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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COG 529

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