基本信息
- 项目名称：
- 一种高速低阻浅水快艇的设计和实验
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本项目设计发明的新型船模利用船底的双M布局，使得该船在浅水中能够高速航行，能有效用于近海作战、运输等；船首产生的波浪能够被围壁吸收，对河堤的冲刷减小；产生的尾迹小；雷达的反射面积较小。高速行驶中比起普通滑行艇的稳定性更高，颠簸现象大大减轻。在高速转弯时，也依然可以保持平稳地行驶。船体几乎没有大的倾斜，这使得乘坐的舒适度和安全性大大提高。 本项目通过对双M船高性能的原理分析，利用科学的计算方法进行理论验证，自行设计并制造了双M快艇，并且通过模型试验，完成了高速低阻浅水快艇的设计与试验研究。在该原理下制作完成的快艇，具有广泛的应用前景，适合在浅水域及近岸区域航行可用于缉私，巡逻，运输和派遣军队登陆，可用于近海、内河客运交通，以及旅游观光等。
- 详细介绍：
- 项目的目的是设计一个高速、低阻力、浅水航行、高效率的M型高速快艇，并进行模型实验和数值模拟研究。本设计的船型在普通槽道滑行艇的基础上进行改进，M形象地表示出了这种新船型的船体结构。它主要由三部分组成：1、主船体部分，主要用来排水，为船体提供浮力；2、两个围壁，其主要作用有些类似于气垫登陆艇的围裙，起着密封的作用；3、空气通道。充分利用了船底槽道剖面的气层减阻作用和尾部侧向围壁的波浪抑制作用。该船型采用了双排水体结构，其吃水小于同类型的单体船，本设计船型在普通槽道滑行艇的基础上进行改进，将船底槽道从一个增加为四个。M船型充分利用了船首产生波浪能量，将波浪能量转化为一种空气压力，类似于鼓风机的作用，在围壁的密封下，形成一个气垫，从而抬升船体。且M船型形成的气垫，使得船体部分脱离水面，船体与水的接触部分就减少，船体的粘性阻力也因此减少，行驶阻力的降低使得M船型快艇比普通快艇更加节省燃料，增加了舰艇的推进效率，本设计发明利用水动力学和螺旋浆涡流理论，船舶气层减阻，就是在运动船舶与水相接触的船体外表面和水之间，注入空气或主机废气，形成均匀稳定的气液两相混合流薄层，简称“气层”，利用水与气体的密度、粘度的差别，通过船舶实际浸湿面积的减少以及混合流密度、粘度、流动模式的改变，减少运动船舶的总阻力。设计一种具有气垫效应、低阻力的新型的M船型高速快艇的模型，并打算采取两个旋转方向相反的螺旋桨以解决喷水推进器在浅水条件下产生的吸入泥沙等条件，并且由于旋转方向相反而消除偏向力。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 项目主要创新点包括：第一，该设计揭示了M船的机理；该船最突出的设计就是采用了双M船型。从正面来看，双M船底形状恰似两个紧紧相邻的英文字母M。船底的空气通道进口很大，而出口处很小。中央部分是排水区，两侧各自向上凹起而形成的隧道用来反射和吸收高速行驶时的波浪冲力，并将之转化为向上的升力。船体在水面运行的时候，两侧围壁和出口具有密封作用。气流进入时，这些隧道把空气压缩在船身底部，在船底和水面之间形成气垫效应，并借助行驶时涌起的波浪将船身推高，从而减少船体与水体接触面，降低水体摩擦阻力。 第二，该快艇采用了新型的单通道型面设计，通道型面设计选取了三种，分别为二次抛物线型、半圆型、椭圆型。考虑了空气的动力与水波的相互作用，进行了一体化的设计，通过空气动力学合水动力学分析，经过CFD计算，在三种型面设计中椭圆型型面阻力最小，因此，选取了椭圆型型面设计。为了增加通气量，减小阻力，消除尾部波浪，在型面设计上采取了比美国短剑号更大的通道收缩比，约7%。 第三，采用了不等间距四通道布置，在四个通道布置上，本模型采用了中央通道大，两边通道小的不等间距布局。中央通道大可增加进气量；两侧通道主要是消除横向波，所以可以适当减小；由于吃水较浅，减小围壁的长度，同时降低结构重量。 对于国内空白的M型船进行研究和模型实验，我们所研究的高效率的新船型，能够为我国海军发展这种高性能船舶进行技术储备和支持。通过设计和研究找到一种集船舶快速性，耐波性，经济性的新船型，并申请专利。
