加裝艉板的深V單體復合船型水動力性能研究

王許潔，孫樹政，趙曉東，李積德

(哈爾濱工程大學船舶工程學院多體船技術國防重點學科實驗室，黑龍江哈爾濱150001)

在方尾高速水面艦船上加裝艉板，是一種方便有效的減阻節(jié)能措施，在國內外已得到一致認同.研究結果表明，加裝艉板可以改變艦船尾部流場分布，改善尾流波形，從而起到減阻節(jié)能的作用［1-4］.近年來，哈爾濱工程大學研發(fā)一種千噸級深V單體復合船型［5］，該船型在船艏底部加裝了由流線型半潛體和一對艏鰭組成的減搖組合附體，在波浪中航行時能夠產生較大的減搖穩(wěn)定力矩，實現了耐波性的大幅度提升.本文對深V單體復合船型加裝艉板后的航行性能進行了研究，通過水池模型試驗和理論計算［6-8］，比較了深V原船型、深V單體復合船型、加裝艉板的深V單體復合船型三者的阻力和耐波性能，分析了艉板對深V單體復合船型航態(tài)、阻力及耐波性的影響.

1 試驗模型資料

1.1 艦船模型及附體主尺度

試驗在哈爾濱工程大學船模拖曳水池進行.試驗模型的縮尺比為1：25，材料為玻璃鋼，主尺度見表1.

表1 艦船模型尺度Tab le 1 M ain dimensions of the ship

減搖組合附體由一流線型半潛體和對稱安裝在其兩側的一對三角翼組成，其中，半潛體中縱剖面為NACA翼型，橫剖面為橢圓形，尺度見表2.鰭的平面為三角形，剖面為ЦАГИ翼型，尺度見表3.艉板弦長取船長的1.5%，尺度見表4.

表2 半潛體尺度Table 2 Dimensions of sem i-submerged body

表3 鰭的尺度Table 3 Dimensions of the fin

表4 艉板尺度Table 4 Dimensions of the stern flapmm

1.2 附體安裝位置

考慮減搖組合附體布局對復合船型阻力性能的影響，選定組合附體的安裝位置:半潛體艏緣位于0站處，艏緣中心在基線下20 mm;鰭的艏緣位于0站后310 mm，安裝示意圖見圖1.艉板安裝在尾封板處，取下反角α=5°，安裝示意圖見圖2.

圖1 減搖組合附體安裝示意Fig.1 The fitted situation of appendage

圖2 艉板安裝示意Fig.2 The fitted situation of stern flap

2 阻力性能

2.1 靜水阻力試驗

對深V原型V0、復合船型Va，以及加裝艉板的復合船型Vaf進行了靜水阻力試驗，試驗結果見圖3，其中R為阻力，V為對應速度.圖4、5為各船型靜水航行時的升沉和縱傾曲線，其中，Z為升沉值，θ為縱搖角(尾傾為正)，V為對應速度.

由試驗結果可見，Va、Vaf船型的靜水阻力在低速時略大于V0船型，隨著航速的提高，逐漸與V0船型接近，而高速航行時比V0船型略有減小.Vaf船型的靜水阻力與Va船型相比，航速0.92m/s(相當于實船9 kn)時，前者比后者增加2.8%，航速1.54 m/s(相當于實船15 kn)時兩者基本相當，在之后的試驗速度范圍內，Vaf船型靜水阻力小于Va船型，航速2.16 m/s(相當于實船21 kn)時，阻力減小約2%.

圖3 靜水阻力曲線Fig.3 Still water resistance resu lts

圖4 靜水中航行升沉曲線Fig.4 Sinkage in still water experiments

圖5 靜水中航行縱傾曲線Fig.5 Trim in still water experiments

分析其原因，低速航行時摩擦阻力占總阻力的比例較大，Va、Vaf船型加裝附體增加了船體濕表面積，同時，由升沉曲線可見兩者的下沉比V0船型大，進一步增加了濕表面積，因此兩種船型的總阻力比V0稍大，而Vaf船型由于艉板的原因濕表面積增加，其阻力也略有增加.隨著航速的提高，興波阻力在總阻力中所占比例增大，Va、Vaf船型由于減搖組合附體的作用，在船首產生了有利的興波干擾，減小了興波阻力，當興波阻力的減小量大于摩擦阻力的增加量時，2種船型的總阻力便小于V0船型.此時，主要有2個原因使得Vaf船型的阻力性能優(yōu)于Va船型，1)艉板能起到壓浪的效果，減小船尾的“雞尾流”高度，減少碎波的發(fā)生，從而使興波阻力減小;2)艉板安裝的下反角使船尾的流場速度變慢，而根據伯努利方程，船尾的流速減小將導致尾部壓強增大，阻力減小.此外，從航態(tài)的變化來看，艉板使Vaf船型的升沉減小，縱傾角減小，這些因素也對減阻起到了一定作用.

