和耦合损耗因子，对截止频率以上的频段影响较小。研究成果可为船舶舱室噪声预报与声学设计提供理论支撑。
关键词： 加筋板；板–声腔耦合系统；统计能量分析；耦合损耗因子；辐射效率
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.07.014
研究综述
15
水下壁面效应研究进展及仿生学应用综述
谢 鸥，李雨凡，周大卫，张陈波，沈 灿
摘要：水下壁面效应对水生动物的生存活动和水下航行器的任务执行具有重要的影响。合理利用水下壁面效应可实现节能降耗，相反地，控制不当将引起安全事故。本文主要对水下壁面效应在各研究方向的成果进行综述，包括水生动物近地面游动的活体观测研究、仿生简化模型的壁面效应研究和水下航行器的壁面效应研究。同时还介绍了水下壁面效应在仿生工程中的应用研究进展，并提出了水下壁面效应研究所面临的主要问题和挑战。
关键词： 水下壁面效应；水生动物；水下航行器；仿生学
doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2025.07.015
END
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