B.H.型氣泡滑行艇阻力模型試驗(yàn)研究

董文才，歐勇鵬，郭日修

（海軍工程大學(xué)船舶與海洋工程系，武漢 430033）

B.H.型氣泡滑行艇阻力模型試驗(yàn)研究

董文才，歐勇鵬，郭日修

（海軍工程大學(xué)船舶與海洋工程系，武漢 430033）

通過艇底開槽的B.H.型氣泡滑行艇（簡稱為B.H.艇）氣層減阻的模型試驗(yàn)，初步研究了不同因素（氣流量、艇速、開槽方式等）對B.H.艇的氣層減阻規(guī)律及運(yùn)動姿態(tài)的影響，并對艇底流態(tài)進(jìn)行了較全面的觀測。結(jié)果表明：當(dāng)空腔在艇底的投影面積相同時，不同開槽方式對噴氣減阻效果的影響不大；航速與氣流量均是影響B(tài).H.艇氣層減阻效果的重要因素，在飽和氣流量下B.H.艇的相對減阻率可達(dá)50%以上，絕對減阻率可達(dá)15%以上。開槽使得不噴氣時的阻力增加較大，但空腔對保持氣層的穩(wěn)定性是相當(dāng)有利的。

氣泡滑行艇；艇底空腔；氣穴；相對減阻率；絕對減阻率

1 引 言

眾多研究表明[1-5]：氣泡高速艇的減阻效果與高速艇底部和水之間能否形成均勻穩(wěn)定的氣層有密切的關(guān)系，而影響氣泡高速艇艇底氣層分布的因素很多，主要包括高速艇的艇型、艇速、艇底結(jié)構(gòu)形式以及噴氣方式、氣流量等。為了推動高速艇氣層減阻技術(shù)在我國的實(shí)際應(yīng)用，同時從氣層減阻技術(shù)本身的特點(diǎn)要求出發(fā)，作者在前期研究基礎(chǔ)上以及國家教育部、科技部有關(guān)項(xiàng)目的支持下，開展了氣層減阻技術(shù)適用船型研究，初步探討了B.H.滑行艇艇底開槽方式、噴氣參數(shù)變化對氣層相對減阻率、絕對減阻率的影響規(guī)律，獲得了一種對艇底氣層保持較為有利的船型，其絕對減阻率可達(dá)10%～15%。

2 B.H.型氣泡滑行艇艇型特征及模型參數(shù)

2.1 B.H.艇艇型特征概述

所謂B.H.型氣泡滑行艇是指在普通滑行艇的底部，從船舯向后進(jìn)行開槽，形成艇底空腔（Bottom hollow），舯前與普通滑行艇區(qū)別不大，舯后艇底線型因開槽而發(fā)生很大變化。當(dāng)B.H.艇高速航行時向艇底噴氣，艇底空腔對誘導(dǎo)產(chǎn)生氣穴相當(dāng)有利[6]，而且空腔的側(cè)壁能夠有效地防止氣泡從舷側(cè)溢出，從而能在艇底形成大而穩(wěn)定的氣穴，大大減少濕表面積，減少摩擦阻力。B.H.型氣泡滑行艇（如圖1所示）不同于氣墊船和槽道滑行艇。氣墊船的墊升高度一般較大，需要消耗大量的主機(jī)功率來維持所需的墊升高度，而B.H.艇能夠以極小的功率消耗來獲得明顯的減阻效果；槽道滑行艇只有在高速滑行時才能在槽道頂部形成有利的空氣潤滑層，加之槽道首尾貫穿，不能較好地保持空氣潤滑層的穩(wěn)定性[7]。

圖1 俄羅斯設(shè)計(jì)的氣泡高速艇艇底示意圖Fig.1 The air cavity ship designed by Russia

2.2 試驗(yàn)艇型設(shè)計(jì)方法簡介

氣泡高速艇的研究及應(yīng)用最為成功的是俄羅斯。前蘇聯(lián)克雷諾夫中央艦船研究院（KSRI）從上世紀(jì)60年代就開始致力于氣層減阻技術(shù)船型研究，并取得了重大成果。由他們公布的相關(guān)資料可以看出，投入運(yùn)營的氣泡高速艇多采用斷階或艇底開槽的形式，如圖1所示。其中，陰影部分之前的底部線型與常規(guī)滑行艇一致，陰影部分的底部線型因適應(yīng)開槽需要而與常規(guī)滑行艇有較大區(qū)別。

