水翼船与机翼理论
水翼船与机翼理论
水翼船与机翼理论1. 引论水翼船在翼载状态通常有良好的耐波性，所产生的余波小，由于入射波引起的速度损失也小。
对于全浸式水翼系统，这些优点尤为显著。
水翼的设计工况一般是亚空泡状态，然而，空泡产生的可能性仍然是一个重要的问题。
讨论中，架设水翼无空泡。
Johnston指出，在选择全浸式水翼系统中的水翼和支柱的结构布局时，有如下一些重要的方面：（1）保持航向稳定性和横摇稳定性。
（2）当水翼露出水面时，能够稳定的恢复到浸没状态。
（3）恶劣海况下航行性能温和的趋向恶化。
（4）安全性。
设计者力图使水翼的升阻比和空泡初生时的航速最大化。
而满足结构要求的条件下，必须实现支柱—水翼系统质量的最小化。
以下首先描述水翼船的主要特征和重要的物理特性。
其次是对机翼理论进行详细讨论。
想用数值方法预报水翼船在波浪中以及在启航和操纵过程中的定常特性和非定常特性，机翼理论是一个必要的基础。
机翼理论的描述，将从介绍基于源，汇和偶极分子的边界元方法开始；这个方法可以考虑非线性理论，三维流动，水翼和支柱的相互作用以及自由表面效应。
再次讨论线性理论，线性理论的优越性是，可以更容易地看出攻角，拱度，襟翼和三维流动，如何影响水翼的升力和阻力。
此外，还要讨论自由表面和水翼的相互作用如何影响水翼的定常升力和阻力；这项分析有实验结果的论证。
最后讨论由于入射波浪引起的非定常情况；这将用于计算一个翼载状态的水翼船，在遭遇迎浪规则波或规则波时的垂荡和纵摇运动。
2.水翼船的主尺度图1.1还给出了一个带襟翼的全浸型水翼系统的例子:前支柱用于转向操纵，喷水推进则和后翼布置组合在一起。
喷水系统有一个喷压式的入水口，内部的管道经过内支柱，然后水从船尾喷到空气中，许多现有的水翼船都装有襟翼，它们用于控制纵倾和图1.2给出了各种类型的水翼布局。
表1.1和表1.2分别给出了单体划割自由面型和全浸型水翼船的主要尺度。
3.物理特征3.1 水翼航行状态的静态平衡在翼载状态下，船的重量由水翼系统提供的定常升力来平衡。
机翼理论
3）过 c 的二曲线1c, 2c 与 轴的夹角分别为1 、1 1 ，点1, 2
与2 c 的连线与实轴夹角为2，2 ，近似2 0 ，2 对于z 平面，设z1, z2 为1, 2 的对应点，z12 c,
2 。 x
z2 2 c 与
v2 b
4．空气动力学特性曲线 1）升力系数Cl 与攻角 关系曲线Cl ~
Cl ~ 曲线在实用范围内，近似成一直线，在较大攻角时，略向下弯 曲，当达到最大值后，则突然下降。飞机如在飞行时遇到这种情况，则有 坠毁的危险，这一现象称为“失速”。
“失速”与机翼上表面的气流在前缘附近发生分离现象有关。对一般的 翼型最大升力系数约1.2 ~ 1.5 ，相应角度10 ~ 15 ，飞机的起飞，降落性能与这 个值有关。
第三节 保角变换法
保角变换法（映射）方法的基本思想可简述如下：
将 平面的圆域C 借助于解析函数z f ( ) 变换到z 平面的域Cz ，C 的外区
域对应于Cz 的外区域。由于圆柱绕流问题的解是已知的，于是任意物体绕 流问题的解也可求出来。
这一变换的目的是由 平面的已知流动求z 平面的未知流动。
1
，
点 z1, z2 与 2 c 的连线与实轴夹角为2，2 ，近似2 0 ，2 2 。
由（3）式可得：
1 2 2(1 2 ) 1 2 2(12) 将2 0，2 2 ，2 0 ，2 2 代入，得：
翼型前、后缘的曲率半径，分别以rl ，rt 表示。
相对值：
rl
rl b
rt
rt b
如尾部非圆形而是尖的，以上下弧在尾缘的切线交角 表示，叫后缘角。
以上是表示翼型几何特性的几个主要参数，它们决定了翼型剖面的几 何特性。
为什么水翼船的航速很快
为什么水翼船的航速很快水翼船是一种结合了飞机和船只设计的船舶，它利用水面效应和翼面升力的原理使得航速比其他类型船只更快，同时还具有稳定性和节约能源等优点。
本文将为你详细阐述为什么水翼船具有如此快的航速。
一、水面效应水面效应是水翼船快速航行的重要原理之一。
水面效应（Surface Effect）又叫缩短水线效应（SES），是指船舶在接近水面时将船体下部与水面之间的空气压缩，利用空气体积缩小来减少了浮力面积，从而使船只在水面上获得增大的浮力和减小的阻力，从而提高了船只在水中的速度。
利用水面效应可以让水翼船的下部缩短至最小，比传统船只的水线更短，从而减少了水与船底的摩擦，降低阻力，并且浮力增大，让水翼船在水中行驶时，相比于其他船只，需要消耗更少的能量，保证了高速行驶时的动力。
二、翼面升力翼面升力是水翼船另一个重要的原理。