科学性、先进性
- 本项目通过对双M船的研究以及理论分析，成功揭示了该船高性能的机理，并且通过创新设计和自主实验，采取模型实验与数值模拟相互印证的方案，在制作加工模型的过程中，对于不同的参数的选取用数值模拟的方式进行确认和验证。 利用项目组的计算机工作站，用数值模拟的方法验证新船型的阻力、所需动力性能，以及优化参数的选择，模拟波浪的运动，了解新船型的流体力学和空气动力学特性，更好的研究和解决实验中出现的问题。 模型加工和实验过程均采取规范化流程，对于船模的结构强度和重量的要求严格，模型实验中可以测量模型在静水条件下的吃水，以及运动情况下的吃水，航速，回转半径等性能，在条件允许的情况下，建议进行模型的拖曳实验，准确的测量船型所受阻力情况。 初步下水试验测得，船体的速度可以达到8.05m/s，而通过换算，普通快艇在同排水量情况下，仅仅能够达到5.87米每秒，设计船模的速度是普通快艇的1.4倍，同时吃水量可以降低10%—20%，这是优越的型面设计所达到的结果。
获奖情况及鉴定结果
- 2009年5月在校级科技作品竞赛中获得创新奖 2009年5月被选送参加第十二届北京国际科技产业博览会 2009年5月申请获得了发明专利一项，专利名称：一种具有双体三槽道艇体的滑行艇，申请号：200910083654.4
作品所处阶段
- 该项目已完成模型性能的理论分析分析、计算和验证，还有模型的设计、制作和简单的下水试验以及数据分析。
技术转让方式
- 本项目已申请相关专利，可以通过专利进行技术转让
作品可展示的形式
- 实物模型、视频介绍
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 高性能船作为新一代船舶，在民用和军用方面，都展示出了无比广阔的应用前景。随着高性能船的发展，高性能船舶的研究工作也被推向了一个新的阶段。高性能船舶的船型在不断推陈出新，发展壮大。现今，各濒海国家拥有200海里水域作为自己的专属经济区，而在专属经济区中蕴含着丰富的经济和政治利益。本项目的相关技术一旦发展成熟，将能够应用于濒海作战和濒海运输等领域，当然在专属经济区中也能发挥它的巨大作用。 同时，新型船型能够在浅水中高速航行，对河堤的冲刷小，尾迹和雷达的反射面积小，稳定性高，在高速转弯时，也依然可以保持平稳地行驶，使得乘坐的舒适度和安全性提高，适合在浅水域及近岸区域航行可用于缉私，巡逻，运输和派遣军队登陆，可用于近海、内河客运交通，以及旅游观光等。
同类课题研究水平概述
- 随着现代小型高性能艇的发展，其机动灵活、用途广、造价低、日常运行费用生等优点，近二三十年发展非常迅速，倍受各国海军及航运界的重视。其中，M船的出现使快艇高速低阻浅水的性能得到充分的发挥。相比于普通快艇，M船的特点有：抑制波浪产生、吃水浅、航行稳定性好、速度高。众所周知，近海环境复杂，暗礁密布，因此近海作战以及近海兵力的快速运输存在困难。M船的各种优良性能也为近海作战和近海运输创造了可能。 如今，加强近海作战能力是美国、俄罗斯等军事强国海军转型计划中重要命题之一，而美军的作战试验艇“短剑”号也正是利用了M船的技术。 但是，这种性能优越的双M船在国内的相关研究少之又少，已经落后于国际的先进水平。 我们知道，各濒海国家拥有200海里水域作为自己的专属经济区，而在专属经济区中蕴含着丰富的经济和政治利益。 因此，本项目的开发将使得相关技术得以成熟发展，将能够应用于濒海作战和濒海运输等领域，当然在专属经济区中也能发挥它的巨大作用。而且我们在该项目进行过程中还开发了双M船独立设计平台，具备双M船的快速设计研发能力。我们的项目从设计理念的形成，到型面的设计，再到最后试验模型的验证，具备创新性、科学性、可行性的要求，已经达到了国内先进水平。
