“高超临界航行”的流体动力设计研究_论文_百度文库
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“高超临界航行”的流体动力设计研究
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&&文章提出了能够实现“高超临界航行”的新船型,并对该新船型进行了流体动力设计研究。通过理论分析及试验研究表明,采用新船型的超高速高超临界海上运输平台具有超高航速、优良的耐波性、极佳的稳定性和良好的经济性。
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新概念舰艇
随着现代的高速发展，特别是船舶设计和制造技术的发展，一大批新概念舰船不断涌现出来。这些新概念舰船在设计思想、工作原理、总体结构等方面有显著突破和创新，它们冲破了传统船型的束缚，创新地将浮力、气垫升力和动升力按不同比例组合，形成了崭新的、高性能的新船型，其能力超出了传统舰船，可满足高技术战争中各种新的、特殊的作战任务的需求。
新概念舰艇简介
随着现代科学技术的高速发展，特别是船舶设计和制造技术的发展，一大批新概念舰船不断涌现出来。这些新概念舰船在设计思想、工作原理、总体结构等方面有显著突破和创新，它们冲破了传统船型的束缚，创新地将浮力、气垫升力和动升力按不同比例组合，形成了崭新的、高性能的新船型，其能力超出了传统舰船，可满足高技术战争中各种新的、特殊的作战任务的需求。这些新概念舰船将创新思维与高新技术相结合，具有很强的探索性，对舰船平台发展起着带动作用，同时也代表着某个时代的科学技术的讲步和水平。
新概念舰艇特点
耐波性要优良，应具备在较高的海况条件下使用舰载武器、警戒探测设备和直升机的能力，快速性要满足编队航行及单舰机动作战，同时船型还要为各种隐身设计提供条件。积极采用新船型、新材料等先进技术，使船型的良好性能与作战系统的威力有机地结合起来，推出了各种性能卓越、外形奇特、适应于新作战样式的新概念舰船。
新概念舰艇出现缘由
进入21世纪，各国海军为实现跨时代的军事变革，适应世界新战略格局和未来高科技海战的需求，新世纪水面舰船平台的发展受到重视。未来海上作战将是全天候条件下陆、海、空一体的信息化作战，作战环境和样式将发生根本性的变化，信息化作战方式对舰船平台提出了更新、更高的要求。常规舰船船型经过长期的发展、研究，其性能和构造已经难以有质的提高和改变，舰船设计者在认真总结传统船型在快速性、运动性、隐身性、生存及承载能力方面存在的不足之后，纷纷创造性地提出新世纪舰船船型的创新构想，随之全新概念的高性能舰船不断产生，使得舰船平台的能力大幅度提升。世纪之交舰船技术领域加快了形态各异的新船型的开发，这是现代海战作战样式变革对提升水面舰船总体性能和综合作战能力的要求导致的必然趋势，同时也是舰船高新技术不断发展的必然结果。
新概念舰艇发展历程
新技术革命一直促进着船舶新船型的层出不穷，每种新船型都富含种种创新的思想，将船舶发展带人了一个新的时代。新船型几乎每10年就有一型问世，20世纪40代产生了水翼船，二战期间水翼艇技术趋于成熟，德国曾建造了10余艘水翼炮艇参战。20世纪50年代产生了气垫船，1953年英国人造出世界第一艘气垫试验船，并成功横渡英吉利海峡。20世纪60年代地效翼船蓬勃发展，前苏联和德国在地效翼船技术上均取得了突破性进展，先后研制成功地效翼试验船。20世纪70年代产生了小水线面双体船，1973年美国人研制成功世界上第一艘小水线面双体船“卡玛利诺”号，试验表明小水线面双体船具有优良的耐波性，此后美、日等国陆续建成40余艘小水线面双体船，最为典型的是1994年美国建成了世界上第一艘军用小水线面隐身船“海影”号。