翼面结构是水翼船最重要的设计元素之一。
水翼船的翼面设计可以提供额外的升力，并且产生与升力大小成比例的阻力，从而推进飞航器，加速航行速度。
翼面升力理论是基于伯努利原理（Bernoulli's Principle）。
伯努利原理提出了气体在高速流动时压力低的规律。
在水翼船的设计中，采用了弧形翼面，它通过利用底面和顶面的不同形状产生的速度和压力差，受到气流上压力的排挤，产生下拉力，这就是升力（lift）。
翼面升力在水翼船的航速中起着很大的作用。
船体通过翼面升力可以减少船体与水面的接触面积，实现快速行进，达到了更高的航速，让水翼船在水中行驶更加快捷，节省时间，提高经济效益。
三、稳定性在水中行驶的船只，稳定性是必须考虑的因素之一。
水翼船采用翼面设计，相较于传统船只来说，具有更高的稳定性。
设在船体两侧的翼面，可以让船只更加稳定。
通过翼面的设计，使得船只在行驶时保持平衡，减小了侧倾的可能性，提高了船只的稳定性。
在极端的天气条件下，船只也非常健壮，能够顶住巨浪和风浪，稳定性更强，降低了安全风险。
第十二章 机 翼 理 论
（１２－３６）
沿展向积分得整个自由涡在y 处的诱导速度：
W 1
l 2
( )d
4 l2 y
（１２－３７）
当y=, 上式为旁义积分,取主值为：
l 2
( )d
lim[
y ()d
l 2
()d ]
l2 y
y 0 l 2
y y
上式近似有 Vk V0
1 (W )2 V0
V0
矢径的斜率，为该
攻角下的升阻比 Ｋ＝CL/CD
四、俯仰力矩系数
定义为：
CM 0
1 2
M0
V02lAb
由Ｃmo～α和CL/CD
求压力中心位置
（合力与翼弦交点）
Ｃmo～α曲线 Ｃm1/4～α曲线
优良翼型压力中心位置随攻角改变变化不大， 否则机翼稳定性较差。
§１２-５ 有限翼展机翼 有限翼展机翼：实际上机翼的展弦比均为有限值
4 y
（12－24） 双曲线分布
方向向下
左自由涡产生的沿翼展的 平均诱导速度为：
w 1 l
le
l vzdy
(12-25)
左右因对称，整个机翼下的平均诱导速度为：
w 2 l
le
l vzdy
将（12-24）式代入上式得
(12-26)
w le dy ln l e ln l1 l
l
L V0
2 ( y)dy
合速度大小 Vk V02 W 2
对于小攻角，下洗角Δα为小量，有 tan W V0
宽度为dy的一段机翼的二维升力为 dL Vk( y)dy
按定义升力垂直于来流 dL dL cos V ( y)dy
诱导阻力 dDi dL tan W ( y)( y)dy 整个机翼的升力和诱导阻力
基于机翼理论的新型水轮发电机
新型水轮发电装置， 如图 １ 和图２ 所 示， 它包括
上盖板 、 下底板 、 左 升 力 型转 子 ７ 、 右升力型转子 １ ２
其轴线对称、 并外凸的流线型的弧线组成。如图 ２ 所 和 由左 升力 型转 子与 右 升力 型 转 子驱 动 的变 速箱 和 变速箱和发电机位于承载板上方。上盖板与 示鱼尾转舵板 、 分水体 、 上盖板与下底板之间构成的 发 电机 ，
图 ２为沿图 １ 中Ａ — Ａ向的剖视示意图。如 图 ２ 连转子为 ‘ 七型多叶片转子 ，其能量来源为水流 下 力及其经过叶片时所激发的升力 。其叶片转子 由 幽的立式机翼型小叶片和其 内侧 的大型薄翼叶片 组成 。所述流线型分水体沿其轴线对称的两侧边及 底边为外 凸的弧线。其 中两个转子的驱动轴输出端
电机 ， 其特征是 ： 所述上盖板与下底板各有一个 ， 变 转子的相同端分别 固定安装有等半径 的齿轮 ，所述 上盖板与下底板之 间位 于升力型转子的进水端 固定
收稿 日期 ： ２ ０ １ ２ — ０ ７ — ０ ５
安装有外凸流线型的分水体 ，逆水端 固定安装有鱼
作 者简 介 ： 林康 ， （ １ ９ ９ １ 一 ） 年生， 陕西安康 人 ， 本科 在读 ， 主要 研究方
１ ． １ 新 型水轮 发 电装置 整体 结构
轴， １ 卜承载板 图 １ 水轮 发电装置的主视结构 示意圈
图ｌ 为水流发电装置的主视结构示意 图。新型 水轮发电装置 ， 它包括上盖板 、 下底板 、 承载板 、 升力 速箱和发 电机位于上盖板的上方 ，上盖板与下底板 型转子 、鱼尾转舵机构及 由转子驱动 的变速箱和发 之 间 固定有 两个 逆 向转 动 的升 力 型转 子 ，各 升 力 型
水翼船资料
水翼船在停泊或以低速航行时与普通排水型船一样，也靠浮力支承。
但随着航速的增高，作用在水翼上的水动力逐渐加大，最后可将除水翼、臂架、推进器和舵以外的整个船体升离水面。
