美國(guó)海軍艦船水動(dòng)力設(shè)計(jì)與優(yōu)化

秦 琦

美國(guó)海軍水面戰(zhàn)中心卡德洛克分部（NSWCCD）之前又稱“David Taylor船模試驗(yàn)池”（DTMB）。在過去的一個(gè)世紀(jì)中是美國(guó)海軍研究與開發(fā)領(lǐng)域內(nèi)的主要國(guó)防機(jī)構(gòu)。20世紀(jì)60年代和70年代美國(guó)海軍艦船工程中心（NAVSEC）現(xiàn)稱“海軍海上系統(tǒng)司令部”（NAVSEA）是美國(guó)海軍戰(zhàn)后大部分艦船項(xiàng)目的設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)。

據(jù)了解，DTMB與NAVSEA聯(lián)系密切，特別關(guān)注船型開發(fā)和水動(dòng)力研究。近些年來，隨著美國(guó)海軍艦船采購戰(zhàn)略的改變，造船業(yè)界在船舶整個(gè)設(shè)計(jì)過程中承擔(dān)更大的責(zé)任。經(jīng)過近十年采購戰(zhàn)略的實(shí)施，NSWCCD雖已不再是美國(guó)海軍所有新船設(shè)計(jì)項(xiàng)目的唯一試驗(yàn)機(jī)構(gòu)，但其經(jīng)驗(yàn)、設(shè)計(jì)歷史、理念仍對(duì)目前的海軍艦船設(shè)計(jì)具有十分重要的影響。

艦船水動(dòng)力的局部設(shè)計(jì)與優(yōu)化

美國(guó)海軍在一些艦船項(xiàng)目研究中的水動(dòng)力性能局部的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，主要分為水動(dòng)力設(shè)計(jì)優(yōu)化的應(yīng)用發(fā)展與案例分析兩部分。

NSWCCD在短期海上補(bǔ)給項(xiàng)目、中期的海上補(bǔ)給項(xiàng)目T-AKE、高速半滑行船體、LHA（R）Plug Plus以及高速航母等項(xiàng)目的研發(fā)中，通過與NAVSEA聯(lián)合開發(fā)獲得了一些有價(jià)值的船型設(shè)計(jì)，包括 適 中 的Nabla球 首、 橢 圓 球首、pre-swirl banana skeg、producible skeg/中線面尾鰭和尾壓浪板。

一、船首水動(dòng)力設(shè)計(jì)與優(yōu)化

1．適中的Nabla球首。從表面上看，美國(guó)海軍的軍輔船（例如T-AKE、T-AO）與民用船舶（集裝箱船、豪華旅游船等）在船形上類似，實(shí)際上它們之間的船體設(shè)計(jì)限制條件和操作模式存在極大的不同。美國(guó)海軍大多數(shù)軍輔船的持續(xù)航速為20 ～24節(jié)，但大部分時(shí)間的航速不超過16節(jié)。而且NAVSEA估計(jì)所有新建海上補(bǔ)給艦船的操作模式是70%的時(shí)間處于設(shè)計(jì)排水量狀態(tài)，30%的時(shí)間處于壓載狀態(tài)。這種慣例深刻影響NAVSEA對(duì)新設(shè)計(jì)艦船的續(xù)航力和全壽命周期的評(píng)估，進(jìn)而影響NAVSEA的決定：若壓載工況下的不佳性能會(huì)造成能耗高，那么此類設(shè)計(jì)方案不采納，例如LHA、CVV、T-AO 187和雙尾鰭T-AO。