20世纪80年代产生了高速双体船，1983年澳大利亚首先开发了穿浪双体船型，并建造了一艘穿浪双体试验艇，其波浪中纵向运动响应远小于常规高速双体船。从1988年开始，澳大利亚先后建成穿浪双体船共40余艘。20世纪90年代之后开始重视发展复合船型和多体船，各国海军为使舰船平台能更好地满足作战需求，新船型研究的思路已不再是创造出一种全新的船型，而在于如何利用各种成熟船型的优势，衍生出新的船型，在特定环境、特殊需求条件下发挥其良好的性能。
新概念舰艇舰只类别
三体船是由中体和两个侧体组成，中体用于提供90%以上的浮力，比常规单体驱护舰船型更为瘦长，在不过于增大湿表面积的前提下，可以有效降低高速航行时的兴波阻力。两个侧体的排水量一般不超过中体排水量的10%，主要用于弥补因主体瘦长带来的初稳性损失，可以改善耐波性能。三体船通过调整侧体和中体间的相对位置，获得有利的兴波干扰，在傅氏数大于0.6时，可实现较高航速。三个船体可形成较大的甲板面积，有利于上层建筑外形实现雷达波隐身设计，在主体和片体之间排出主机废气可降低红外辐射特征，艉部来流好有利于降低螺旋桨噪声，具有较好的隐身性；两侧片体长度可以遮挡主体的1/3-1/2，可降低主体重要部位受攻击的概率，具有较强生存能力；耐波性好于同排水量的双体船，纵摇、垂荡、甲板上浪等性能优良，有利于舰载武器的使用，同时具有较好的舒适性。其船型特点非常适宜作战舰艇船型。近年来，英、澳、美等国对三体船的性能优势非常重视，并计划将其列为“下一代船型”，纷纷加大研究力度。1997年底英国率先开发了“海神”号三体试验舰，排水量1100吨，总长98米，总宽22.5米，吃水3.2米，采用柴电动力装置，航速20节。其目的是掌握三体船型设计技术，验证三体舰总体设计和综合全电推进技术的可行性，英国“未来水面战舰计划”将三体船型作为第一候选船型，计划从2010年起替代现役22/23型护卫舰。美国非常重视三体船型的发展，在研究的同时密切关注英“海神”号三体演示舰的海试结果，并与英合作参与海试，重在获取三体舰的设计经验。美国格鲁曼公司濒海战斗舰方案就采用了三体船。2005年该舰试制成功，排水量2790吨，舰长127.2米，宽30.4米，吃水4.5米，航速45节，4300海里/18节，柴/燃联合动力，外形采用全隐身设计，舰体采用模块化结构，计划2008年交付。虽然美国海军最终在濒海战斗舰上采用的是更加成熟的单体船方案，但格鲁曼公司毕竟证明三体船是大有可为的。2003年澳大利亚Austal船厂建造了一艘126m的三体高速客船Benchijigua Express号，可载客1350人和轿车341辆，服务航速38节。
M船型是由美国M船舶设计公司提出的新概念船型，之所以称为M船型，是由于船体结构像英文字母M。字母M的中间部分是主船体部分，主要为船体提供浮力，字母M的两个脚则是船体的两个围壁，起着密封和平衡的作用，字母M的中间空白部分则是空气通道。通常舰艇在航行时艇首产生的波浪形成兴波阻力，在船型设计中都尽可能减少艇首波浪，以减少阻力。M船型则充分利用了艇首产生波浪能量，将波浪能量转化为一种空气压力，在围壁的密封下形成一个气垫，将艇体抬起，不仅减少了水阻力，还减少了舰艇的尾迹和舷侧浪花的产生，减少了噪声的产生，还能增加航行的稳定性。 M型船的性能优势引起了美海军的兴趣，为了验证其快速性、适航性和隐身性，探索该新船型的军事用途，美海军签订了双M船型“短剑”号快艇建造合同。