这时，湿面积大为减少，船的兴波几乎消失，总阻力大幅度下降。
水翼船的航速很高，服务航速通常为60km/h～80km/h，最高可达100km/h～115km/h。
为尽量减轻重量，水翼船的船体通常用铝合金，水翼用高强度合金钢制造，并用轻型高速柴油机或燃气轮机作为主机。
一般采用水螺旋桨、喷水推进或空气螺旋桨等推进装置。
与普通排水型船相比，水翼船的造价虽较高，但有着航速高、兴波小的优点，适用于内河、湖泊和沿海作高速客船、交通船、巡逻艇用。
水翼船的特点是行驶在空气跟海水的临界面上，以尽量克服水的阻力。
水翼船靠潜在水中的水翼支持而行。
船底的薄片水翼在船停泊时完全没入水中，船开始运动时，水流经过弯曲的水翼，产生上举力，船走得越快，产生的升力越大，当水翼在水中升起时，把船体完全推离水面。
由于阻碍消除，船的速度大大提高，行驶更为平稳。
水翼产生升力的原理与机翼相同。
它们的差别除了介质密度不同外，水翼存在自由表面影响和可能产生空泡。
水翼升力L大小，与水的质量密度ρ、水翼有效面积S、流速V平方成比例。
可用公式表达：L=CLρV2S/2。
式中CL称水翼升力系数。
深浸式水翼的CL取决于水翼的翼型(平凸弓形、凹凸弓形、机翼形等)、平面形状(矩形、后掠形、菱形、两端加宽形等)、展弦比和攻角等主要参数。
浅浸式水翼的CL还和相对浸深(水翼的浸深与水翼弦长之比)有关，当水翼浸深增加时，升力系数变大，反之即减小，这种现象称为“浅浸效应”。
按前后两组水翼升力相对大小，分为鸭式水翼艇、飞机式水翼艇和串列式水翼艇。
鸭式水翼艇，指后翼升力大于65％艇重。
主要水翼面积在尾部，此处水流相对较稳定，受波浪干扰影响较小，艇的耐波性较好，但前翼面积较小，起飞性能稍差。
若艇的重心位置偏后，采用鸭式配置较好。
舰船水翼动力学特性与优化研究
舰船水翼动力学特性与优化研究随着我国航运业的不断发展，对船舶运行效率的要求也越来越高。
作为船舶性能优化的一种重要手段，舰船水翼的研究受到了越来越多的关注。
本文将介绍舰船水翼的动力学特性和优化研究。
舰船水翼的动力学特性舰船水翼是指固定在船体下部的翼型结构，可以提高船体在水中行驶时的稳定性和灵活性。
水翼的运行原理是通过流体动力学的作用，减少水体与船体的摩擦力，降低船体的阻力，提高船舶的速度和经济性。
舰船水翼的动力学特性主要包括升力和阻力两个方面。
升力是指水翼受到流体动压力的作用而产生的垂直上升力，它与水翼的几何形状、运动状态和流体介质的密度、粘度等有关。
阻力则是指水翼从流体中获得的阻力力，这个阻力力既包括水翼本身的阻力，也包括船体的阻力，同时还包括其他因素如水流干扰等的影响。
舰船水翼的优化研究为了进一步提高舰船水翼的性能，研究者们提出了各种水翼优化策略。
这些优化策略主要包括以下几个方面：1.优化水翼的几何形状水翼的几何形状是影响其升力和阻力的重要因素之一。
通过设计合适的几何形状，可以有效提高水翼的升力、降低阻力、减少湍流阻力等。
例如，采用自由翼面的设计方式，可以使水翼在高速航行时减少气动阻力，提高机动性。
2.优化水翼的工艺制造水翼的制造工艺也会影响其性能。
传统的水翼采用钢制或铝制材料制造，而现代水翼则采用更轻的复合材料，提高了水翼的强度和重量比。
此外，采用机器制造可有效保证水翼的几何形状和加工精度。
3.优化水翼的运动状态水翼的运动状态也会对其升阻特性产生影响。
通过调整水翼的姿态、速度等参数，可以优化水翼的升阻特性。
例如，在高速航行时，通过调整水翼的增升角度，可增加升力，减小阻力。
4.优化水翼与船体的配合水翼与船体的配合也是影响水翼性能的重要因素。
通过优化水翼与船体的安装位置、形状等参数，可以使水翼与船体互相配合，提高水翼的性能。
总结舰船水翼的动力学特性和优化研究是当今航海领域的重要研究方向。
通过深入研究各种优化策略，进一步提高水翼的性能，可以有效提高船舶运行效率和经济性。
机翼理论
L = ρU 0 Γ l
2)
Γ=
L 98000 = = 80(m 2 / s ) ρU 0 l 1.225 × 100 × 10
当α=60时, 升力系数为 0.5， 阻力系数为 0.04， 几何
5. 一矩形机翼, 翼展 24m, 翼弦 6m,
攻角不变, 机翼剖面形状不变。求：弦长为 4m时的升力系数和阻力系数。
11.一飞机自重 28000KN, 翼型为NACA23012,机翼面积 40m2展弦比 6 飞行速度为 360km/h， 空气密度位为 1.225kg/m3. 设机翼形状为矩形。 求：1）升力系数 2）下洗角 解：1）升力系数 3）诱导阻力系数.
