深V型艇系列模型縱向運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)研究

姚朝幫，董文才，許 勇，岳國(guó)強(qiáng)

(1.海軍工程大學(xué) 船舶與動(dòng)力學(xué)院，湖北 武漢 430033;2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064)

滑行艇在靜水中具有較好的快速性，因此得到較廣的應(yīng)用.常規(guī)的滑行艇普遍采用較小的艇底斜升角，艇重不變時(shí)，采用較小的艇底斜升角能提供更大的滑行面，有利于提高靜水快速性，但會(huì)導(dǎo)致波浪中性能惡化.著名的滑行艇美國(guó)系列62的艇底采用較小的斜升角，從舯部到艇艉保持12.5°不變［1］，它的快速性較優(yōu)，但波浪中的運(yùn)動(dòng)幅度較大.為了改善美國(guó)系列62在波浪中的運(yùn)動(dòng)性能，荷蘭Keuning等學(xué)者將該系列舯后部艇底斜升角12.5°分別增大到25°和30°，并盡可能保持其他艇型參數(shù)不變.Keuning的試驗(yàn)結(jié)果表明舯后部艇底斜升角增大后耐波性得到改善，但當(dāng)折角線(xiàn)長(zhǎng)與最大折角線(xiàn)寬之比LP/BPX較小時(shí)，阻力增量較大［2-3］.為了克服艇底斜升角增大后存在的耐波性改善與靜水阻力性能變差之間的矛盾，Keuning開(kāi)展了艇底縱向扭曲的研究［4］，將底部斜升角從舯部25°連續(xù)變換到艉部5°，這為兼顧快速性和耐波性對(duì)艇型的不同要求提供了一種可能的解決途徑，但Keuning的研究只是嘗試性的，其結(jié)果還不能為深V型艇型設(shè)計(jì)提供依據(jù).Fridsma對(duì)艇舯后部斜升角為10°、20°、30°而長(zhǎng)度可變的系列船模在靜水和規(guī)則波、不規(guī)則波中進(jìn)行了試驗(yàn)，考慮了縱傾角、面積負(fù)荷、速度、長(zhǎng)寬比及波浪大小對(duì)縱向運(yùn)動(dòng)性能的影響［5］，但并未能考慮艇艉底部橫向斜升角的變化.深V型艇的阻力及波浪中縱向運(yùn)動(dòng)性能影響因素較多［6-8］，國(guó)內(nèi)對(duì)深V型艇縱向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了初步研究，得出了深V型艇在波浪中縱向運(yùn)動(dòng)隨航速的變化規(guī)律［9］，但未能研究艇型參數(shù)變化對(duì)縱向運(yùn)動(dòng)性能的影響.為了獲得快速性和耐波性兼優(yōu)的高速艇線(xiàn)型，開(kāi)展了本文的試驗(yàn)研究.

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图霸囼?yàn)設(shè)備

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

試驗(yàn)?zāi)Ｐ凸?條，它們的折角線(xiàn)投影長(zhǎng)寬比LP/BPX均為 4.981，面積負(fù)荷系數(shù) AP/▽2/3均為6.051.縱向運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，重心縱向相對(duì)位置Xcgp為6%，艇艉舯部斜升角βM=24.6°，但它們的艉部斜升角βA依次是5°、10°、15°、21.5°、25°.其中Ap為艇底部折角線(xiàn)投影面積，▽為排水體積，重心縱向相對(duì)位置Xcgp=(XAP－Xg)/LP，其中XAP為折角線(xiàn)投影面AP的形心，Xg為重心縱向位置.

圖1 JYK系列模型橫剖線(xiàn)圖Fig.1 Body plans of JYK

5條模型的舯前部相同，舯后部的折角線(xiàn)相同.為了保證折角線(xiàn)相同，艉部斜升角變化引起了艉部龍骨高度的變化.為了更直觀地說(shuō)明艉部斜升角變化帶來(lái)的艉部線(xiàn)型的變化，圖1給出了模型JYK-1和JYK-5的橫剖線(xiàn)圖.更詳細(xì)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼掌霸囼?yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)文獻(xiàn)［10］.