俄羅斯學(xué)者Butuzov建議[8]，用于氣層減阻技術(shù)的艇型應(yīng)該滿足以下兩個設(shè)計(jì)要求：

（1）氣穴形成后，至少要減少原艇型40%～50%的濕表面積；

（2）艇底幾何形狀要求能保證較低的氣流量和產(chǎn)生足夠大的壓力降ΔPC。

式中，PC為氣穴產(chǎn)生處壓強(qiáng)，P0為來流壓強(qiáng)。根據(jù)邊界層理論可知：邊界層分離點(diǎn)后的壓力比分離點(diǎn)前流體加速段的壓力低[9]。因此在艇底設(shè)置開槽或斷階以觸發(fā)流動分離，并在分離區(qū)內(nèi)噴氣是獲得足夠大ΔPC的行之有效的措施之一。

結(jié)合上述兩點(diǎn)設(shè)計(jì)要求，參考俄羅斯的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了設(shè)計(jì)。本試驗(yàn)B.H.艇模型參數(shù)如下：模型重34.66kgf，總長1 910.9mm，型寬469.6mm，型深240mm，折角線長1 842.5mm，折角線最大寬度416mm，舯部艇底斜升角19.2°，艉部艇底斜升角18.4°，艉部折角線寬度與折角線最大寬度之比為0.953，重心縱向位置為舯后10%LP，圖3給出了模型未開槽時的橫剖面圖。

本試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)的開槽主要滿足以下原則：

（1）獲得足夠大的開槽面積（40%以上的艇底濕表面積）；

（2）盡量不導(dǎo)致過大的斷階，防止不噴氣時阻力增加過大；

（3）最大限度地減少對艇底線型的破壞。

因此，開槽的區(qū)域?yàn)閺耐辈可郧伴_始直至艇艉，開槽頭部在艇底平面上的投影呈圓形，開槽寬度由前向后逐漸變寬，開槽尾部寬度為尾部折角線寬度的85.7%。開槽面積占折角線投影面積的43.1%，B.H.艇的示意圖如圖2。

試驗(yàn)過程中，采用了兩種方式的開槽（如圖4～5所示），其中方式1的槽深相對于基線不變，槽深由前向后逐漸減??；方式2的槽深相對于基線由前向后逐漸增加，槽深為等槽深，但兩種開槽方式在艇底的投影相同，開槽底部均為平面，開槽方式1的首部斷階高度比開槽方式2大。應(yīng)該注意的是本試驗(yàn)只是探討開槽是否有利于氣層減阻技術(shù)，對艇型優(yōu)選及開槽參數(shù)的變化不做深入探討，這部分將在后續(xù)的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)中進(jìn)行研究。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)時噴氣位置位于艇底空腔的前部，采用2mm及大于2mm的噴孔，如圖4、5所示。

對兩種開槽方式進(jìn)行了試驗(yàn)研究。測量了水溫、氣壓、氣流量、拖車速度、初始縱傾及縱傾變化、艏艉升沉變化、總阻力、折角線浸濕長度、龍骨浸濕長度、艇側(cè)浸濕長度、艇側(cè)浸濕高度等參數(shù)，并對艇底流態(tài)進(jìn)行了觀測。

3.1 開槽方式對阻力性能的影響

圖6～9分別給出了兩種開槽方式下、飽和氣流量時，單位排水量阻力Rt/W、絕對減阻率η、縱傾角θ、重心升高Zgr隨艇速的變化規(guī)律，圖中FV為容積傅氏數(shù)。其中絕對減阻率的定義如下：

式中Rt為總阻力，V為航速，g為重力加速度，▽為排水體積。為了便于比較，在圖6-9中，同時給出了模型未開槽、不噴氣時的有關(guān)數(shù)據(jù)。

由圖6～9可得出如下結(jié)論：開槽不噴氣時阻力大幅度增加，各航速下開槽方式1的阻力大于開槽方式2的阻力；開槽不噴氣的情況下，縱傾角隨航速的變化規(guī)律發(fā)生很大變化，當(dāng)FV＜2.34時，艉傾大幅增加；當(dāng)FV＞2.34時，艉傾大幅減少。與不開槽時相比，開槽不噴氣時的重心升高幅度及重心升高隨航速的變化規(guī)律并未發(fā)生明顯變化，但應(yīng)注意的是開槽會引起艇體靜浮態(tài)的大幅度變化（如：吃水增加、艉傾增大）；開槽噴氣時，阻力急劇下降，當(dāng)FV＞1.2時，開槽噴氣（飽和氣流量）狀態(tài)下的阻力小于未開槽不噴氣狀態(tài)下的阻力，絕對減阻率可高達(dá)16.33%（見圖7），而且開槽方式對噴氣減阻效果的影響不大，這可能是由于兩種開槽方式所形成的空腔在艇底的投影面積相同的緣故。但值得注意的是從開槽引起的阻力增加上看，開槽方式2優(yōu)于開槽方式1。

3.2 氣流量對阻力性能的影響

圖10～11分別給出了模型在不同艇速下、開槽方式2時的單位排水量阻力、相對減阻率隨無因次氣流量系數(shù)的變化。圖中ηR為相對減阻率，Cq為無因次氣流量系數(shù)。