CL12
CL 2 2
6. 已 知 某 矩 形 机 翼 的 展 弦 比 λ1 =
l = 5 的 机 翼 , 升 力 系 数 为 CL = 0.6 ， 绝 对 攻 角 b l α a1 =10o ,机翼剖面形状、几何攻角不变，当 λ2 = = 4 时， b
求：1）机翼的升力系数， 2）绝对攻角 3）诱导阻力系数， 解：1）根据展弦比换算条件，相似翼型升力系数相同
展长 10m的矩型机翼, 攻角为 8o时, 阻力系数为 0.075, 升力系数为 1.0, 对于
同样形状的机翼，当展弦比为 6 时， 求：1）升力系数 2）阻力系数 3）几何攻角
解: 1）展弦比很接近，不计升力系数的变化，当 λ =6 时仍取 CL = 1.0 2） λ =5 对于 λ =∞ 对于 λ =6 诱导阻力系数
CDi =
C 2L
πλ
三元机翼的总阻力： 又摩擦阻力，形状阻力，诱导阻力三部分组成。 机翼的展弦比换算： 换算条件：在相似条件下进行换算，即要求两机翼的翼型相同、有效冲角相等，雷 诺数相等，则有两机翼的升力系数相等，阻力系数相等。
水翼船原理
水翼船原理水翼船是一种利用水面效应进行高速航行的船舶，它的设计原理和工作原理都与传统船舶有很大的区别。
水翼船采用水翼技术，通过在船体下方设置水翼，利用水流对水翼的升力产生推进力，从而实现高速航行。
下面我们将详细介绍水翼船的原理。
首先，水翼船的设计原理是基于水面效应的。
水面效应是指当船舶在水面上高速航行时，由于船体下方产生的压力差，会使水面下方的压力低于水面上方的压力，从而产生一个向上的浮力，这种现象被称为水面效应。
水翼船利用水面效应，通过水翼在水面下产生的升力来提高船体的浮力，减小水阻，从而实现高速航行。
其次，水翼船的工作原理是利用水翼在水面下产生的升力来产生推进力。
水翼船通过在船体下方设置水翼，当船舶在水面上高速航行时，水流会经过水翼，水流对水翼产生的升力会使船体产生向前的推进力。
这种推进力不仅可以提高船舶的航行速度，还可以减小船舶的阻力，提高船舶的燃油利用率。
另外，水翼船的稳定性原理也是其设计的重要部分。
水翼船的水翼可以提高船体的浮力，减小船舶的重心高度，从而提高船舶的稳定性。
水翼船在高速航行时，可以通过控制水翼的倾斜角度来调节船体的姿态，保持船体的稳定性，确保船舶在高速航行时的安全性。
最后，水翼船的原理也与船舶的节能环保密切相关。
水翼船利用水面效应和水翼的推进原理，可以大大减小船舶的阻力，提高船舶的燃油利用率，从而降低船舶的运行成本。
此外，水翼船的高速航行还可以缩短航行时间，减少船舶的排放量，降低对海洋环境的影响，实现节能环保的目标。
综上所述，水翼船的原理是基于水面效应和水翼的推进原理，通过利用水翼在水面下产生的升力来提高船体的浮力，减小水阻，实现高速航行。
水翼船不仅可以提高船舶的航行速度，还可以提高船舶的稳定性，降低船舶的运行成本，实现节能环保的目标。
水翼船的原理为船舶设计和航行提供了新的思路和方法，对于提高船舶的性能和节能环保具有重要意义。
水翼船原理特点及其使用与维修
J S2000-3-02 □船舶设计与研究□关键词:水翼船 船舶性能 船舶动力装置 维修水翼船原理特点及其使用与维修张大雄 摘要 在我国各地航线上营运的水翼船约有70余艘。
虽然水翼船的发展已近百年,但对于我国航运界仍是近几年接触的“新鲜”事。
营运中发生的事故不少,这与对水翼船的原理、特点和使用中必需的相关知识尚未被普及有关系。
本文简要介绍了一些水翼船的原理、特点,包括航态和阻力特点,吃水特点,结构和材料特点,动力系统特点,操纵特点等。
可供操作、使用、保养、维修时参考。
0 前言水翼船是一种高速高性能的水上运输工具,是航空机翼理论在船舶上的推广应用。
几乎在飞机发展的同时,就有人研究水翼船。
在二次世界大战后,开始有民用水翼客船投入营运,各发达国家设计建造的水翼船型号有数十个。
其中以原苏联发展和使用水翼船最多,在1970年前,以平均每年研制一个型号的速度开发了12个型号。
在1970年之后,又开发了7个型号。
在350余条航线,约4万公里航程上曾有成千艘水翼船在服务。
美国则重点开发高级的全浸自控海上水翼客船,具有非常优越的耐波性。
意大利则成批生产沿海自稳式或自稳加自控割划水面式水翼船,自成系列。
我国自1959年建成第一艘铆接铝合金的浅浸自稳式长江水翼客船“水翼一号”后,因缺乏大功率轻型柴油机和可焊铝合金,以及生活水平的限制而发展缓慢。
为了开发军用水翼船,在水翼水动力特性、水翼船性能试验研究和水翼理论研究方面经过30余年努力,也曾试制多种自航试验艇,取得了丰富的数据、资料和实践经验,共编写各种论文和试验研究报告150余篇。
1983年,在国际高速船会议上发表的“新型长江水翼客船研究”一文,曾荣获以美国水翼船学会主席“Peter Dorey”命名的银杯奖。
1985年曾研制全铝焊接小型水翼客船“飞鱼号”,于1988年9月建成并试航成功,为我国水翼船发展事作者介绍:张大雄1957年毕业于上海交通大学船舶工程专业,中国船舶科学研究中心教授级高级工程师,享受国务院特殊津贴的专家,是国内水翼艇领域享有盛名的专家。
水翼船原理特点及其使用与维修
J S2000-3-02 □船舶设计与研究□关键词:水翼船 船舶性能 船舶动力装置 维修水翼船原理特点及其使用与维修张大雄 摘要 在我国各地航线上营运的水翼船约有70余艘。