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)于2008年3月下旬在中國(guó)特種飛行器研究所高速拖曳水池里完成.試驗(yàn)水池長(zhǎng)510 m，寬6.5 m，水深5 m.波浪由16片搖板式造波機(jī)產(chǎn)生，波高由固定式浪高儀測(cè)量，浪高儀固定在搖板式造波機(jī)前方60 m處.阻力的測(cè)量采用BLR-1型拉力傳感器和TEAC SA-55直流放大器，BLR-1型拉力傳感器量程為0～40 N，精度為0.2%.運(yùn)動(dòng)加速度的測(cè)量采用 FML-A100加速度傳感器，量程為±3g(g重力加速度)，誤差為1%.縱搖的測(cè)量采用TC-11A型垂直陀螺儀，測(cè)量誤差小于0.1°.垂蕩采用拉線(xiàn)式位移傳感器測(cè)量，誤差為1%.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)波長(zhǎng)范圍為1.5～13 m，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)船長(zhǎng)比λ/LP=0.6～5.2;艇模速度 V=2.44 m/s、4.55 m/s，對(duì)應(yīng)的體積傅氏數(shù)依次為 F▽=1.18、2.20.

2.1 艉部斜升角變化對(duì)垂蕩響應(yīng)的影響

圖2給出了速度2.44、4.55 m/s時(shí)艉部斜升角變化對(duì)垂蕩的影響曲線(xiàn)，其中ξa為波幅，Za為垂蕩單幅值.

圖2 艉部斜升角對(duì)垂蕩的影響Fig.2 Heave amplitude at different deadrise

由圖2可知:當(dāng)體積傅氏數(shù)F▽=1.18時(shí)(排水航行狀態(tài))，艉部斜升角βA由5°增加到25°，引起1.8≤λ/LP≤2.8范圍內(nèi)垂蕩幅值下降，在垂蕩峰值處(λ/LP=2.4)，βA由5°增加到25°，垂蕩幅值減少9.8%;當(dāng)體積傅氏數(shù)F▽=2.2時(shí)(半滑行狀態(tài))，艉部斜升角也會(huì)引起垂蕩峰值附近垂蕩幅值的下降，不過(guò)下降的幅度較小.對(duì)于λ/LP≤1.6范圍內(nèi)，艉部斜升角變化對(duì)垂蕩幅度的影響不大.綜上所述: JYK系列深V型艇，艉部斜升角增加會(huì)引起垂蕩峰值附近垂蕩幅值的下降，排水航行(F▽=1.18)時(shí)，垂蕩下降較為明顯，半滑行狀態(tài)(F▽=2.2)時(shí)，垂蕩幅值下降的程度較小;較短波長(zhǎng)范圍內(nèi)，艉部斜升角變化對(duì)垂蕩幅度的影響甚微.

2.2 艉部斜升角變化對(duì)縱搖響應(yīng)的影響

圖3給出了速度2.44、4.55 m/s時(shí)艉部斜升角變化對(duì)縱搖的影響，其中θa為縱搖單幅值，k為波數(shù).

圖3 艉部斜升角對(duì)縱搖的影響Fig.3 Pitch amplitude at different deadrise angles

由圖3可知:當(dāng)體積傅氏數(shù)F▽=2.2時(shí)，艉部斜升角變化對(duì)縱搖的影響不大，只是在長(zhǎng)波(λ/LP＞4)范圍內(nèi)，βA=10°時(shí)的縱搖值小于其他艉部斜升角時(shí)的縱搖值;當(dāng)艇體處于排水航行狀態(tài)(F▽=1.18)，在波長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)(1.8≤λ/LP＜4.4)，艉部斜升角βA=15°所對(duì)應(yīng)的縱搖值最小，其他艉部斜升角時(shí)的縱搖值基本相當(dāng).

2.3 艉部斜升角變化對(duì)垂向運(yùn)動(dòng)加速度的影響

圖4～6分別給出了速度2.44、4.55 m/s時(shí)艉部斜升角變化對(duì)艏部、重心處、艉部垂向運(yùn)動(dòng)加速度的影響，其中aF、aG、aA依次為艏部9.5站處、重心處(Xcgp=6%)、艉部0站處的垂向運(yùn)動(dòng)加速度.