式中，SB.H.為艇底空腔的面積，Q為實(shí)測氣流量。

由圖10、圖11可以看出，噴氣引起阻力下降，阻力下降的幅度隨無因次氣流量系數(shù)的增大而增加，當(dāng)氣流量達(dá)到某一值時，阻力下降的幅度變得緩慢，相對減阻率幾乎不再受氣流量的影響，這表明已達(dá)到飽和氣流量。由圖11可知，在相同氣流量下，航速越高，相對減阻率越大，飽和氣流量下，F(xiàn)V=3.355時，相對減阻率可達(dá)65%以上。由表1可知，絕對減阻率也受航速與氣流量的影響，相同氣流量下，航速增加絕對減阻率增大；同一航速下，氣流量增加絕對減阻率增大。在較低航速與較小氣流量時，絕對減阻率為負(fù)值，說明阻力有所增加，這是因?yàn)殚_槽破壞了艇底線型；在較高航速與較大氣流量時，絕對減阻率趨于飽和穩(wěn)定值，最大絕對減阻率可達(dá)15%以上。

表1 氣流量與航速對絕對減阻率的影響Tab.1 The effect of air flow rate and model speed on absolute resistance reduction ratio

3.3 艇底流態(tài)顯示

為更深入地了解B.H.艇的氣層減阻規(guī)律及減阻機(jī)理，對B.H.艇艇底流態(tài)進(jìn)行了觀測，研究了氣流量與航速對空腔氣穴形態(tài)的影響。

圖12～14給出了同一航速（FV=2.796）下氣流量變化對艇底流態(tài)的影響；圖15～17給出了相同氣流量（Q=3.75m3/h）時航速變化對艇底流態(tài)的影響。由圖12～17可以看出航速和氣流量對艇底流態(tài)的影響極大。

比較圖12～14可知：在FV=2.796時，艇底噴氣即能形成氣穴，氣穴的長度隨氣流量的增大而快速增加，直到飽和氣流量，此時再繼續(xù)增大氣流量，氣穴長度不再增加。FV=2.796時，模型的飽和氣流量Q≈3.6m3/h，此時噴氣所形成的氣穴已基本覆蓋了艇底空腔，氣穴面積與艇底空腔在水平面的投影面積之比為96.3%（見表2），表2中SC為氣穴面積，SB.H.為艇底空腔在水平面上的投影面積。

表2 FV=2.796時氣流量變化對氣穴面積的影響Tab.2 FV=2.796,the effect of flow rate on the area of air cavity

試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，在模型的各測試速度（V＜6.5m/s）下，氣流量Q≈4m3/h時均已達(dá)到或超出飽和氣流量。因此，圖15～17也表示了飽和氣流量時，航速變化對氣穴長度的影響。

對圖15～17及圖13的比較分析可知：在飽和氣流量下，隨著艇體運(yùn)動速度的增加，氣穴長度增大；當(dāng)容積傅氏數(shù)FV=2.237時，氣穴達(dá)到艇艉，氣體從艇艉逸出，氣穴已基本覆蓋了艇底空腔；此后進(jìn)一步增加航速（圖13），氣穴長度基本不變；當(dāng)FV＜2.237時，氣體從艇體舭部逸出，氣穴長度隨航速的增加而快速增長；在FV=1.677時，氣穴面積與艇底空腔在水平面的投影面積之比為73%（見表3）。

表3 飽和氣流量時航速變化對氣穴面積的影響Tab.3 The effect of model speed on the area of air cavity under the saturated air flow rate

綜合以上分析可知，氣流量與航速均是影響艇底氣穴形態(tài)的重要因素。

文獻(xiàn)[10]給出了不設(shè)置艇底空腔的常規(guī)斷階滑行艇噴氣時的艇底流態(tài)，如圖18所示。

由圖12～17及參考文獻(xiàn)[10]可知：高速艇艇底噴氣后所形成的氣層形態(tài)與艇底幾何結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。高速滑行艇一般具有 10°～27°的艇底斜升角，若對艇底不作較大改動，直接噴氣，則所形成的氣層為氣穴及氣泡流（氣、水混合流），并在氣泡浮力、艇底水動力、斜升角的共同影響下，氣層斜向上升，飽和氣流量時，氣層也不能完全覆蓋噴氣出口處后方的艇底（如圖18）。而高速艇艇底開槽形成空腔結(jié)構(gòu)后，噴氣所形成的氣層形態(tài)為氣穴。飽和氣流量時，在所測試的速度范圍內(nèi)，氣穴能覆蓋55%以上的空腔面積，當(dāng)FV＞1.7時，氣穴能覆蓋到95%以上的空腔面積。從維持艇底氣層的角度看，高速艇艇底設(shè)置空腔是非常有利的，但值得注意的是艇底設(shè)置空腔會破壞底部升力面、艇體浮態(tài)也會發(fā)生較大變化，從而導(dǎo)致不噴氣時阻力性能下降，需要在開槽導(dǎo)致的阻力增加和噴氣導(dǎo)致的阻力減少兩者間綜合考慮。