虽然水翼船的发展已近百年,但对于我国航运界仍是近几年接触的“新鲜”事。
营运中发生的事故不少,这与对水翼船的原理、特点和使用中必需的相关知识尚未被普及有关系。
本文简要介绍了一些水翼船的原理、特点,包括航态和阻力特点,吃水特点,结构和材料特点,动力系统特点,操纵特点等。
可供操作、使用、保养、维修时参考。
0 前言水翼船是一种高速高性能的水上运输工具,是航空机翼理论在船舶上的推广应用。
几乎在飞机发展的同时,就有人研究水翼船。
在二次世界大战后,开始有民用水翼客船投入营运,各发达国家设计建造的水翼船型号有数十个。
其中以原苏联发展和使用水翼船最多,在1970年前,以平均每年研制一个型号的速度开发了12个型号。
在1970年之后,又开发了7个型号。
在350余条航线,约4万公里航程上曾有成千艘水翼船在服务。
美国则重点开发高级的全浸自控海上水翼客船,具有非常优越的耐波性。
意大利则成批生产沿海自稳式或自稳加自控割划水面式水翼船,自成系列。
我国自1959年建成第一艘铆接铝合金的浅浸自稳式长江水翼客船“水翼一号”后,因缺乏大功率轻型柴油机和可焊铝合金,以及生活水平的限制而发展缓慢。
为了开发军用水翼船,在水翼水动力特性、水翼船性能试验研究和水翼理论研究方面经过30余年努力,也曾试制多种自航试验艇,取得了丰富的数据、资料和实践经验,共编写各种论文和试验研究报告150余篇。
1983年,在国际高速船会议上发表的“新型长江水翼客船研究”一文,曾荣获以美国水翼船学会主席“Peter Dorey”命名的银杯奖。
1985年曾研制全铝焊接小型水翼客船“飞鱼号”,于1988年9月建成并试航成功,为我国水翼船发展事作者介绍:张大雄1957年毕业于上海交通大学船舶工程专业,中国船舶科学研究中心教授级高级工程师,享受国务院特殊津贴的专家,是国内水翼艇领域享有盛名的专家。
机翼理论
旋涡起因： (1) 粘性：均匀流体经过物体（边界层）时运动变为有旋； (2) 非正压流场：大气和海洋中的密度分层形成旋涡； (3) 非有势力场：地球哥氏力使气流生成旋涡（旋风）；
(4) 流场的间断（非连续）：曲面激波后形成有旋流动。
Helmholtz定理 - 涡线和涡管保持定理
Th.3 如果流体理想、正压、质量力有势， 则组成涡线的流体质点永远组成此涡线。 Th.4 如果流体理想、正压、质量力有势， 则组成涡管的流体质点始终组成此涡管，且 涡管的强度不随时间而变。 综上所述，Kelvin、Lagrange及Helmholtz定理全面 地描述了理想正压流体在有势场中运动时涡量演化的规 律：若流体理想、正压、质量力有势，无旋运动永远无 旋，有旋运动永远有旋；涡线、涡面、涡管及涡管强度 具有保持性。若不满足Kelvin任一条件，则运动过程中 会产生新的旋涡，无旋变成有旋；不具备保持性。
有限长直涡线L 在M点处诱导速度:
d l sin V 2 sin d 4 r 4R 2 L
V cos 2 cos 1 4 R
1
d rd
R M L Γ
2
V 的方向指向纸里。
⑦ 有限长度直涡线：V
cos 2 cos 1 4 R
将机翼的弦线方向取为X方向（从 前缘指向尾缘），由于翼型的厚度很 小，将机翼表面的边界条件近似在x 轴上得到满足。
V
y
yu yd
x
r V n n
上表面：
On SB
V iU cos jU sin
r y U sin yuU cos
r y r x yu Vy Vx yu
0 c
电动水翼艇的原理
电动水翼艇的原理
1.船体设计：电动水翼艇是一种类似喷气式滑翔机的设计，由一个主要的船体和两个侧翼组成。
船体通常为长而窄的形状，以减少阻力并提高稳定性。
两个侧翼位于船体下方，其上有一组可调的水翼，用来提供升力和控制船体的姿态。
2.电动驱动系统：电动水翼艇使用电动机驱动船体前部的螺旋桨，产生推进力推动船体向前行进。
电动机通常由电池组供电，其容量和功率取决于船体的大小和设计速度。
电动水翼艇可以使用充电宝可充电电池、锂电池、太阳能电池等。
3.水翼系统：水翼是电动水翼艇的核心部件，通过在水下产生升力来提供浮力，并且可以调节以改变船体的姿态和减少摩擦阻力。
水翼的形状和角度需要精确调整，以优化船体的稳定性和性能。
水翼通常由具有合适翼型的高强度材料制成，如碳纤维。
4.舵系统：为了控制电动水翼艇的航向和姿态，舵系统通常包括俯仰舵和滚动舵。
俯仰舵位于船体前部的水翼上，用来调整船体的上下运动。
滚动舵位于船体中部的连接处，用来调整船体的左右倾斜。
舵系统通常由电动或液压驱动，通过电子控制系统来实现。
5.其他系统：除了上述的主要部件外，电动水翼艇还可能包含其他系统来提高性能和安全性。
例如，船体上可能配备有传感器和计算机控制系统，用于监测和调节船体的姿态和稳定性。
此外，还可以配备防护网、紧急停止装置等安全措施。
总的来说，电动水翼艇通过电动驱动系统以及水翼和舵系统的协调配合，实现在水上高速、高效的运动。
它具有较低的阻力和摩擦力，提供了
更加平稳和舒适的乘坐体验。
这种创新的设计使得电动水翼艇成为未来水上交通工具的一个潜在选择。
水翼船
水翼船
水翼船是一种在普通船体下安装有浸在水中的水翼的船舶。
它在高速航行时，水翼产生升力。
速度愈快，升力愈大，将船体向上托起，它可明显减小船体在水中航行所产生的阻力。
