一種具有傾斜側(cè)體的三體船阻力試驗(yàn)研究

崔 健 文逸彥 陳 鵬 楊松林

江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003

0 引 言

近年來(lái)，高性能船型的研究日趨活躍，如小水線面雙體船、穿浪雙體船和翼滑艇等都是研究和應(yīng)用較廣的船型。其中，新型的高速三體船更是引起了研究人員的廣泛關(guān)注。高速三體船通常由1個(gè)主船體、左右2個(gè)側(cè)船體以及連接主側(cè)船體的連接橋組成，其特征是3個(gè)船體均為細(xì)長(zhǎng)片體，主船體的長(zhǎng)寬（L/B）比約為13～18，側(cè)船體的長(zhǎng)度約為主船體長(zhǎng)度的1/3，且排水量不超過(guò)主船體排水量的10%。與常規(guī)單體船相比，這種船型構(gòu)造使得高速三體船具有興波阻力小、耐波性能優(yōu)異等特點(diǎn)。由于高速三體船的側(cè)體布置方式對(duì)三體船的航行性能產(chǎn)生了較大影響，因而研究人員開(kāi)展了一系列的理論分析與試驗(yàn)研究［1］。

周廣利等［2］針對(duì)高速三體船模型開(kāi)展了一系列靜水阻力試驗(yàn)，通過(guò)多種設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)（包括9種側(cè)體布局和3種側(cè)體排水量變化）發(fā)現(xiàn)，在三體船主側(cè)體的各種布局中，沒(méi)有一種布局方案能在全航速范圍內(nèi)都優(yōu)于其他方案。

賈敬蓓等［3］提出了前三體船概念，指出在高航速段將側(cè)船體的縱向位置選取在主船體中前位置能明顯改善三體船的阻力性能和運(yùn)動(dòng)性能。

郭雷［4］描述了三體船斜側(cè)體的概念，并開(kāi)展了相應(yīng)的理論分析和試驗(yàn)研究，得出在低速時(shí)，斜側(cè)體的阻力要比直側(cè)體的阻力略大，而在高速時(shí)，斜側(cè)體的阻力則比直側(cè)體的小的結(jié)論。

張雨新［5］在郭雷研究的基礎(chǔ)上探討了帶有攻角的斜側(cè)體三體船型阻力等水動(dòng)力性能的數(shù)值模擬，指出適當(dāng)?shù)貎A斜側(cè)體并帶有一定的攻角可以使三體船獲得較大的升力及艏傾力矩，有利于改善船體的浮態(tài)。與此同時(shí)，合理地安排側(cè)體傾斜角度和攻角，還可以產(chǎn)生一定的減阻效果，但過(guò)大的攻角不僅會(huì)使阻力性能惡化，同時(shí)也會(huì)使側(cè)體受到較大的橫向力，威脅船體結(jié)構(gòu)安全。

由此可見(jiàn)，目前相關(guān)學(xué)者［6-7］研究的重點(diǎn)是三體船側(cè)體相對(duì)于主船體縱、橫向位置的不同布局對(duì)其航行性能的影響，而少見(jiàn)當(dāng)側(cè)體沿其縱中剖面傾斜一定的角度后對(duì)三體船剩余阻力的影響，且郭雷也僅給出了一種傾斜角度下的船模阻力試驗(yàn)分析結(jié)果，更多的則是數(shù)值模擬分析結(jié)果。本文將開(kāi)展系列三體船模阻力試驗(yàn)，探討2種排水量、多個(gè)傾斜角組合下的不同航速下該三體船船模阻力變化規(guī)律，并在試驗(yàn)傅汝德數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行分析對(duì)比，以探討各種布局對(duì)其剩余阻力系數(shù)的影響。

1 三體船船模

依據(jù)三體船的特征，結(jié)合前期的研究工作［8-9］，設(shè)計(jì)、制作了一艘三體船模，其型線圖和三維效果圖分別如圖1和圖2所示，船模主尺度如表1所示。船模由桐木條、玻璃纖維和環(huán)氧樹(shù)脂制成。