双M船型的结构类似于两个M字母组合在一起，其原理与M船型基本相同。“短剑”号快艇长为24.4米，宽12.1米，排水量67.1吨，采用4台柴油机，速度可超过50节，吃水非常浅，特别是在高速航行抬升状态，吃水仅为0.15米。该艇的突出特点是外形采用隐身设计，干舷较低，除了综合桅杆裸露在外，舰艇表面基本上没有任何裸露装备，舰桥和武器装备都融入船体内，整艇雷达波信号特征较小；船体采用了碳纤维材料建造，强度高、重量轻，舰艇易维护；铺设了一根“电子龙骨”，即设置了一根带宽为1G的局域网以及一些数据存储设备，使得舰艇可兼容不同的传感器、通信设备和武器系统，也支持全艇的信息融合。 目前，美国M船舶设计公司正在积极推进M船型的大型化，计划开发一种船长91.4米的大型高速舰艇，采用4M船型。除了可作为直升机和无人机的作业平台外，这种4M大型高速舰艇还可用作海上高速运输平台。
表面效应双体船'
表面效应船在船底部设有凹穴，凹穴内充满由船内提供的加压空气，使船底穴内形成气垫，与侧壁式气垫船相似。表面效应双体船是表面效应船(SES)技术的一个变体。它是由两个表面效应单体船组成的双体船，船体底部气垫可支撑约80%的排水量。表面效应双体船通过两种船型的组合，克服了普通双体船的缺点，船底气垫抬升了艇体，减小了吃水，使摩擦阻力大大减小，获得了较高的航速，双体底部的气垫改善了适航性，同时减小了功率消耗。双体底部的气垫可阻止船体内的声和红外信号向水下辐射，降低了潜艇、鱼雷和水雷对舰的探测能力，提高了舰船的生存能力。该船型非常适用于沿岸浅水海域作战使用的舰艇 美海军为演示验证该船型，委托澳大利亚为其建造了一艘Sea Coaster表面效应双体船，总长31.2米，宽9.75米，航速可达56节，在巡航航速下，消耗功率仅为标准双体船的60%左右 挪威采用表面效应双体船型建造了“盾牌”级隐形导弹巡逻艇，满载排水量260吨，总长46.8米，船宽13.5米，吃水0.8米，采用喷水推进，航速可达57节，外形采用全隐身设计，船体采用复合材料，全方位采用新技术，是世界上最先进的巡逻艇之一。 水翼小水线面双体船' 水翼小水线面双体船就是将水翼技术应用到小水线面双体船上，它是典型的复合船型。该船型综合了水翼和小水线面的优势，大大提高了小水线面双体船的海上航行速度，并使其具有良好的耐波性能。目前，这种复合船型有两种类型：一类是以小水线面船为主加水翼，另一类是以水翼为主加设潜体。该船型高速航行时水翼产生的动升力可以很轻易地将艇体抬起，减少船体与波浪接触产生的阻力。随着航速的增加，船体浸没深度不断减小，在最大速度时船体被完全抬离水面，可以达到在水面上“飞行”状态。 该船型的典型代表就是美国“海行者”号演示艇，艇长51米，宽13.1米，吃水5.6米，满载排水量340吨，最大速度30节。美海军为验证该船型，采用IX－515侧壁式气垫船改装成小水线面水翼艇，取消了原艇的气垫装置，在船体中部（重心部位）安装了大型水翼，提供70%的浮力，尾部加装了横向水翼，提供30%的浮力。美海军计划在“海行者”号演示艇试验成功后，将该技术应用在较大型的“海上斗士”号高速双体船（X-Craft）上，进一步开展水动力学测试并对船型进行评估。“海上斗士”号高速双体船试验成功，可用于开发美军快速运输舰。
新概念舰艇启迪
新概念舰船的发展在于创新，而创新并不是天马行空，更在于技术储备，有了丰富的技术资源才能进行创新。关、英等海军强国舰船技术的发展则秉承了这一理念，真正体现了着眼于未来，使得它们现在和乃至未来很长一段时间都能够保持绝对的技术优势。在我们羡慕世界海军强国的同时，要清醒地认识到先进的舰船技术并非一蹴而就，我们要积极研究、应用舰船新技术，根据我海军未来作战需求开发新概念舰船，以提高我海军的综合作战能力。& 流体压强与流速关系的探究实验知识点 & “物体在流体（液体和气体）中运动时，受到的...”习题详情