2.2 CFD流場模擬

為觀察船體表面壓力分布情況，進一步驗證分析結果，應用Fluent軟件對Va、Vaf船型模型靜水航行進行了CFD計算.計算對象為半船體，計算區(qū)域為船前1倍船長、船后2倍船長、半徑為10倍半寬的1/4圓柱，劃分網格數量為385 000，對船體艏部和艉部進行了局部加密.

圖6為Va、Vaf船型模型在航速1.85 m/s(相當于實船18 kn)和2.47 m/s(相當于實船24 kn)時的尾部動壓等值線.

由動壓等值線可知，航速1.85 m/s時，加裝艉板使尾部壓強由 752～827 Pa上升至1 305～1 492 Pa，平均增加了600 Pa左右;航速2.47 m/s時，加裝艉板使尾部壓強由1 396～1 793 Pa上升至1 635～1 962 Pa，平均增加了200 Pa左右.可見，艉板的確改變了船體尾部的流場速度和壓力分布，使船尾壓強增大，起到了減少阻力和減小尾傾角的作用，這與前文分析結果是一致的.

圖6 Va船型尾部動壓等值線Fig.6 The dynamic pressure contour on tail surface

3 耐波性能

3.1 規(guī)則波試驗

對V0、Va和Vaf船型模型在相當于實船18 kn(Fn=0.32)、24 kn(Fn=0.43)2 個航速下進行迎浪規(guī)則波試驗，試驗波幅為25 mm，波長范圍為0.8～2.2倍船長.試驗測量模型的阻力、升沉、縱搖以及艏部第1.5站處的垂向加速度.圖7～11為3種船型在不同航速下的運動響應曲線.其中，λ為波長，L為設計水線長，R為阻力，Z為升沉值，ζa為波幅，θ為縱搖角，k為波數，A1為艏部加速度，g為重力加速度.

Va、Vaf船型的減阻和減搖效果分別見表5、6.從試驗結果可以看出:在試驗波長范圍內的3個航速下，Va、Vaf船型的阻力和耐波性能均比V0船型有了大幅提升，Vaf船型的綜合性能優(yōu)于Va船型.分析原因，是因為艉板在航行時與水流形成攻角，產生了較大的動升力，增大了艦船的縱向穩(wěn)定力矩，抑制了艦船的縱向運動，使Vaf船型的耐波性進一步提高，航速越高，產生的動升力越大，減搖效果越好，從而使Vaf船型波浪中阻力性能得到改善.

表5 復合船型減阻效果表Table 5 The resistance reduction of hybrid m onohu ll

表6 復合船型減搖效果表Table 6 The stabilizing effect of hybrid monohull

圖7 阻力曲線Fig．7 Resistanceresults

圖8 升沉運動響應曲線Fig．8 Heaveresponse

圖9 縱搖運動響應曲線Fig．9 Pitchresponse

圖10 艏部加速度響應曲線Fig．10 Bowverticalacceleration

3.2 實船耐波性預報

根據規(guī)則波的試驗結果，對V0、Va、Vaf船型采用ITTC標準單參數譜［5］，計算了有義波高分別為1.25、2.0、3.2、5.0 m，在航速 18、24kn 時的單幅有義值，計算結果見表7，減搖效果見表8.

表7 實船耐波性預報Table 7 The prediction results of the real ship

表8 復合船型減搖效果Table 8 The stabilizing effect of hybrid monohull

從預報結果可以看出：在各級海況下，Va、Vaf船型的耐波性明顯優(yōu)于V0船型，加裝艉板后的Vaf船型耐波性比Va船型有了進一步提升.

4 結論

模型試驗及數值計算結果分析得出如下結論:

1)深V單體復合船型加裝艉板后，靜水航行時在低速極小范圍內阻力略有增加，其余速度區(qū)間內阻力有所減小;在波浪中航行時，波浪增阻明顯降低.

2)加裝艉板能夠增大艦船的縱向穩(wěn)定力矩，使深V單體復合船型的耐波性進一步提高.

可見，對深V單體復合船型，通過合理設計艉板的尺度以及選擇良好的水動力布局，能夠使艦船的阻力性能與耐波性能進一步提升.

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