圖1 三體船船模主船體型線圖Fig.1 The main hull shiplines of trimaran model

圖2 三體船船模三維效果圖Fig.2 The three-dimension graph of trimaran model

表1 三體船船模主尺度Tab.1 Principal dimensions of trimaran model

2 三體船船模試驗(yàn)方法

2.1 拖曳水池

船模試驗(yàn)的拖曳水池長(zhǎng)100 m，寬6 m，深2.5 m，工作區(qū)域水深2 m。裝配在拖車上的測(cè)力儀可以測(cè)量三體船船模航行時(shí)的阻力。實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)室的濕度為60%，水溫為11℃。

2.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

在開(kāi)展拖曳阻力試驗(yàn)前，必須進(jìn)行一系列的試驗(yàn)準(zhǔn)備工作，包括：

1）安裝激流裝置。試驗(yàn)中，采用粘貼砂紙的方式進(jìn)行測(cè)量，粘貼砂紙條的位置在距離船首（設(shè)計(jì)水線）5%船長(zhǎng)處，寬度為12 mm。

2）稱空船重量。

3）安裝導(dǎo)航支架。

4）船模下水，按設(shè)計(jì)吃水加載砝碼以調(diào)整船模的浮態(tài)，使其達(dá)到正浮狀態(tài)。

5）安裝拖線（圖3），調(diào)整拖輪高低。拖點(diǎn)、拖線和前后導(dǎo)航架在同一條直線上，且處于船模中縱剖面內(nèi)。

6）記錄水池溫度，在進(jìn)行每組試驗(yàn)前，都要對(duì)傳感器進(jìn)行一次標(biāo)定，確定傳感器系數(shù)。

7）準(zhǔn)備工作完成后，先用中等車速將船模拖行一次，進(jìn)行破水，使水面形成一定的初始紊流度，之后再進(jìn)行測(cè)量。

圖3 拖線的安裝Fig.3 The towed line installation

2.3 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)中，參考了楊大明等［10］開(kāi)展的三體船船模試驗(yàn)，選取了較佳的側(cè)體縱向位置（l=950 mm）和橫向位置（b=460 mm）作為三體船船模試驗(yàn)的主要布局，如圖4所示。詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案如表2所示。

圖4 三體船船模布局示意圖Fig.4 Demonstration of the arrangement of trimaran model

表2 三體船船模試驗(yàn)方案Tab.2 The experimental schemes of trimaran model

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

本文根據(jù)設(shè)定的三體船船模狀態(tài)I1～I(xiàn)I5，共采集了10組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，即船模在不同航速下的總阻力Rt，單位N。試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)如表3所示。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

拖曳試驗(yàn)直接測(cè)得的數(shù)據(jù)為船模在各個(gè)狀態(tài)下對(duì)應(yīng)于不同航速的總阻力。依據(jù)傅汝德假定，可將總阻力分為摩擦阻力和剩余阻力。對(duì)于高速三體船而言，隨著傅汝德數(shù)的增加，其剩余阻力所占的比重會(huì)越來(lái)越大，因而分析各個(gè)狀態(tài)下的剩余阻力系數(shù)至關(guān)重要。

表3 三體船船模試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 The experimental data of trimaran model

3.2.1 計(jì)算三體船船模摩擦阻力

采用1957ITTC公式計(jì)算摩擦阻力系數(shù)，即

由于三體船船模的主體和側(cè)體的雷諾數(shù)相差較大，因此本文對(duì)三體船模的主體和側(cè)體的雷諾數(shù)、摩擦阻力系數(shù)及摩擦阻力分別進(jìn)行了計(jì)算，最后將二者疊加得到三體船船模總的摩擦阻力。

式中，下標(biāo)z，c分別表示主體和側(cè)體；V為航速；L為水線長(zhǎng)；ρ為11℃時(shí)水的密度；S為濕面積。

3.2.2 計(jì)算三體船船模空氣阻力

船舶在航行中，其船體水線以上部分和上層建筑將受到空氣阻力的作用，包括摩擦阻力和粘壓阻力兩部分?？紤]到空氣的密度和粘性系數(shù)相對(duì)于水小得多，故其摩擦阻力只占極小的一部分。就一般船舶而言，其所受到的空氣阻力主要是粘壓阻力：