在過去的十幾年中，采購改革使得美國(guó)海軍所有軍輔船的設(shè)計(jì)和建造均由產(chǎn)業(yè)界完成，包括LMSR和T-AKE。在上述項(xiàng)目的評(píng)估中，NSWCCD注意到9種船型方案，LSMR有6種，T-AKE有3種，其中8種得到了歐洲模型試驗(yàn)的支持。不過，這兩型船體的設(shè)計(jì)方對(duì)美國(guó)海軍設(shè)計(jì)慣例（速度-時(shí)間模式、載荷/壓載操作模式）缺乏了解，其設(shè)計(jì)主要基于現(xiàn)有民船，例如采用豪華旅游船和集裝箱船上常見的大尺寸鵝頸（gooseneck）型球首。這種球首設(shè)計(jì)可能會(huì)出現(xiàn)自由表面以上浸沒以及可能無法接受的船首波等現(xiàn)象，尤其是在海上補(bǔ)給過程（12 ～16節(jié)航速）和近壓載狀況下。在海上補(bǔ)給時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)的問題包括補(bǔ)給船施加給接收船的大首波。例如T-AKE設(shè)計(jì)，即便合同已經(jīng)授予，但最終更改了球首的設(shè)計(jì)。

研究/應(yīng)用實(shí)例1中期海上補(bǔ)給項(xiàng)目。在中期海上補(bǔ)給項(xiàng)目中，DTMB對(duì)不同尺寸和形狀的球首進(jìn)行了大量的阻力與推進(jìn)試驗(yàn)，其中所選的Nalba 6的型線圖見圖1，該型船的水線長(zhǎng)為192.95米， 寬32.19米， 船 深10.4米，排水量為43842t，方形系數(shù)為0.661，棱形系數(shù)為0.675，橫剖面系數(shù)為0.980，縱向浮心/水線長(zhǎng)為0.512。

此外還選擇了兩型球首與Nalba 6進(jìn)行比較，一型是常用于民船的鵝頸型球首（Nabla 5），另一型是基準(zhǔn)球首，設(shè)計(jì)的主要考慮工況是壓載狀態(tài)，因此基準(zhǔn)球首的橫剖面面積相對(duì)較?。ˋBT/AX=0.059）。

圖1 Nalba 6的型線圖

選擇的Nabla 6球首具有適中的橫剖面面積（ABT/AX=0.077）和適中的Nabla形狀（倒轉(zhuǎn)三角形）。首垂線處的球首最大高度相當(dāng)于設(shè)計(jì)吃水的80%，這種設(shè)計(jì)可以滿足設(shè)計(jì)吃水狀態(tài)下“自由表面以下浸沒”的條件。之所以選擇Nabla 6球首，原因在于其優(yōu)異的總體性能不僅表現(xiàn)在整個(gè)速度范圍，而且表現(xiàn)在滿載工況和壓載工況。經(jīng)過對(duì)Nabla 6和其他兩型球首設(shè)計(jì)的比較，最終表明Nabla 6型球首具有更優(yōu)異的性能。需要指出的是，中期海上補(bǔ)給項(xiàng)目最終止步于研發(fā)階段，但Nabla 6球首后來成為T-AKE的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

應(yīng)用實(shí)例2。T-AKE的最初設(shè)計(jì)采用典型的鵝頸型球首（ABT/AX=0.09），其上表面到達(dá)設(shè)計(jì)水線。該球首能使船體在設(shè)計(jì)載荷條件下達(dá)到優(yōu)異的阻力性能。在壓載條件下，該球首部分浸沒，進(jìn)入球首較肥的入口（blunt）的水流會(huì)產(chǎn)生較大的首波系，在球首與船體的相互作用下，水流向下進(jìn)入船體底部，這種效應(yīng)會(huì)增大船體阻力。當(dāng)航速低于17節(jié)時(shí)（補(bǔ)給速度為12 ～16節(jié)），船舶在壓載工況下的收到功率需求最高比滿載工況多18%。

鵝頸型球首在壓載水工況下、低速時(shí)的不佳阻力和推進(jìn)性能引起了NAVSEA擔(dān)憂，尤其是對(duì)波浪和壽命周期成本的擔(dān)憂。NASSCO與NSWCCD重新設(shè)計(jì)了球首，新球首的橫剖面面積稍小，但縱剖面型線較低，這是因?yàn)榍蚴醉敳康陀趬狠d吃水。新球首的設(shè)計(jì)吸取了中期海上補(bǔ)給項(xiàng)目的教訓(xùn)，并且對(duì)Nabla 6版本進(jìn)行了改進(jìn)。將新設(shè)計(jì)的球首與原來的鵝頸型球首進(jìn)行性能對(duì)比，雖然滿載排水量從40469t增加至40880t，但Nabla球首在20節(jié)設(shè)計(jì)航速以下的性能與鵝頸型球首相同，壓載工況下的排水量從33357t增至35133t，但Nabla球首仍能在整個(gè)航速范圍內(nèi)降低功率需求，例如在航速14節(jié)時(shí)可減少17%功率。

