小水線面雙體船興波阻力特性研究

劉 軍 易 宏

(上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院 上海 200240)

0 引 言

小水線面雙體船SWATH又稱為半潛式雙體船(semisubmerged catemaran,SSC),是一種排水型高性能船型,它由深淺于水下的2個魚類狀主體、高出水面的上層建筑,以及連接水下主體和上層建筑的小展弦比薄翼狀支柱組成.從上世紀70年代開始,許多國家對小水線面雙體船的性能及應用前途展開了廣泛的研究,實船也投入到使用中.而到目前為止,小水線面雙體船基本為直支柱式,關于斜支柱式的研究國內很少涉及,世界上也只有美國SeaShadow一條斜支柱式小水線面雙體船實船.斜支柱 SWATH除具備常規(guī)SWATH優(yōu)異的阻力及耐波性能以外,還具有優(yōu)良的隱身性能,從目前發(fā)表的關于SWA TH阻力性能研究的文獻來看[1-3],研究對象主要是直支柱SWATH.文獻[4]中雖然采用Noblesse的新細長船興波阻力理論對斜支柱SWATH興波阻力,但沒有分析斜支柱傾角對SWATH船型興興波阻力的影響.

本文利用線性興波理論,采用數(shù)值計算方法對斜支柱SWATH興波阻力性能進行研究,重點分析了支柱間距、支柱傾角對興波阻力的影響,同時,將一部分結果與模型試驗進行了對比分析,二者擬合比較好,也表明線性興波計算方法,能夠在斜支柱SWATH設計之初及模型試驗之前,對船型進行初步分析研究,有助于減少設計費用,提高設計效率.

1 小水線面雙體船興波阻力計算基本理論

小水線面雙體船興波阻力計算可以通過擴展米切爾(M ichell)瘦船理論得到.即通過在船體中縱剖面布置一系列點源σi,在船體表面布置一系列偶極子μi,來模擬船體周圍流場,然后運用勢流理論,即可得到船體所受到的興波阻力.

船體流場勢流函數(shù)可以由格林函數(shù)得到

偶極子強度可表示為

運用運動學、動力學以及船體表面和水底條件等邊界條件,可以得到作用在船體表面的興波阻力為

式中:k0=g/U2;Si為船體表面在中縱剖面上的投影 ;σi(ξi,ζi)為在(ξi,ζi)處的點源強度;μi(ξi,)為在處的偶極子強度.

為了能夠對式(2)進行數(shù)值計算,船體表面形式必須以函數(shù)形式給出,而通常情況船體表面形狀是以型線值的形式給出的,如何通過型線值近似得到船體表面的函數(shù)表示,下節(jié)將給出具體的計算方法.

4）加強輿論宣傳。要利用廣播、電視、網絡、宣傳欄和標語等多種方式廣泛宣傳，使4類重點對象農村危房改造政策深入人心，引導社會各界積極參與、大力支持農村危房改造工作，形成良好的社會氛圍。

2 數(shù)值計算方法

運用帳篷函數(shù),可近似得到船體表面的函數(shù)表現(xiàn)形式,其中,帳篷函數(shù)是船體型線值的線性函數(shù),以(xm,zn)作為網格中心點,帳篷函數(shù)表述為

于是可以得到船體表面近似的函數(shù)表達式

式(3)計算 ,即可得到 Piσ ,Qiσ .

對于偶極子 μi強度的計算,可參照文獻[1]中 ,代入式(4)即可得到 Piμ,Qiμ.

3 計算結果分析

3.1 計算船型

本文計算基本船型以為一直支柱SWATH為基本船型,首尾均為橢球型,取右手坐標系oxyz,坐標原點o位于主體中軸線的中部,x軸指向船首為正,x軸垂直向上為正,y軸指向右舷為正.直支柱半寬水線由下式確定主體的平行中體為一圓主體.首尾兩端各為半個橢球,其oxyz截面曲線方程分別為

如圖1所示

圖 1 直支柱SWATH船型(橢球首部)示意圖

3.2 計算條件

計算區(qū)域寬度為0.7倍船寬,長度方向首部以外0.5倍船長,尾部以外1倍船長,水深為無限水深.船型數(shù)據由T ribon導出,并統(tǒng)一除以船長L,進行無量綱化,三維建模中調整傾角、支柱中心間距變化,并用T ribon導出.自由面元數(shù)量以計算結果收斂為準.保持SWATH排水體積不變,對不同支柱中心間距、不同支柱傾角的興波阻力系數(shù)對比分析,其中,支柱中心間距變化范圍0.2～ 0.6倍船長,傾角變化范圍 0～ 50°,具體計算結果見下節(jié).

