M船型阻力模型試驗(yàn)研究

唐建飛，黃武剛

1 天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072

2 中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，對(duì)高性能船舶的需求也越來(lái)越迫切。近年來(lái)，高性能船舶發(fā)展較快，如水翼艇、氣墊雙體船、穿浪艇和滑行艇等。無(wú)論是單體滑行艇、氣墊船還是雙體船，均屬動(dòng)力支撐型船，且雙體船還為靜浮態(tài)型船，在特定的航行環(huán)境中，它們發(fā)揮著各自的優(yōu)勢(shì)，但都無(wú)法同時(shí)具備速度快、功率低、消波、適航性好、穩(wěn)性高和經(jīng)濟(jì)效益好的優(yōu)點(diǎn)。M 船型是常規(guī)單體滑行艇、高速雙體船和氣墊船的組合船型，它集中了3 種船型的優(yōu)點(diǎn)，將流體力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)較好地結(jié)合了起來(lái)，其在消波性能、有效載荷、操縱性以及在逆風(fēng)、逆浪中高速航行方面更顯出其優(yōu)越的性能，是各類船型中最具競(jìng)爭(zhēng)力的一種新船型［1］。

然而，由于M 船型的概念新穎、性能優(yōu)越、出現(xiàn)的時(shí)間尚短和專利約束等原因，國(guó)外有關(guān)該船型研究的公開(kāi)文獻(xiàn)極少，只限于部分實(shí)船和船模圖片。國(guó)內(nèi)雖尚無(wú)對(duì)M 船型的實(shí)質(zhì)性研究，但對(duì)類似船型已有相關(guān)學(xué)者開(kāi)展研究。劉謙等［2-4］通過(guò)大量的船模和實(shí)艇試驗(yàn)，對(duì)雙槽道滑行艇的水動(dòng)力性能和相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了研究；池云鵬等［5］通過(guò)試驗(yàn)對(duì)高速槽道艇的阻力及耐波性進(jìn)行了研究；趙連恩等［6］對(duì)槽道水翼滑行艇的工作原理和船型特征進(jìn)行了研究；孫華偉等［7］應(yīng)用模型試驗(yàn)對(duì)普通三體滑行艇和斷階三體滑行艇的阻力特性進(jìn)行了研究；蘇玉民等［8］應(yīng)用模型試驗(yàn)對(duì)三體槽道滑行艇的阻力特性進(jìn)行了研究；陳輝等［9］應(yīng)用商業(yè)FLUENT 軟件對(duì)M 船型的阻力進(jìn)行了數(shù)值模擬。

對(duì)高性能船舶水動(dòng)力性能的研究，鑒于理論計(jì)算及數(shù)值方法尚未成熟，模型試驗(yàn)仍然是必不可少的手段之一［10］。本文將以某M 船型為研究對(duì)象，對(duì)該新興高性能船型在不同排水量和不同重心縱向位置下的阻力性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，以找到較優(yōu)的阻力性能所對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，并為后續(xù)相關(guān)的船型設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图胺桨?/h2>

1.1 試驗(yàn)船模

某M 船型的橫剖面及艏艉形狀如圖1 所示，主尺度如表1 所示。該型船主要由3 部分組成：字母M 的中間部分為主船體部分，主要用來(lái)排水，為船體提供浮力；字母M 的兩個(gè)腳則是船體的兩個(gè)圍壁，其主要作用類似于氣墊登陸艇的圍裙，起密封的作用；字母M 的中間空白部分則為空氣通道。歸功于其特有的船型，高速航行下，主船體及氣道底部的水動(dòng)力和氣動(dòng)力的增升使得船體吃水進(jìn)一步減少，從而大幅減小了濕表面積；同時(shí)，M型船體利用在槽道內(nèi)做有旋運(yùn)動(dòng)的水流，極易吸捕大氣層中的空氣以形成高壓的氣水混合物并被自動(dòng)壓進(jìn)槽道，在槽道表面形成一個(gè)低粘性的二相流邊界層而使船體得到潤(rùn)滑，其結(jié)果使得摩擦阻力大幅降低。