160位同学学习过此题，做题成功率80.0%
物体在流体（液体和气体）中运动时，受到的阻碍物体运动的力，叫流体阻力．这种阻力的大小与哪些因素有关呢？（1）请仔细观察如图所示的应用实例，对影响流体阻力的因素提出一种猜想：流体阻力可能与运动物体外部形状有关．&[题（3）中的猜想除外]；（2）根据你的猜想，请设计一个实验方案来验证；可以做几辆质量相等而外形分别为长方体、正方体、椭圆的小船，用弹簧测力计以同样的速度拉动小船在水中做匀速直线运动，比较弹簧测力计的示数&．（3）小刚同学猜想：流体阻力可能与运动物体表面粗糙程度有关．他设计了如下的实验方案：①用弹簧秤拉一艘底面光滑的船模型在水中运动，记下弹簧秤的示数F1；②用弹簧秤拉另一艘底面粗糙的船模型在水中运动，记下弹簧秤的示数F2；③通过比较F1与F2的大小，就能得出物体受到流体阻力是否与物体表面粗糙程度有关．请你对小强同学的实验方案中存在的问题，进行评估（只需写出一条评估意见）：两只小船的外形是否相同，质量是否相等没有控制&．
本题难度：一般
题型：填空题&|&来源：2005-黄冈
分析与解答
习题“物体在流体（液体和气体）中运动时，受到的阻碍物体运动的力，叫流体阻力．这种阻力的大小与哪些因素有关呢？（1）请仔细观察如图所示的应用实例，对影响流体阻力的因素提出一种猜想：____[题（3）中的猜想除外]；（2...”的分析与解答如下所示：
（1）图示物体在运动过程中，都要受到流体阻力的作用．有时为了增大阻力，有时为了减小阻力．根据如图所示的应用实例和实际生活经验，不难发现各自的外观形状不一样，据此可以提出探究的问题．（2）由于物体在运动过程中受到的阻力大小与多个因素有关：物体的形状、流体的种类、物体运动的速度等，因此在设计探究实验时，要利用控制变量法，探究与哪个因素的关系，就要只让这一个因素改变，其他因素都不变．（3）由于物体所受流体阻力的大小有多个因素有关，实验时要用到控制变量法，因此在评估该实验时，可以从其是否符合控制变量法的操作要求去分析．
解：（1）飞机降落时的阻力伞是为了增大流体阻力；潜艇、汽车设计成流线型是为了减小流体阻力；根据图中提供的三者的形状，对影响流体阻力的因素可以提出一种猜想：流体阻力可能与运动物体外部形状有关．（2）采用控制变量法，可以做几辆质量相等而外形分别为长方体、正方体、椭圆的小船，用弹簧测力计以同样的速度拉动小船在水中做匀速直线运动，比较弹簧测力计的示数．（3）由于物体所受流体阻力的大小有多个因素有关，而在实验中，只控制了两只小船的表面粗糙程度不同，其他因素如小船的形状、质量等都没有控制，故不符合控制变量法的操作要求．故答案为：（1）流体阻力可能与运动物体外部形状有关；（2）可以做几辆质量相等而外形分别为长方体、正方体、椭圆的小船，用弹簧测力计以同样的速度拉动小船在水中做匀速直线运动，比较弹簧测力计的示数；（3）两只小船的外形是否相同，质量是否相等没有控制．
本题属于学生实验探究能力题，要求学生能够灵活运用控制变量法解决实际问题．
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物体在流体（液体和气体）中运动时，受到的阻碍物体运动的力，叫流体阻力．这种阻力的大小与哪些因素有关呢？（1）请仔细观察如图所示的应用实例，对影响流体阻力的因素提出一种猜想：____[题（3）中的猜想除...