据记载，这个办ㄊ桥既环⑾值摹?br> 1861年，英国的机翼设计师莫伊认为，在水里试验机翼的性化比空气中好，因为水的密度是空气的600倍。
于是他在小船上装了三副水下翼进行试验。
结果发现，小船即使以中速行驶，船身也“几乎升出了水面”。
达到一定的速度时，船体完全越出水面，船体与水面摩擦力消失。
1900年左右，意大利米兰的福拉尼尼教授在船底装上四级水翼，时速 43公里时就可升出水面，速度越快，就升得越高，到85公里时，只靠最下一级水翼支撑船身，
在水面滑行。
目前，世界上的水翼艇共分两大类：一类水翼艇的支撑水翼是固定不动的，一般用于轮渡；另一类水翼艇的支撑水翼可以转换角
度，其滑水板总浸在水中。
美国洛克希德公司制造的“普兰维尤”号水翼船排水量300吨，时速110公里。
美国波音公司制造的“塔库姆卡里”号炮舰，时
速93公里，用喷水推进器行驶。
前苏联的“拉基塔级”水翼船是目前世界上数量最多的水翼船，它行驶时离水面比较低，可载100人，航行于世界各地的150多条航线。
前苏联的水翼战船“蝴蝶”号世界最大，排水量400吨，装有3台燃气涡轮机，7万5千马力，时速可达110里。
在民间及军事上，水翼船均有相当的用途最重要的是充当穿越湖泊、大川及内海之短程定期航线上的快速运输。
水翼艇
二.水翼的阻力
水翼在水中运动，除产生升力外还受到一定的阻力， 水翼的阻力分为翼型阻力，诱导阻力和兴波阻力三 部分。翼型阻力是由于液体粘性引起。兴波阻力和 诱导阻力与液体粘性无关，可用计算方法确定。
1.翼型阻力 Cv ：是有液体粘性引起的，包括摩擦 阻力和形状阻力。 实验证明，流体的粘性仅在靠近运动物体的很薄 一层流体中才明显地显示出来，这一薄层称为边 界层。 （1）水翼的摩擦阻力取决于边界层流动的状态。 边界层的流动状态分为：层流、变流和紊流
1958年我国开始对水翼艇的建造进行研究，交通部 船舶设计院设计的小型水翼艇取得初步成功 1958年上海船舶科学研究院和上海交通大学设计了 铝制水翼客船。 1988年中国船舶科学研究中心设计的一艘铝制水翼 艇航行于广州至肇庆的航线上。 90年代，我国黑龙江流域、长江流域、广州沿海等 的多条航线上相继引进了俄罗斯制造的水翼艇。
五、水翼的自动控制
水翼控制是改善水翼艇适航性的重要途径。
水翼自动控制有三大类型： 机械式自动控制 通气控制装置 电子自控装置
9-4 水翼艇的性能
• • • • 水翼艇翼航状态下的吃水和阻力 水翼艇翼航状态下的稳性 水翼艇的适航性 水翼艇操纵性特点
一、水翼艇翼航状态下的吃水和阻力
由于高速翼航时艇体脱离水面，艇体水下阻 力不存在而只有水翼阻力。这里讨论的水翼 艇的阻力主要是翼航以后的阻力，而不涉及 起飞以前的阻力。 （一）翼航时航态的确定 通常艇的设计航态是按照设计要求选定的， 根据艇的重心位置和首尾水翼的符合分配确 定水翼的纵向位置；按照水翼的升力要求确 定水翼的浸深和冲角。
2.水动力特征
• 水翼在水中运动时能 产生平衡水翼船重量 的升力，流体方面的 作用力包括垂直于水 翼表面的水动压力以 及切向力。这些力合 成力为水动力主向量P 和水动力主力距M。主 向量在运动方向和垂 直方向的投影分别为 水翼的阻力R和升力L。
水下升力体水翼船制作
水下升力体水翼船制作作者：来源：《中学科技》2014年第12期水翼船的水翼采用了类似于飞机机翼的升力原理，只是两者所处的介质不同。
由于水的密度比空气的密度要大800倍，所以，水翼船的水翼翼展无需做得像飞机那样长就能取得所需要的升力。
尽管如此，要取得使船体离开水面滑行的升力，像机翼一样扁平的传统水翼船的水翼还是要做得比船体宽。
这对于要经常停靠码头的船舶而言，确实是一件很不方便的事。
而要支撑起前后两个结构相对单薄的水翼，又不得不采用一些很复杂的支架，这又给水翼船带来了很大的附加阻力。
能否把水翼的宽度缩小到船体的宽度以内，不影响船停靠码头，又保持水翼应该达到的升力，把船体托出水面滑行呢？水下升力体科学家们为此进行了大量的计算和试验。
结果发现，在升力不变的情况下，要缩短水翼的翼展，只要把水翼的厚度加厚就可以了，这样，当薄翼面的水翼展长缩短到不影响船体横向尺度的时候，水翼就变得很厚了！这个变厚的水翼，科学家称之为“水下升力体”。
水下升力体不仅能产生很大的升力，对船体具有很好的抬升效果，而且由于其体积比薄水翼明显增大，为舰船提供了额外的浮力，大大增加了舰船的运载能力。
水翼船的船艉有一个水下横向水翼，它能用先进的航行控制系统对船的前后颠簸与摇摆进行自动控制。
使用水下升力体的新型水翼船的推进系统用的是大功率的喷水推进装置，由一个安装在船体上的进水口进水，再通过安装在船体内的水泵使水从船艉的喷口喷出。
喷水推进系统比较安全，故障率低。
模型制作图1是简易的水下升力体水翼船的示意图，这是一艘类似侧壁式气垫船的船体加上水下升力体的试验船。
图2是其三视示意图。
接下来，我们开始制作这艘水翼船实体模型。
用松木片和松木条按图3所示制作船体和两边的侧壁条，将侧壁条用胶水粘在船体的两侧下方。
船艉的中间下面粘上一块木块，作为船艉水下横向水翼的安装支架。
船艏的型线是比较难处理的，我们先在船体前部和侧壁上画线，然后根据画的线用木锉刀锉出船艏的形状和侧壁前面破水的尖削型线（图4），再用粗、细砂纸打磨光滑。
中考物理知识点：飞机和水翼船
中考物理知识点：飞机和水翼船
中考物理知识点：飞机和水翼船