圖1 M 船型船模橫剖面和艏艉形狀Fig.1 Transversal section，bow and aft form of the M-form hull model

表1 M 船型船模主尺度Tab.1 Main dimensions of the M-form hull model

為保證船模在高航速時(shí)擁有較好的強(qiáng)度，船模采用框架式木質(zhì)結(jié)構(gòu)制作。船模表面經(jīng)打磨光滑、噴漆處理，船模安裝如圖2 所示。

圖2 M 船型的試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.2 Experimental model of the M-form hull

1.2 試驗(yàn)?zāi)康募胺桨?/h3>

本試驗(yàn)采用自由拖曳法來(lái)測(cè)量3 個(gè)不同排水量和3 個(gè)不同重心縱向位置下船模的阻力、航行姿態(tài)角和升沉，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，同時(shí)通過(guò)對(duì)艇艏、艇艉、艇側(cè)和氣道等位置處興波、飛濺和尾跡的觀察，得到該船型在該線型下的較優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)，并確定該艇型的最佳滑行狀態(tài)，以為后續(xù)的實(shí)艇設(shè)計(jì)提供參考。模型試驗(yàn)水池拖車的速度范圍為0.1～22 m/s，車速穩(wěn)定精度優(yōu)于0.2%。試驗(yàn)方案如表2 所示，排水量為125.0～152.8 kg，重心縱向位置在船舯后20%～25%之間變化，拖曳速度從2 m/s 逐漸增大至12 m/s 或出現(xiàn)海豚運(yùn)動(dòng)為止，體積傅汝德數(shù)FN▽=0.89～5.33。

表2 M 船型船模試驗(yàn)方案Tab.2 Testing program of the M-form hull model

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 M 船型的阻力特性

通過(guò)測(cè)定某工況的阻力、航行姿態(tài)角和升沉，得到船模阻力、縱傾角和升沉曲線如圖3 所示。圖中：Rm為模型阻力；Δm為模型排水量；θ為縱傾角；h 為升沉值；FN▽為體積傅汝德數(shù)。由圖3 可知，該船型具有與常規(guī)滑行艇不一樣的阻力特性。該船型擁有2 個(gè)高速阻力峰，當(dāng)航速持續(xù)增大越過(guò)第1 個(gè)高速阻力峰后，阻力值有明顯的回落。這是因?yàn)镸 船型底部有兩條對(duì)稱于縱中剖面并縱向貫通的氣道，其融合了氣墊船的原理，并不完全依靠排水和主船體滑行面的水動(dòng)升力來(lái)航行，因此當(dāng)其航速持續(xù)增大越過(guò)第1 個(gè)高速阻力峰后，便會(huì)擁有較優(yōu)的阻力性能，并充分借助靜浮力、水動(dòng)力和空氣動(dòng)力的增升作用來(lái)降低船體水阻力，使航速突破常規(guī)船型的極限；當(dāng)航速繼續(xù)增大越過(guò)第2 個(gè)高速阻力峰后，阻力值基本保持不變。

圖3 某工況下M 船型的阻升比、縱傾角和升沉Fig.3 The drag lift ratio，pitch angles and heave motions curves of M-form hull

圖4 給出了M 船型在FN▽=4.88 時(shí)，艇艏部和艉部的興波情況。由圖4（a）可知，艇艏部有2 個(gè)對(duì)稱布置的喇叭口進(jìn)氣道，主艇體滑行面和兩側(cè)片體均與水面接觸并形成封閉的氣道。在艇高速滑行時(shí)，空氣從艏部喇叭口進(jìn)入并被壓縮，從而在氣道內(nèi)產(chǎn)生空氣動(dòng)升力抬升艇體以使艇的吃水進(jìn)一步減少，從而減小阻力。由圖4（b）可知，由于M船型兩側(cè)片體的封閉作用，可以看到由主艇體滑行產(chǎn)生的興波幾乎完全被片體和氣道所吸收，片體以外的興波較少。