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经过分析，习题“物体在流体（液体和气体）中运动时，受到的阻碍物体运动的力，叫流体阻力．这种阻力的大小与哪些因素有关呢？（1）请仔细观察如图所示的应用实例，对影响流体阻力的因素提出一种猜想：____[题（3）中的猜想除外]；（2...”主要考察你对“流体压强与流速关系的探究实验”
等考点的理解。
因为篇幅有限，只列出部分考点，详细请访问。
流体压强与流速关系的探究实验
【知识点的认识】气体、液体都可以流动，流动流体的压强大小跟流体的流速有关系的实验很多，例如：吹不散的气球实验器材：细木杆（1米长左右）1根气球2个 细线2根实验步骤：1．把两个气球充满气，用细线把气球口扎紧．2．把细杆的两端放在离地面1 米高的支撑物上，使木杆保持水平．3．用细线把两气球悬挂在木杆上，使两个气球的高度一致，相距约30厘米．（如图所示）4．两个气球静止时，用嘴向两气球中间吹气，两气球会相互远离吗？实验现象：气流从两气球中间流过时，两气球会相互靠近．【命题方向】通过流动流体的压强大小跟流体的流速有关系的实验来解释产生这种现象的原因是什么是命题方向．【解题方法点拨】解释：向两气球中间吹气时，两气球中间的气流速度大于两气球另一侧的气流速度，所以两气球中间的气压就小于两气球另一侧的气压．这样左边的气球会受到空气对它向右的作用力，右边的气球会受到空气对它向左的作用力，因此两气球相互靠近．抓住流体压强与流速关系啦解释现象．
与“物体在流体（液体和气体）中运动时，受到的阻碍物体运动的力，叫流体阻力．这种阻力的大小与哪些因素有关呢？（1）请仔细观察如图所示的应用实例，对影响流体阻力的因素提出一种猜想：____[题（3）中的猜想除外]；（2...”相似的题目：
[2014o北海o中考]能用流体压强与流速的关系解释的是（　　）船闸的工作原理珠穆朗玛峰上要用高压锅才能将饭煮熟托里拆利实验火车站站台要设一条安全线
[2014o黄冈o中考]以下选项中，不能用“流体压强与流速关系”解释的是（　　）乒乓球运动员拉出的“弧圈球”正在漂流的一只“橡皮船”正在空中滑翔的“雄鹰”地面上刮起的“龙卷风”
[2014o南京o中考]如图所示，从倒置的漏斗口用力吸气或向下吹气，乒乓球都不会掉下来．下列说法正确的是（　　）吸气或吹气都减小了乒乓球上方气体的压强吸气或吹气都增大了乒乓球下方气体的压强吸气减小了乒乓球上方气体的压强，吹气增大了乒乓球下方气体的压强吸气增大了乒乓球下方气体的压强，吹气减小了乒乓球上方气体的压强
“物体在流体（液体和气体）中运动时，受到的...”的最新评论
该知识点好题
1王伟老师经常引导学生利用身边的生活用品做实验，通过动手动脑，学习物理知识，揭示物理规律．下面的实验（如图）不是揭示流体压强与流速关系的实验是（　　）
2阅读下列材料，然后回答问题．物理学中把具有流动性的液体和气体统称为流体．当流体处于流动状态时，其内部各处的压强有什么规律呢？小明同学将如图甲所示的玻璃管装置按到水流稳定的自来水管上，当水在玻璃管中流动时，可看到两个竖直管中液面的高度并不相同．从图中可以看出在A、B两处管的粗细不同，因而A处流速小，B处流速大，可见流体的压强与流速之间有着一定的关系．接着，小明又自制了一个飞机机翼模型（如图），将其固定在托盘测力计上，在机翼模型的正前方用电扇迎面吹风，来模拟飞机飞行时的气流，比较机翼上下方气流压强的大小，进一步验证了上面的关系．（1）由图甲所示的实验，可以得出流体的压强与流速之间有什么关系？答：&&&&（2）在图乙所示的实验中，电扇转动后，托盘测力计的示数发生了什么变化？答：&&&&（3）下列四种情形中，哪几种情形能够运上述的实验规律进行解释&&&&．A．乒乓球运动员拉出的弧圈球能急速旋转而下沉B．将氢气球放手后，它会漂向空中C．直升飞机能够停在空中一定高度处D．船舶航行时应避免两艘靠近的船并排前进．