飞机为什么能上天
1、流体的压强与流速的关系
流体流动时，流速大的地方压强小，流速小的地方压强大。
2、飞机为什么能上天
机翼的纵截面上面弯曲的程度比下面大，飞机飞行时，机翼上、下表面的空气流速不同，上方空气的流速比下方空气的流速快。
流体流动时，流速大的地方压强小，流速小的地方压强大。
机翼下方受到的压强大于上方受到的压强，这样就产生了作用在机翼上的向上的力，叫做举力或升力。
举力是竖直向上的，它跟飞机所受的重力方向相反，当举力大于重力时，飞机就上升。
水翼船
水翼船的船身下面前后方装有水翼，水翼的纵截面上面弯曲的程度比下面大。
靠船尾甲板上的螺旋桨向后吹空气获得的动力。
当达到一定的速度时，水对水翼产生足够的举力（升力），使船体不再吃水而处于水面之上。
这时船所受的水的阻力大大减小，得以高速行驶。
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飞机与船只的浮力原理
飞机与船只的浮力原理飞机和船只是人类在水上和空中运输工具中最常见的两种形式。
它们在水面上或空中飞行时，都要依靠浮力来维持平衡和稳定。
本文将探讨飞机与船只的浮力原理及其应用。
一、浮力的定义和原理浮力是指物体在液体或气体中所受到的向上的力，它是由于物体排开液体或气体而产生的。
根据阿基米德定律，物体浸泡在液体中受到的浮力等于所排开液体的重量，与物体自身的重量成正比。
飞机在飞行中依靠翼面产生的升力来提供浮力，而船只则依靠船体形状及所占据的水体体积来获得浮力。
二、飞机的浮力原理飞机的主要浮力是由机翼产生的升力提供的。
机翼上表面和下表面之间的压差导致了升力的产生。
空气在机翼上表面流动时，由于遇到机翼形状的改变和倾斜角度而加速流动。
根据贝努利定律，空气流动速度增加时，压力就会降低。
因此，机翼上表面的压力较低，下表面的压力较高，形成了向上的升力。
此外，飞机在飞行中还借助尾翼产生的反升力来控制姿态和稳定飞行。
尾翼上表面的压力较高，下表面的压力较低，由此产生的反升力可以使飞机维持平衡和稳定。
三、船只的浮力原理船只的浮力是通过船体形状和占据的水体体积来获得的。
船只的船体通常采用凸起的形状，这样可以使船底和水面之间形成一个封闭的空间。
当船只沉入水中时，所排开的水体体积与船只的重量相等，并产生向上的浮力。
根据浮力的原理，如果船只的重量增加，它所排开的水体体积也会增加，从而产生更大的浮力。
这就是为什么船只能够携带货物和乘客，并且浮在水面上的原因。
四、飞机与船只浮力原理的应用飞机和船只的浮力原理在实际运输中有着重要的应用。
飞机利用升力的大小来控制飞行高度和俯仰角度，从而实现安全的飞行。
通过调整飞机机翼的形状和倾斜角度，可以改变升力的大小和方向，实现转弯、爬升和下降等动作。
船只则根据所需载重量和稳定性来设计船体形状和大小。
根据浮力原理，在设计船只时需要考虑船体形状和重量分布，以确保船只在水中保持平衡和浮起。
除了飞机和船只，浮力原理还被广泛应用于其他领域，如潜水艇、悬浮交通工具等。
机翼理论
NACA层流翼型系列应用较多
例如
NACA6 4 - 2 0 8
设计CL＝0.2
层流 最低压力点位置离 前缘0.4的弦长处
相对厚度 t 8%
层流翼型的基本形状及最小压力点位置
此外还有前苏联，德国、英国的翼型，我国 也曾设计自己翼型，但应用最多的是NACA系 列翼型。
工程实际中应用的一些翼型的基本形状：
后缘总是尖的（产生环量）
圆前缘:减小形状阻力 尖前缘:减小压缩性所引起的激波阻力或自由表面
所引起的兴波阻力
翼型的几何参数：
中线（center line):翼型内各圆弧中点的连线 翼弦（chord): 中线两端的连线,常作为翼型基线
对称翼型：中线与弦线重合
厚度（thicheness)ｔ：翼弦的垂线与翼型上下表
即 x 40%
最大厚度是弦 长的百分之几
即 t 12%
２）NACA五位数字翼型
例如
NACA2 3 0 1 2
最大拱度为 弦长的百分几
即 f 2%
最大拱度的相对 位置的百分之半
2x f 30%
相对厚度 t 12%
五位数字翼型的厚度分布仍（１２-３）式
３)NACA层流翼型
翼面上最低压力点位置尽可能后移，以延长
由于附着的作用，Ｂ向T移动，在达T点之前， 不断启动涡流向下游，Γ也不断增大，B不断向 T点推移，直至T点为止。
机翼以Ｖｏ继续，后缘不 再有涡脱落，Γ也不再 变化，Γ只与翼面的几 何形状及Ｖｏ的大小与方 向有关。
最终，翼型上、下两股流体将在后缘汇合。
翼剖面上、下两股流体将在翼剖面的后 缘处汇合，流动图案如下：
二、机翼的平面图形 机翼的常见平面图形：
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水翼船与机翼理论
1. 引论
水翼船在翼载状态通常有良好的耐波性，所产生的余波小，由于入射波引起的速度损失也小。
对于全浸式水翼系统，这些优点尤为显著。
水翼的设计工况一般是亚空泡状态，然而，空泡产生的可能性仍然是一个重要的问题。
讨论中，架设水翼无空泡。
Johnston指出，在选择全浸式水翼系统中的水翼和支柱的结构布局时，有如下一些重要的方面：
（1）保持航向稳定性和横摇稳定性。
（2）当水翼露出水面时，能够稳定的恢复到浸没状态。
（3）恶劣海况下航行性能温和的趋向恶化。
（4）安全性。
