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第1章 引论1

1.1 运行限制10

1.2 水动力优化16

1.3 主要章节的内容综述16

第2章 阻力与推进19

2.1 引论19

2.2 粘性水阻力21

2.2.1 Navier-Stokes方程26

2.2.2 雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程29

2.2.3 二维湍流边界层方程30

2.2.4 沿光滑平板的湍流，摩擦阻力分量31

2.2.5 形状阻力分量40

2.2.6 船体表面粗糙度对粘性阻力的影响45

2.2.7 水翼的粘性阻力49

2.3 空气阻力分量55

2.4 喷溅和防溅条的阻力分量56

2.5 波浪阻力分量58

2.6 其他阻力分量59

2.7 船舶阻力的模型试验61

2.7.1 其他相似参数64

2.8 半排水量型单体船和双体船的阻力分量65

2.9 伴流68

2.10 螺旋桨73

2.10.1 螺旋桨的敞水特性80

2.10.2 高速艇的螺旋桨83

2.10.3 船体—螺旋桨的相互作用90

2.11 喷水推进92

2.11.1 用模型试验决定推力和效率94

2.11.2 入水口处的空化104

2.12 练习108

2.12.1 相似率108

2.12.2 由动量守恒求阻力109

2.12.3 绕支柱的粘性阻力110

2.12.4 喷水推进系统的推力和效率111

2.12.5 利用喷水射流操纵114

第3章 波浪115

3.1 引论115

3.2 有限水深和无限水深下的简谐波117

3.2.1 自由面条件117

3.2.2 线性长峰前进波119

3.2.3 波能传播速度123

3.2.4 波浪从深水向浅水传播126

3.2.5 波浪折射129

3.2.6 表面张力132

3.3 海况的统计描述134

3.4 海况的长期预报138

3.5 练习140

3.5.1 规则波中流体粒子的运动140

3.5.2 晃荡模态141

3.5.3 二阶波浪理论142

3.5.4 Boussinesq方程143

3.5.5 粘性流体中的重力波143

第4章 波浪阻力和余波145

4.1 引论145

4.1.1 波浪阻力145

4.1.2 余波148

4.2 深水中的船波151

4.2.1 Kelvin角的简化计算153

4.2.2 远场波浪图案154

4.2.3 船舶航迹中的横波157

4.2.4 例子161

4.3 深水中的波浪阻力161

4.3.1 例子：Wigley的楔形体164

4.3.2 例子：Wigley船模165

4.3.3 例子：Tuck抛物形支柱167

4.3.4 2.5D（2D＋t）理论169

4.3.5 多体船176

4.3.6 SES和ACV的波浪阻力180

4.4 有限水深中的船舶182

4.4.1 波浪图案185

4.5 浅水中的船舶189

4.5.1 近场描述189

4.5.2 远场方程190

4.5.3 超临界速率下的远场描述191

4.5.4 亚临界速率下的远场描述194

4.5.5 力和力矩195

4.5.6 纵倾和升沉198

4.6 练习200

4.6.1 薄船理论200

4.6.2 串联双支柱201

4.6.3 拖曳水池中的定常船波201

4.6.4 余波202

4.6.5 圆形航线上的船波图案203

4.6.6 内波204

第5章 表面效应船207

5.1 引论207

5.2 气垫内水位高度210

5.3 气垫对横稳性高的影响211

5.4 尾封气囊特性213

5.5 首密封指特性216

5.6 漂石振荡220

5.6.1 气垫中均匀压力共振221

5.6.2 气垫内的声波共振227

5.6.3 自动控制232

5.7 波浪中的阻力增加和速度损失234

5.8 耐波特性237