3.3 結果分析

通過計算分析,發(fā)現(xiàn)SWATH支柱中心間距、傾斜角度的變化都對 C w有一定的影響,同時,Fr的變化對不同SWATH的C w呈現(xiàn)幾乎相同的曲線走勢,具體計算結果分析如下.

1)由圖2不難發(fā)現(xiàn),直支柱SWATH片體間距對Cw產生較大的影響,尤其是當片體間距約小于0.16倍船長時,C w發(fā)生急劇變化,且在Fr=0.5附近,C w急劇增加.

圖2 直支柱SWATH不同支柱間距興波阻力系數(shù)對比

圖3 2b=0.4L,Fr=0.5時,直支柱SWATH波浪高度分布

2)由圖4可以看出,當SWATH片體間距約大于0.3倍船長時,由計算所得,C w在所計算Fr范圍內,都小于同樣船型單體船的Cw,并且當0.3＜Fr＜0.6時,片體間距越大,C w越小,當Fr＜0.3時,片體間距對C w的影響很小,而當Fr＜0.6時,片體間距越大,Cw越大.

圖4 直支柱SW ATH與單體船興波阻力系數(shù)對比(有利片體干擾)

圖5 Fr=0.5時,單體船型波浪高度分布

3)由圖6可知,當片體間距約小于0.16倍船長,在所計算大多數(shù) Fr范圍內,直支柱SWATH的C w大于同船型單體船的C w,說明在此范圍內的片體間距,SWATH片體之間將產生不利的興波干擾,尤其是當Fr在0.5左右時,Cw急劇增加;當0.3＜Fr＜0.4,0.6＜Fr＜0.7時,直支柱SWATH的C w小于同船型單體船的C w,說明片體間產生了有利的興波干擾;當Fr＜0.1或Fr＞0.8時,直支柱SWATH與同船型單體船的C w十分接近.

圖6 直支柱SW ATH與單體船興波阻力系數(shù)對比(不利片體干擾)

4)由圖7不難發(fā)現(xiàn),同一支柱間距,支柱傾角的變化,對C w有一定影響,尤其是Fr在0.5附近,Cw變化較大,同一支柱間距下,當傾角小于20°時,斜支柱SWATH與直支柱C w幾乎相等,而當傾角大于20時,斜支柱SWATH的C w大于直支柱C w,這也可以很直觀理解為當傾角增大到一定程度時,兩船體間的波浪干擾更趨不利,從而導致Cw增大.

圖7 直支柱與斜支柱SWATH(2b=0.4L)興波阻力系數(shù)對比

5)如圖8,9可知,直支柱/斜支柱SWA TH的實驗測試結果與數(shù)值計算結果基本吻合,而如圖所示測試結果總體上稍大于數(shù)值計算結果,分析可能主要因為實驗結果Cr還包括一部粘壓阻力和模型附體影響等組合成份.

4 結 束 語

圖8 SWATH(2b=0.4L,直支柱)興波阻力系數(shù)理論與實驗值對比

圖 9 斜SW ATH(2b=0.4L,傾角20°)興波阻力系數(shù)理論與實驗值對比

文中數(shù)值計算結果較好地反映了SWATH興波阻力系數(shù)C w隨Fr的變化規(guī)律,并且與實驗結果吻合較好,可以作為SWATH設計處理階段,作為評價設計方案好壞的重要標準,結合適當?shù)拇w拖模,可以大大提高設計效率、節(jié)省研制經費.另外,文中沒有分析SWATH船體首尾部線型、片體線型以及相關附體對興波阻力的影響,下一步將深入開展研究工作.

[1]Peng H ongxuan.Numerical computation ofmulti-hull ship resistance and motion[D].Canada:Da lhousie University,2001.

[2]陳 軍,陸曉平.用線性興波阻力理論計算穿浪雙體船的興波阻力[J].海軍工程大學學報,2002,6(3):53-58.

[3] 韓端鋒.直/斜支柱SWATH的興波阻力預報[J].船舶工程,2004,26(4):19-21.

[4]李云波.用改進的Noblesse新細長船船理論方法探討單體雙體船興波[J].哈爾濱工程大學學報,1998(8):76-81.