圖18 FV=3.32，Q=9.55m3/h斷階滑行艇艇底流態(tài)Fig.18 The bottom flow form of the stepped planning craft,FV=3.32 and Q=9.55m3/h

4 結(jié)論與建議

本文針對B.H.型氣泡滑行艇的阻力模型試驗(yàn)，較系統(tǒng)地研究了該艇型在不同開槽方式、航速及氣流量下的阻力、縱傾、升沉與重心升高，并對艇底流態(tài)進(jìn)行了觀測記錄。結(jié)果表明：

（1）艇底開槽對形成氣穴及保持艇底氣層較為有利。

（2）開槽方式對B.H.型氣泡滑行艇噴氣減阻效果的影響不大，但開槽方式1不噴氣時阻力增加較大，開槽方式2略優(yōu)于開槽方式1。對開槽參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以獲得在不噴氣狀態(tài)下阻力增加較小的開槽方式，是個值得研究的問題。

（3）B.H.型氣泡滑行艇的氣層減阻效果與艇底噴氣的氣流量有關(guān)，氣流量越大減阻效果越好，但存在一個飽和氣流量，超過飽和氣流量后，B.H.艇的氣層減阻率趨于一個穩(wěn)定值。

（4）B.H.型氣泡滑行艇的氣層減阻效果與艇速有關(guān)，艇速越高，氣層減阻率越高，但受艇底空腔面積的限制，減阻率的變化在高速時趨于平緩。

（5）艇底流態(tài)顯示表明，艇底開槽是保持氣穴穩(wěn)定性的有利措施，較普通斷階滑行艇，B.H.艇能更好地保持大而穩(wěn)定的艇底氣穴。

[1]Dong W C,Guo R X,Liu X W.Air injection on the bottom of stepped planing craft and its effect on resistance[J].Journal of Ship Mechanics,2000,4(3):36-42.

[2]董文才,郭日修,陳小玲,呂巖松.滑行艇氣層減阻試驗(yàn)研究[J].中國造船,2002,43(4):13-18.

[3]Jang Jinho,et al.A practical application of air lubrication on a small high speed boat[C]//Proceedings of the 8th International Symposium on Practical Design of Ships and Other Floating Structures，PRADS’2001.China,2001:113-118.

[4]Robert L.Ship hull drag reduction using bottom air injection[J].Ocean Engineering,1997,24(2):161-175.

[5]Gokcay S,Insel M,Odabasi A Y.Revisiting artificial air cavity concept for high speed craft[J].Ocean Engineering,2004,31:253-267.

[6]Matveev K I.On the limiting parameters of artificial cavitation[J].Ocean Engineering,2003,30:1179-1190.

[7]趙連恩.高性能船舶水動力原理與設(shè)計(jì)[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,2001:157-166,214-247.

[8]Butuzov,et al.State of art in investigations and development for the ship on the artificial cavities[C]//In：International workshop on ship Hydrodynamics(IWSH’99).China,1999:1-14.

[9]陳懋章.粘性流體力學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,2002:183-190.

[10]Dong Wencai,Guo Rixiu,Cheng Xiaolin,Lu Yansong.Study on the mechanism of resistance to the stepped planning craft by air injection[J].Journal of Ship Mechanics,2002,6(6):55-61.

Experimental study on the resistance of bottom hollowed air cavity planning craft

DONG Wen-cai,OU Yong-peng,GUO Ri-xiu
(Dept.of Naval Architecture&Ocean Eng.,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China)

The effects of some parameters,such as air flow rate,hull speed and the form of bottom hollow,on the resistance of air cavity planning craft and its motion are experimentally investigated,and the flow field surrounding the craft’s bottom is revealed by flow visualization techniques fairly systematically.Some results can be taken as follows:the two different hollowed bottoms but with same projection area on horizontal plane have little influence on resistance reduction rate.The most important factors affecting resistance reduction are hull speed and air flow rate.The relative resistance reduction rate is about 50%and the absolute resistance reduction rate is about 15%at saturated air flow rate.However,the hollowed bottom makes the craft’s resistance increase without air injection,while it can preserve the air cavity stable effectively.

air cavity planning craft;hollowed bottom;air cavity;relative resistance reduction rate;absolute resistance rate

U674.942

A

1007-7294（2010）07-0708-09

2009-05-09

全國優(yōu)秀博士學(xué)位論文作者專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（200551）；國家“863”計(jì)劃資助項(xiàng)目（2007AA11Z242）

董文才（1967-），男，海軍工程大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。