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研究目的:运动帆船是通过帆翼借助自然风获得动力前进,并在规定场地内竞速的一种帆船类别。帆翼为帆船的行驶提供动力,而运动员对帆船的操控决定了帆船航行状态。帆船比赛中必然会受到波浪的影响,在波浪的作用下船体将发生六自由度的摇荡运动,其中船体在顶浪中的纵摇及垂荡运动是船体摇荡的基本运动,了解船体在波浪下的基本运动有助于运动员控帆操船,为获得更稳定的成绩提供保障。研究方法:本研究基于计算流体力学方法(ComputationalFluidDynamics,CFD),利用雷迪尔级帆船船体结构对称的特点,以船体中纵剖面及其所在平面为对称面,采用切割体网格对半个船体模型及半个计算域进行网格划分,同时利用重叠网格与动态驱动体模型(DynamicFluidBodyInteraction,DFBI)相结合的方法对船体在流体作用下的纵摇及垂荡运动进行数值模拟,为得到裸船体纵向运动随波长及航速变化的规律对其在6种不同波长(0.5、0.75、1.0、1.25、1.5、2.0倍船长波长)的规则波浪中分别以2m/s、3m/s、4m/s、5m/s、6m/s等速度航行时裸船体的纵向运动进行计算。研究结果:通过波高时历可以发现,在规则波浪中顶浪直航时,船体的纵摇及垂荡运动也呈现周期性变化,而且随着航行速度的增加,遭遇频率逐渐增大,纵向运动周期逐渐减小,以航速为2m/s、波长为1.5倍船长为例,分析其一个遭遇周期内的船体姿态变化,0时刻,入射波波峰恰好经过船艏,而此时船艉则处于波谷附近,船体发生明显的埋艏现象,船艏兴波增大,船体作上升运动;1/4遭遇周期时刻,船艏处于波谷附近,船艉则处于波峰处,艉部抬高,船艉兴波增大而船艏兴波减小;1/2遭遇周期时刻,船体处于两波峰之间,由于运动的惯性,船艏翘起,船体处于垂荡运动的最低值,船艏船艉兴波减小;3/4遭遇周期时刻,船艏处于波峰与波谷之间,船艉处于波谷附近,出现一定程度的艏倾现象,船艏兴波略微增大,船体作上升运动。通过船体以不同速度航行时的纵向运动响应幅值算子(ResponseAmplitudeOperation,RAO)可以发现,在所研究的6种波长下,船体纵向运动的整体趋势为:对于波高一定的规则波,在航行速度一定时,随着波长的增加,船体纵向运动的幅度逐渐增大,以2m/s时船体纵向运动RAO为例,在短波范围内(波长船长比小于0.75),船体的纵向运动响应较弱,且幅值变化较小;在中长波范围内(波长船长比处于0.75-1.5之间),船体的纵向运动响应较短波而言明显增强,且随着波长的增加而增强;长波范围内(波长船长比大于1.5),船体的纵向运动响应继续增强,但增速明显减慢,其它航速下船体的纵向运动响应也都服从类似的发展趋势。研究结论:在规则波浪中航行时,雷迪尔级帆船船体的纵向运动周期等于船体航行时的遭遇周期,航行速度越快,遭遇频率越大,船体运动越复杂。船艉兴波随航速的增大而增大,水在船体两侧的飞溅越来越明显,船行波波幅及波长明显增大,此外,两侧的水线逐渐与船体分离,这些情况均表明波能明显增大,兴波阻力明显增大。对于已进行研究的大型船舶船模,当船体在波浪中航行时的遭遇频率与船体自身的纵摇固有频率和垂荡固有频率相同或相近时,会发生共振现象,导致船体的纵向运动响应达到峰值,能够引起船体发生共振现象的波长大多分布在中长波范围内,而本研究在对雷迪尔级帆船船体在波浪中的纵向运动响应分析时发现,在短波至较长波范围内船体的纵向运动都没有达到峰值,这也说明了对于运动帆船这种特殊的船舶类型,有进行研究的必要。本研究结果为运动员了解帆船船体在不同航速下的运动状态从而提高航行的安全性与快速性提供支持,促进了帆船训练的科学化。