设计者力图使水翼的升阻比和空泡初生时的航速最大化。
而满足结构要求的条件下，必须实现支柱—水翼系统质量的最小化。
以下首先描述水翼船的主要特征和重要的物理特性。
其次是对机翼理论进行详细讨论。
想用数值方法预报水翼船在波浪中以及在启航和操纵过程中的定常特性和非定常特性，机翼理论是一个必要的基础。
机翼理论的描述，将从介绍基于源，汇和偶极分子的边界元方法开始；这个方法可以考虑非线性理论，三维流动，水翼和支柱的相互作用以及自由表面效应。
再次讨论线性理论，线性理论的优越性是，可以更容易地看出攻角，拱度，襟翼和三维流动，如何影响水翼的升力和阻力。
此外，还要讨论自由表面和水翼的相互作用如何影响水翼的定常
升力和阻力；这项分析有实验结果的论证。
最后讨论由于入射波浪引起的非定常情况；这将用于计算一个翼载状态的水翼船，在遭遇迎浪规则波或规则波时的垂荡和纵摇运动。
2.水翼船的主尺度
图1.1还给出了一个带襟翼的全浸型水翼系统的例子:前支柱用于转向操纵，喷水推进则和后翼布置组合在一起。
喷水系统有一个喷压式的入水口，内部的管道经过内支柱，然后水从船尾喷到空气中，许多现有的水翼船都装有襟翼，它们用于控制纵倾和图1.2给出了各种类型的水翼布局。
表1.1和表1.2分别给出了单体划割自由面型和全浸型水翼船的主要尺度。
3.物理特征
3.1 水翼航行状态的静态平衡
在翼载状态下，船的重量由水翼系统提供的定常升力来平衡。
对于
全浸型水翼系统，可以得到：
Mg=p/2*C L U2A
此式也用于说明，水翼的平面面积如何随船体大小的增长而增长。
船体重量的增加，对有效载荷产生负面影响，对商业客船来说，是最大载客量的减少。
然而，从结构强度的观点来说，设计水翼—支柱系统，使它的重量相对船体的重量而言，随船体重量的增加而只有轻微的增加，是完全可能的。
为了确定船舶的纵倾角，需要分别考虑首尾水翼的升力系数。
单个水翼的升力系数C L取决于许多参数，如来流的攻角，襟翼角，拱度，厚度，弦长比，展弦比，水翼浸深与最大弦长之比，潜深弗劳德数，来自上游水翼的干扰，空泡数，雷诺数。
水翼表面的其他细节也很重要。
此外，潜深弗劳德数在浅水中，也有很大影响。
图1.5示意地说明了定常升力如何随攻角和襟翼角而变化。
3.2主动控制系统
主动控制系统通常用于全浸式水翼船，以维持船舶在静水中的升沉，横倾和纵倾的稳定性。
该系统也用于操纵控制和降低由波浪引起的加速度及船与波浪在竖直方向的相对运动。
用传感器测量水翼船的位置，用襟翼来抵消位置的变化。
作为主动控制系统的一部分，需要有描述水翼船运动特性的计算机程序。
带有主动控制系统的水翼船，常采用凌波平驰模式和依浪起伏模式。
在长波中采用依浪模式，可使船与波的垂向相对运动降至最低，从而避免水翼的吸气和刮水。
在较短的波浪中采用凌波模式，可使船
舶在竖直方向的加速度降至最小。
3.3空泡
设计在亚空泡条件下的水翼，因为空化问题而使船速限制在50节以下。
当水中的压力等于汽化压力，即接近零时，空泡就会出现。
空化的后果一个是，水翼的材料迅速破坏和水翼的举升能力极大降低；另一个是水翼上的阻力增加。
因为空化时伴随噪音产生，当空泡可能造成破坏时，人们在船上就可以听到。
以下将通过研究一个有襟翼的二维水翼周围的压力分布（见图1-8），来阐述在水翼上出现空泡的可能性。
总压力可表示为：P=P a+ρgh+ρ/2*U2(1-(U L/U)2)
为了减小空化的可能性，沿水翼的压力分布应该比较平坦，即没有很突兀的局部压力极小值。
用给定水翼的无空泡斗曲线可以判别空化的可能性。
用图1.8的例子来说明这个计算过程。
引入压力系数
C p=(p-p0)/0.5 U2
如果最小压力小于或等于汽化压力，空化就会在水翼上的某点发生。
为了延缓空泡，而对尾水翼做出恰当设计时，需要求出首水翼在尾水翼上产生的下洗速度。
图1.13展示了数值计算的下洗速度。
3.4 从壳载到翼载状态
设计时要重点考虑的是，推进系统要有足够的功率和效率来抬升船体，使之达到翼载状态。
当使用喷水推进时，这是要特别关注的地方。
图1.15所示的推进器推力曲线对应于一个设定的功率。
从中看出，
推力随航速的增加而减小。
这里同时使用了常规螺旋桨和喷水推进器。
注意到，在图1.15中，航速约20节附近，阻力曲线有一个阻力峰。
那时船体还在水中，裸体阻力，附体阻力都要考虑。
静水中的阻力峰在决定推进功率时至关重要。
还需留出20%~25%的余量，以考虑在实际海况下最大可能的阻力增加。
翼载状态时的阻力包括：
（1）水翼和支柱上的粘性阻力。
（2）诱导阻力。
（3）水翼和支柱的波浪阻力
（4）支柱上的喷溅阻力。
此外，还有附体阻力和螺旋轴上的阻力。
翼载状态时，由升力诱导的作用在水翼上的阻力，将随航速的增加而降低。
其原因是：首先考虑到诱导阻力系数C D与升力系数的平方C L2成正比；其次，船舶的总重量与总升力相互平衡，这意味着，随着航速的增加，C L与U-2成反比的减小。
因此，升力诱导的阻力系
数和阻力分别于U-4和U-2成正比。
起飞后出现的最小阻力是由升力诱导的阻力产生的。
当水翼船处于巡航速率时，主要的阻力分量是作用在水翼和支柱上的粘性阻力。
由于粘性阻力受表面粗糙度的影响较大，因此需要经常对水翼和支柱进行清理。
水翼船与机翼理论
姓名赵伟栋
班级船舶122
学号1205080226
2014/7/8。