5.9 练习239

5.9.1 零航速时的气垫支撑239

5.9.2 尾封囊下的定常气流240

5.9.3 用T形水翼减缓漂石振荡241

5.9.4 波动方程241

5.9.5 声速242

5.9.6 声学共振的漂石振荡242

第6章 水翼船和机翼理论243

6.1 引论243

6.2 水翼船的主尺度244

6.3 物理特征248

6.3.1 水翼航行状态的静态平衡248

6.3.2 主动控制系统249

6.3.3 空泡250

6.3.4 从壳载到翼载状态256

6.3.5 操纵261

6.3.6 耐波性263

6.4 非线性水翼理论263

6.4.1 二维流动264

6.4.2 三维流动272

6.5 无限流场中绕水翼的二维定常流动及作用力275

6.6 无限流场中绕水翼的二维线性定常流动278

6.6.1 平板284

6.6.2 有攻角和拱度的翼型285

6.6.3 理想攻角及零升力攻角286

6.6.4 Weissinger的1/4～3/4弦长近似287

6.6.5 带襟翼的翼型287

6.7 无限流场中绕水翼的三维线性定常流动289

6.7.1 Prandtl的升力线理论290

6.7.2 阻力294

6.8 水翼上的定常自由表面效应296

6.8.1 二维流动296

6.8.2 三维流动301

6.9 翼间干扰306

6.10 吸气和定常自由面对支柱的效应311

6.11 无界流场中绕水翼的线性非定常流动313

6.11.1 二维流动313

6.11.2 二维平板水翼周期性的垂荡和纵摇315

6.11.3 三维流动317

6.12 翼载状态下波浪诱导的运动318

6.12.1 迎浪和随浪条件下垂向运动和加速度的例子324

6.13 练习328

6.13.1 水翼—支柱的交接328

6.13.2 格林第二恒等式328

6.13.3 线性化的二维流动329

6.13.4 大展弦比水翼的远场描述329

6.13.5 旋涡的卷绕329

6.13.6 规则波中波浪诱导的垂向运动330

第7章 半排水量型船舶331

7.1 引论331

7.1.1 单体船的主要特性331

7.1.2 双体船的主要特性331

7.1.3 运动控制334

7.1.4 带阻尼的单自由度的质量—弹簧系统337

7.2 规则波中线性波浪诱导的运动341

7.2.1 运动方程348

7.2.2 单体船在迎浪中航行时的简化垂荡分析352

7.2.3 单体船在横浪中零航速时的垂荡运动353

7.2.4 船舶的不定常兴波355

7.2.5 船体的水动力干扰360

7.2.6 波浪辐射阻尼的综述和结论366

7.2.7 船体的升力阻尼367

7.2.8 水翼的升力阻尼369

7.2.9 例子：船体升力和水翼升力对垂荡阻尼的重要性371

7.2.10 用T形水翼对垂向运动进行航行控制372

7.2.11 零航速双体船在横浪中的横摇运动374

7.2.12 高速不定常流动的数值预报378

7.3 线性时域响应383

7.4 不规则波中的线性响应386

7.4.1 短期海况响应386

7.4.2 长期预报388

7.5 波浪中的阻力增加388

7.5.1 规则波中的阻力增加388

7.5.2 不规则波中的阻力增加391

7.6 耐波性392

7.7 动力稳定性396

7.7.1 Mathieu型不稳定性399

7.8 波浪载荷402

7.8.1 非冲击型的局部压力402

7.8.2 双体船的总体波浪载荷405

7.9 练习418

7.9.1 质量矩阵418

7.9.2 二维垂荡的附加质量与阻尼418

7.9.3 线性造波机解419

7.9.4 垂直运动的水翼升力阻尼421

7.9.5 横摇减摇鳍421

7.9.6 横摇的附加质量和阻尼422

7.9.7 双体船甲板上的总体波浪载荷422

第8章 砰击、冲荡和弹振423

8.1 引论423

8.2 局部水弹性砰击效应428