式中，Raa為空氣阻力；ρa(bǔ)為空氣密度，取1.226 kg/m3；At為船體水線以上部分在橫剖面上的投影面積；Va為空氣對(duì)船的相對(duì)速度，考慮到拖曳水池在室內(nèi)，因而取Va=V。

3.2.3 計(jì)算三體船船模剩余阻力及剩余阻力系數(shù)

三體船船模剩余阻力為總阻力、摩擦阻力以及空氣阻力的差值，即

當(dāng)三體船船模的側(cè)體傾斜一定角度后，在排水量一定的情況下，船模的濕面積和水線長(zhǎng)會(huì)有一定的變化。本文采取三維建模的方式，通過(guò)Maxsurf軟件建模計(jì)算各個(gè)狀態(tài)下三體船船模的濕面積。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，主體的濕面積變化幅度較小，即使在側(cè)體傾斜20°的狀態(tài)下其變化幅度也小于0.5%，而側(cè)體的濕面積變化幅度最大則可達(dá)15%。

4 結(jié)果分析與討論

針對(duì)試驗(yàn)結(jié)果，本文將分析、討論三體船船模的阻力，著重考慮不同傅汝德數(shù)和雷諾數(shù)下側(cè)體傾斜角變化及載重量變化對(duì)剩余阻力系數(shù)的影響。

4.1 不同傅汝德數(shù)和雷諾數(shù)下剩余阻力系數(shù)

考慮到同一航速下三體船主體和側(cè)體的水線長(zhǎng)相差較大，因而其相應(yīng)的傅汝德數(shù)和雷諾數(shù)相差也較大。本文選取三體船主體的傅汝德數(shù)和雷諾數(shù)作為分析討論其剩余阻力系數(shù)的參照。

圖5和圖6所示為側(cè)體橫向間距不變，船模排水量為22.5 kg和32.5 kg（即輕載和重載）下的剩余阻力系數(shù)變化曲線圖。由圖6可見(jiàn)，在試驗(yàn)值范圍內(nèi)，尤其在0.216＜Fr＜0.413(2.28×106＜Re＜4.36×106)區(qū)間內(nèi)，剩余阻力系數(shù)的增長(zhǎng)速率較大，在0.443＜Fr＜0.556(4.67×106＜Re＜5.86×106)區(qū)間內(nèi)，剩余阻力系數(shù)增長(zhǎng)變緩。其中，在Fr=0.413（ Re=4.36×106）和 Fr=0.556（ Re=5.86×106）時(shí)出現(xiàn)了拐點(diǎn)，之后，剩余阻力系數(shù)便出現(xiàn)了不同程度的下降。此現(xiàn)象表明，在拐點(diǎn)處，三體船船模的主體和側(cè)體產(chǎn)生的興波產(chǎn)生了有利的干擾，從而降低了航行中的剩余阻力。該現(xiàn)象可以為相應(yīng)的實(shí)船設(shè)計(jì)航速選擇提供一定的參考，即認(rèn)為根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求，實(shí)船的傅汝德數(shù)可選擇區(qū)間為0.413～0.443或0.556～0.586有利于降低實(shí)船航行過(guò)程中的剩余阻力。與圖5不同，圖6所示為在試驗(yàn)值范圍內(nèi)剩余阻力系數(shù)呈全局增長(zhǎng)的趨勢(shì)，沒(méi)有局部區(qū)域下降的現(xiàn)象。本文將圖6中剩余阻力系數(shù)的變化稱作多節(jié)變化，即由圖可見(jiàn)每一節(jié)的增長(zhǎng)速率是依次增加的。其出現(xiàn)的節(jié)點(diǎn)位置與圖5中的拐點(diǎn)位置一致，因而上述所選擇的實(shí)船傅汝德數(shù)區(qū)間是可取的。

圖5 三體船船模的剩余阻力系數(shù)（Δ=22.5 kg）Fig.5 The residual resistance coefficient of trimaran model（Δ=22.5 kg）