3（2010o枣庄）夏天，小明的妈妈为了躲避热辣的阳光，自行车的前把上安装了遮阳伞，可自从安装了这把伞后，妈妈骑车时总感觉车把象被人向上提起，这是为什么呢？为探究这个问题，小明制作了一个模型，并把它穿在一根铁丝上，在铁丝的上下各挂一只弹簧测力计，如图所示，然后用电吹风对着模型吹气，结果发现：上面的测力计示数变小，下面的测力计示数变大．（1）经过发现，小明认为模型上方的空气流速&&&&下方的空气流速；模型上方的大气压强&&&&下方的大气压强．（2）小明根据自己的实验给妈妈解释了为什么骑车时感觉车把被向上提起，小明的解释是：&&&&．
该知识点易错题
1（2006o黄冈）在五一游艺晚会上，陈思同学演示了如图所示的实验，排在一条线上的三个碗，中间碗内放一个乒乓球，当用小管向球斜上方吹气，乒乓球将（　　）
2阅读下列材料，然后回答问题．物理学中把具有流动性的液体和气体统称为流体．当流体处于流动状态时，其内部各处的压强有什么规律呢？小明同学将如图甲所示的玻璃管装置按到水流稳定的自来水管上，当水在玻璃管中流动时，可看到两个竖直管中液面的高度并不相同．从图中可以看出在A、B两处管的粗细不同，因而A处流速小，B处流速大，可见流体的压强与流速之间有着一定的关系．接着，小明又自制了一个飞机机翼模型（如图），将其固定在托盘测力计上，在机翼模型的正前方用电扇迎面吹风，来模拟飞机飞行时的气流，比较机翼上下方气流压强的大小，进一步验证了上面的关系．（1）由图甲所示的实验，可以得出流体的压强与流速之间有什么关系？答：&&&&（2）在图乙所示的实验中，电扇转动后，托盘测力计的示数发生了什么变化？答：&&&&（3）下列四种情形中，哪几种情形能够运上述的实验规律进行解释&&&&．A．乒乓球运动员拉出的弧圈球能急速旋转而下沉B．将氢气球放手后，它会漂向空中C．直升飞机能够停在空中一定高度处D．船舶航行时应避免两艘靠近的船并排前进．
3探究“硬币起飞”的条件．（一）查寻规律：在地面附近同一高度或高度差不显著的情况下，空气流速v与压强p的关系可表示为12ρv2+p=C；式中C是常量，ρ表示空气密度．根据上述关系式可知：（1）空气流速越大，压强&&&&；空气流速越小，压强&&&&．（2）常量C表示空气流速为0时的&&&&．（二）设计实验：本研究需要知道硬币的质量m（或重力G）和硬币上（或下）表面面积S．（3）某同学采用如图所示的方法测定硬币上（或下）表面面积．①测得硬币的直径D=&&&&cm．②根据数学公式S=πD2/4即可算出硬币上（或下）表面面积．（4）请你设计一个测定硬币质量（或重力）的实验方案．（三）探究条件：如图所示，在水平桌面上放置一个硬币并沿箭头所示方向吹气，气流通过硬币上部，由于硬币下面没有气流通过，从而产生压力差，给硬币一个向上的动力．（5）根据上述流速与压强的关系式可知，硬币下方空气压强p下=&&&&．（6）刚好将硬币吹起时，硬币上、下表面的压力差△F=&&&&．（四）得出结论：（7）请导出刚好将硬币吹起时吹气速度v的表达式（用ρ、S、m或G表示）．
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