圖4 艉部斜升角對(duì)艏部垂向運(yùn)動(dòng)加速度的影響Fig.4 Vertical acceleration of bow at different deadrise angles

圖5 艉部斜升角對(duì)重心處垂向運(yùn)動(dòng)加速度的影響Fig.5 Vertical acceleration of center of gravity at different deadrise angles

由圖4～6可知:當(dāng)艇處于排水航行且波長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)(F▽、λ/LP＞1.6)，βA=10°時(shí)的艏部及艉部垂向運(yùn)動(dòng)加速度比其他艉部斜升角時(shí)的加速度略大0.02g～0.04g，考慮到加速度測(cè)量誤差為0.03g，可以認(rèn)為艉部斜升角變化對(duì)艏部、重心處、艉部垂向運(yùn)動(dòng)加速度的影響不大.

圖6 艉部斜升角對(duì)艉部垂向運(yùn)動(dòng)加速度的影響Fig.6 Vertical acceleration of stern at different deadrise angles

2.4 艉部斜升角變化對(duì)波浪中阻力的影響

圖7中給出了速度2.44、4.55 m/s時(shí)艉部斜升角變化對(duì)阻力的影響，Rt表示阻力.試驗(yàn)時(shí)名義波高60 mm，但不同波長(zhǎng)時(shí)實(shí)測(cè)波高有所差別.考慮到不同波長(zhǎng)時(shí)實(shí)際波高的變化，為了便于分析艉部斜升角變化對(duì)阻力的影響，圖8中還給出了速度2.44、4.55 m/s時(shí)JYK模型單位波高阻力的比較.

從圖7、8可知:艉部斜升角變化對(duì)波浪中阻力的影響并不是單調(diào)的，在所測(cè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，當(dāng)艇體處于排水航行狀態(tài)(F▽=1.18)，艉部斜升角βA=10°的阻力最小，βA=15°時(shí)的阻力較小，βA=25°時(shí)艇體阻力最大;當(dāng)艇體處于半滑行狀態(tài)(F▽=2.2)時(shí)，艉部斜升角βA=10°的阻力最小，βA=15°時(shí)的阻力較小，βA=5°時(shí)艇體阻力最大.若以JYK-1(βA=5°)在波浪中的阻力為基準(zhǔn)，F(xiàn)▽=1.18時(shí)，βA=10°、15°的單位波高阻力分別減少5.7%、3.4%，βA=21.5°、25°的阻力分別增加1.2%和4.9%;F▽=2.2，βA= 10°、15°、21.5°、25°的單位波高阻力分別減少7.8%、4.4%、5.1%、2.6%.

圖7 艉部斜升角對(duì)波浪中阻力的影響Fig.7 Resistances at different deadrise

圖8 艉部斜升角對(duì)單位波高阻力的影響Fig.8 Resistances per wave height at different deadrise angles

3 結(jié)論

1)迎浪規(guī)則波中航行時(shí)，在所測(cè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，當(dāng)艇體處于排水航行狀態(tài)(F▽=1.18)，艉部斜升角10°的波浪阻力最小，15°的阻力較小，25°的阻力最大;當(dāng)艇體處于半滑行狀態(tài)(F▽=2.2)時(shí)，艉部斜升角10°的波浪阻力最小，15°的阻力較小，5°的阻力最大.

2)JYK系列深V型艇艉部斜升角增加會(huì)引起垂蕩峰值附近垂蕩幅值下降，排水航行(F▽=1.18)時(shí)，垂蕩下降較為明顯，最大降幅達(dá)9.8%;半滑行狀態(tài)(F▽=2.2)時(shí)，垂蕩幅值下降的程度較小;較短波長(zhǎng)范圍內(nèi)，艉部斜升角變化對(duì)垂蕩幅度的影響甚微.

3)當(dāng)體積傅氏數(shù)F▽=2.2時(shí)，艉部斜升角變化對(duì)縱搖的影響不大，只是在長(zhǎng)波(λ/LP＞4)范圍內(nèi)，艉部斜升角10°時(shí)的縱搖值小于其他艉部斜升角時(shí)的縱搖值;當(dāng)艇體處于排水航行狀態(tài)(F▽=1.18)，在波長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)(1.8≤λ/LP＜4.4)，艉部斜升角15°所對(duì)應(yīng)的縱搖值最小，其他艉部斜升角時(shí)的縱搖值基本相當(dāng).

4)深V型艇艉部斜升角變化對(duì)艏部、重心處、艉部垂向運(yùn)動(dòng)加速度的影響不大.

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