8.2.1 例子：水平湿甲板上的局部水弹性砰击441

8.2.2 局部水弹性的相对重要性442

8.3 刚体上的砰击445

8.3.1 Wagner的砰击模型450

8.3.2 刚性体上的设计压力457

8.3.3 例子：用准定常的梁理论解纵向加强筋上的局部砰击引起的应力458

8.3.4 气垫对砰击的影响459

8.3.5 流体楔的冲击和甲板上浪463

8.4 湿甲板砰击的总体效应467

8.4.1 入水和出水载荷470

8.4.2 三段体模型472

8.5 单体船的总体水弹性效应480

8.5.1 特例：刚体483

8.5.2 均值梁485

8.6 船首外飘的总体效应488

8.7 弹振492

8.7.1 线性弹振496

8.8 总体水弹性效应的相似率498

8.9 练习499

8.9.1 湿甲板砰击的概率499

8.9.2 湿甲板前部的波浪冲击500

8.9.3 刚性楔的入水501

8.9.4 楔形体的落体试验502

8.9.5 广义Wagner方法503

8.9.6 砰击过程中的三维流体效应503

8.9.7 用三段体模型进行冲荡分析503

8.9.8 尾随浪中的遭遇频率波谱504

8.9.9 弹振504

第9章 滑行艇506

9.1 引论506

9.2 滑行艇直航时的稳态行为509

9.2.1 2.5D（2D＋t）理论510

9.2.2 Savitsky公式516

9.2.3 断阶滑行艇522

9.2.4 大展弦比的滑行面526

9.3 静水中航行姿态和阻力的预报529

9.3.1 例子：所有力都穿过COG529

9.3.2 一般情况531

9.4 静稳定性和动稳定性533

9.4.1 海豚运动535

9.5 波浪诱导的运动和载荷548

9.5.1 迎浪中垂荡和纵摇的波激载荷550

9.5.2 迎浪中垂荡和纵摇的频域解555

9.5.3 迎浪中垂荡和纵摇的时域解556

9.5.4 例子：迎浪规则波中的垂荡和纵摇558

9.6 操纵性562

9.7 练习565

9.7.1 滑行船体的2.5D理论565

9.7.2 用纵倾调整尾板使阻力极小化566

9.7.3 静态的横倾回复力矩567

9.7.4 海豚运动569

9.7.5 海豚运动的方程组570

9.7.6 迎浪中波浪诱导的垂向加速度570

第10章 操纵性572

10.1 引论572

10.2 船舶操纵中传统的坐标系和符号576

10.3 深水和中等弗劳德数下的线性船舶操纵性579

10.3.1 小展弦比升力面理论583

10.3.2 横荡和首摇速度和加速度的方程584

10.3.3 航向稳定性586

10.3.4 例子：单体船的航向稳定性588

10.3.5 定常回转588

10.3.6 多体船590

10.3.7 自动控制591

10.4 有限水深和中等弗劳德数下的线性船舶操纵性591

10.5 深水和高弗劳德数下的线性船舶操纵性592

10.6 深水和中等航速下操纵的非线性粘性效应597

10.6.1 横向流动原理597

10.6.2 2D＋t理论600

10.6.3 经验的非线性操纵性模型606

10.7 单体船的纵荡、横荡和首摇的耦合运动607

10.7.1 航向控制对推进功率的影响608

10.8 控制措施611

10.9 六自由度的操纵模型615

10.9.1 欧拉运动方程615

10.9.2 六自由度的线性方程组621

10.9.3 单体船的横荡—横摇—首摇的耦合运动622

10.10 练习630

10.10.1 船舶在运河中的航向稳定性630

10.10.2 作用在操纵运动物体上的非线性、无升力、无粘性的水动力和力矩630

10.10.3 波浪中的操纵和横甩631

10.10.4 中等航速下单体船的线性横荡—首摇—横摇的线性耦合运动633

10.10.5 偶然跌落的管道在水中的高速运动633

附录 测量单位和物理常数636

专业名词术语638

参考文献659