2.2 不同排水量對(duì)阻力性能的影響

由于有關(guān)M 船型的研究資料很少，因此在本文的研究設(shè)計(jì)過(guò)程中，M 船型的很多參數(shù)都需要通過(guò)大量的試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證，其中排水量就是影響M 船型阻力性能的重要影響因素之一。圖5 所示為船模重心縱向位置在Xg=920 mm 時(shí)不同排水量下的阻升比曲線，從圖中可以較容易地得到不同排水量下的阻力性能。由圖5 可知，當(dāng)1.0＜FN▽＜3.0 時(shí)，阻升比隨著排水量的增加而升高，表明小排水量比較適合中速（1.0＜FN▽＜3.0）航行，這是與常規(guī)滑行艇和三體滑行艇的阻力性能不一致的地方。值得注意的是，當(dāng)FN▽＞3.0 時(shí)，阻升比隨著排水量的增加而有增有減，但總體上呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，表明大排水量比較適合高速（FN▽＞3.0）航行?；谶@一點(diǎn)，如果將設(shè)計(jì)航速的設(shè)計(jì)點(diǎn)設(shè)置在FN▽＞3.0 的速度區(qū)間內(nèi)，較大的排水量反而會(huì)得到更大的設(shè)計(jì)航速。

圖4 FN▽=4.88 時(shí)M 船型艇艏和艇艉情況Fig.4 Bow and aft of the M-form hull at FN▽=4.88

圖5 Xg=920 mm 時(shí)不同排水量下的阻升比曲線Fig.5 The drag lift ratio curves of different displacements with Xg=920 mm

2.3 不同重心縱向位置對(duì)阻力性能的影響

除排水量外，與常規(guī)滑行艇一樣，重心縱向位置也是影響M 船型阻力性能的重要影響因素之一。重心縱向位置的調(diào)整將直接影響到船在航行過(guò)程中的縱傾角和垂向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而影響整船的阻力性能。圖6 所示為船模排水量在Δm=138.9 kg 時(shí)不同重心縱向位置下的阻升比曲線。由圖6 可知:當(dāng)1.0＜FN▽＜2.2 時(shí)，阻升比會(huì)隨著重心縱向位置的后移而升高；當(dāng)FN▽＞2.2 時(shí)，阻升比隨著重心縱向位置的后移而降低。這種變化趨勢(shì)與常規(guī)滑行艇一致，即隨著重心縱向位置的后移，中、低速阻力增加，中、高速阻力顯著降低。值得注意的是，重心縱向位置后移時(shí)，船模阻力雖然有所降低，但船模同時(shí)也會(huì)遭遇海豚運(yùn)動(dòng)和初穩(wěn)性高降低等不利因素的影響，導(dǎo)致耐波性較差，故選擇一個(gè)合適的重心縱向位置對(duì)船的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

圖6 Δm=138.9 kg 時(shí)不同重心縱向位置下的阻升比曲線Fig.6 The drag lift ratio curves of different longitudinal centers of gravity with Δm=138.9 kg

綜合以上5 種工況的阻升比曲線可以看出，M船型擁有2 個(gè)高速阻力峰，第1 個(gè)高速阻力峰在FN▽=1.5 附近，第2 個(gè)高速阻力峰在FN▽=4.5～5.0之間，并且高速阻力峰出現(xiàn)的航速與排水量大小和重心縱向位置的相關(guān)性不大?；谶@種阻力特性，實(shí)船設(shè)計(jì)時(shí)，可盡量將設(shè)計(jì)航速的設(shè)計(jì)點(diǎn)設(shè)置在FN▽＞5.0 區(qū)間內(nèi)，以獲得最優(yōu)的阻力性能。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)某M 船型的阻力特性進(jìn)行模型試驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論：