圖6 三體船船模的剩余阻力系數(shù)（Δ=32.5 kg）Fig.6 The residual resistance coefficient of trimaran model（Δ=32.5 kg）

4.2 側(cè)體不同傾斜角度下剩余阻力系數(shù)

為了分析討論側(cè)體傾斜后對(duì)三體船阻力的影響，圖7和圖8分別給出了三體船船模輕載和重載情況時(shí)各個(gè)傾斜角度所對(duì)應(yīng)的剩余阻力系數(shù)隨傅汝德數(shù)變化的曲線。由圖7和圖8可見(jiàn)，當(dāng)側(cè)體傾斜一定角度后，三體船的剩余阻力系數(shù)發(fā)生了一定的變化。具體分析如下：

1）當(dāng)側(cè)體傾斜一定角度后（無(wú)論是向內(nèi)傾斜還是向外傾斜），其剩余阻力系數(shù)隨傅汝德數(shù)變化的曲線和0°時(shí)較為相似，沒(méi)有發(fā)生突變。

2）在輕載狀況下，低速時(shí)（Fr＜ 0.3），側(cè)體傾斜一定角度后，剩余阻力系數(shù)略有增加，這與郭雷的研究結(jié)果較為一致。隨著航速的增加，剩余阻力系數(shù)出現(xiàn)了不同程度的下降（-20°的情況除外）。但是在重載狀況下卻出現(xiàn)了不一樣的現(xiàn)象，當(dāng)傾斜角度為±20°時(shí)，剩余阻力系數(shù)出現(xiàn)了一定程度的增加。其原因可能是大傾斜角使得側(cè)體和主體的興波干擾發(fā)生了變化，產(chǎn)生了不利的干擾。

圖7 不同傾斜角度下剩余阻力系數(shù)（Δ=22.5 kg）Fig.7 The residual resistance coefficient at different slant angles（Δ=22.5 kg）

圖8 不同傾斜角度下剩余阻力系數(shù)（Δ=32.5 kg）Fig.8 The residual resistance coefficient at different slant angles（Δ=32.5 kg）

3）當(dāng)傾斜角度為-10°時(shí)，剩余阻力系數(shù)相對(duì)0°時(shí)有較為明顯的降低。該現(xiàn)象說(shuō)明，在此傾角下，側(cè)船體和主船體的興波在一定程度上產(chǎn)生了較好的干擾。針對(duì)本文所述的三體船，在試驗(yàn)傅汝德數(shù)范圍內(nèi)建議選擇-10°作為側(cè)體傾斜角度的設(shè)計(jì)參考值，在輕載狀況下，低速時(shí)也可考慮將20°作為參考值。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了一種具有傾斜側(cè)體的三體船船模阻力性能試驗(yàn)，開(kāi)展了不同裝載時(shí)各個(gè)側(cè)體傾斜角度下的阻力試驗(yàn)以及不同側(cè)體橫向間距下的阻力試驗(yàn)，分析討論了不同傅汝德數(shù)和雷諾數(shù)下側(cè)體傾斜角變化以及載重量變化對(duì)剩余阻力系數(shù)的影響。結(jié)果表明，在輕載狀態(tài)下，當(dāng)傅汝德數(shù)較小時(shí)，側(cè)體傾斜一定角度后剩余阻力系數(shù)略有增加，隨著航速的增加，剩余阻力系數(shù)出現(xiàn)了不同程度的下降。研究表明，設(shè)計(jì)側(cè)體的傾斜角度有利于降低三體船的航行阻力，相關(guān)結(jié)論可為傾斜側(cè)體三體船在工程上的實(shí)際應(yīng)用提供一定的參考。

盡管本文開(kāi)展了一系列的試驗(yàn)，在探討具有傾斜側(cè)體的三體船阻力性能上邁出了新的一步，但是要得到更多關(guān)于側(cè)體傾斜角度對(duì)三體船阻力特性的一般性結(jié)論還需要開(kāi)展進(jìn)一步的研究，如增加多組傾斜側(cè)體的傾斜角度等。同時(shí)，還需要結(jié)合側(cè)體不同橫向位置和縱向位置進(jìn)行試驗(yàn)研究。

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