1）M 船型擁有2 個(gè)高速阻力峰，當(dāng)航速持續(xù)增大越過(guò)第1 個(gè)高速阻力峰后，阻力值有明顯的回落，當(dāng)航速繼續(xù)增大越過(guò)第2 個(gè)高速阻力峰后，阻力值基本保持不變。

2）從不同排水量和重心縱向位置下的阻升比曲線可以得到，M 船型2 個(gè)高速阻力峰出現(xiàn)的航速與排水量大小和重心縱向位置的相關(guān)性不大。

［1］WANG Q X，YUE L. The hull characteristics and nu?merical simulation without grids of M-form hull［C］//2013' China International Boat Show & HPMV Confer?ence，2013：E12-1-E12-5.

［2］劉謙，龐立國(guó)，雷韻鴻. 三體消波滑行艇工作原理及技術(shù)特點(diǎn)研究［J］.江蘇船舶，2000，17（1）：6-7.LIU Qian，PANG Liguo，LEI Yunhong. Study on oper?ation principle and technical characteristics of trima?ran wave-damping planing craft［J］. Jiangsu Ship，2000，17（1）：6-7.

［3］劉謙，王振濤. 高速雙體滑行艇的特點(diǎn)、用途及發(fā)展動(dòng)向［J］.江蘇船舶，1998，15（1）：12-45.LIU Qian，WANG Zhentao. The distinguishing fea?tures，uses and development trends of high-speed planing catamaran［J］. Jiangsu Ship，1998，15（1）：12-45.

［4］劉謙，侯玉堂，余吾弟，等. 雙體滑行艇主尺度、線型和槽道參數(shù)對(duì)快速性的影響［J］.中國(guó)造船，1998（3）：7-15.LIU Qian，HOU Yutang，YU Wudi，et al. Effects of principal dimensions，moulded lines and parameters of channel on speed and powering of catamaran planing boat［J］.Shipbuilding of China，1998（3）：7-15.

［5］池云鵬，孟憲欽.高速槽道艇阻力及耐波性能試驗(yàn)研究［J］.船舶工程，1995（3）：27-31.CHI Yunpeng，MENG Xianqin. Experimental investi?gation on resistance and seakeeping performance for high speed channel crafts［J］. Shipbuilding Engineer?ing，1995（3）：27-31.

［6］趙連恩，李積德，何義. 槽道水翼滑行艇快速性能研究［J］.中國(guó)造船，1997（3）：1-8.ZHAO Lianen，LI Jide，HE Yi. A study on performance of channel-hydrofoil-type planing boats［J］. Shipbuild?ing of China，1997（3）：1-8.

［7］孫華偉，鄒勁，黃德波，等.三體滑行艇阻力試驗(yàn)研究［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，32（7）：858-861.SUN Huawei，ZOU Jin，HUANG Debo，et al. Experi?mental study on a high-speed trimaran-planing boat［J］. Journal of Harbin Engineering University，2011，32（7）：858-861.

［8］蘇玉民，王碩，沈海龍. 三體槽道滑行艇阻力模型試驗(yàn)研究［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，34（7）：832-836.SU Yumin，WANG Shuo，SHEN Hailong. Experimental study on resistance performance of a channel type plan?ning trimaran model［J］. Journal of Harbin Engineering University，2013，34（7）：832-836.

［9］陳輝，陳克強(qiáng). M 船型阻力數(shù)值模擬［J］. 船海工程，2012，41（5）：51-53.CHEN Hui，CHEN Keqiang. Numerical simulation of resistance of the M-hull ship［J］. Ship & Ocean Engi?neering，2012，41（5）；51-53.

［10］FALTINSEN O M. Hydrodynamics of high-speed ma?rine vehicles［M］. Cambridge：Cambridge University Press，2005：123-146.