2．橢圓球首（Elliptical Bulbous Bows）。橢圓球首并不是一個(gè)新概念，美國(guó)海軍最初采用該型球首的艦船是MARAD預(yù)置船（MARAD C7-5-M134a）和LSD 41級(jí)登陸艦。這兩型艦船采用了球形球首和橢圓球首進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)均表明橢圓球首總體性能更優(yōu)。不過LSD 41最終選擇了球形球首，主要因?yàn)槠浣ㄔ斐杀镜?。但后來的?shí)踐證明，選用球形球首并不是一個(gè)好方案，因?yàn)閺恼麄€(gè)壽命周期角度看，橢圓球首的成本更低。美國(guó)海軍首艘采用橢圓球首設(shè)計(jì)的艦船之一是AE 36艦船，采用近似橢圓橫剖面的球首（Nabla細(xì)長(zhǎng)版），橫剖面圖見圖2。近二十年以來，AE 36憑借其優(yōu)異的阻力性能成為各類新設(shè)計(jì)艦船的先驅(qū)。

圖2 AE 36首部線型

近年來美國(guó)海軍設(shè)計(jì)和建造了一些采用橢圓形球首的艦船，如CVN 76航母、兩棲攻擊艦LHA（R）Plug Plus。它們均在中高速范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好或優(yōu)異的性能，在低速范圍內(nèi)的性能損失較小。

研究/應(yīng)用實(shí)例1，LHA（R）Plug Plus。最初LHA（R）項(xiàng)目計(jì)劃建造新一級(jí)兩棲艦艇，以取代LHA級(jí)。這是因?yàn)檫^去幾十年LHA的排水量顯著增大，現(xiàn)有的船體在服役壽命后期幾乎沒有多少重量和穩(wěn)性余量，因此無法滿足要求。如果LHA（R）的載荷進(jìn)一步增加，那么這將有損LHA（R）的水動(dòng)力性能。NAVSEA在經(jīng)過三年的AOA研究后，決定選擇另一方案Plug Plus作進(jìn)一步研究。

LHA（R）Plug Plus的水線長(zhǎng)為260.42米，寬35.35米，船深7.07米， 排 水 量 為400684t，方形系數(shù)為0.640，棱形系數(shù)為0.661，橫剖面系數(shù)為0.968，縱向浮心/水線長(zhǎng)為0.519。LHA（R）Plug Plus實(shí)際上是一個(gè)全新的船形，長(zhǎng)度增加了23.47米（水線長(zhǎng)為260.42米），寬度增加3.04米，重量較目前的LHA級(jí)艦船增加了10000t。雖然排水量明顯增大，但設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)仍被要求采用與LHA 7相同的動(dòng)力裝置，而且設(shè)計(jì)航速應(yīng)與此前的LHA相同。為保證設(shè)計(jì)航速，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了不同的球首試驗(yàn)。

經(jīng)過一系列阻力試驗(yàn)，結(jié)果表明采用橢圓球首的新船體的阻力性能最優(yōu)，其優(yōu)異的阻力性能可以根據(jù)“設(shè)計(jì)吃水在7.92米時(shí)的蝸形系數(shù)較低”這一點(diǎn)予以證明。據(jù)稱，LHA（R）Plug Plus是美國(guó)海軍設(shè)計(jì)的兩棲艦艇中蝸形系數(shù)最低的一個(gè)船形。在滿載工況和壓載工況下，相比于切底型船首，橢圓球首可以在設(shè)計(jì)航速時(shí)減少4%～5%的阻力（傅汝德數(shù)為0.2），而且其在低速時(shí)的阻力性能損失較小。橢圓球首和切底型船首的等同功效點(diǎn)是16節(jié)（傅汝德數(shù)為0.16）。新設(shè)計(jì)船體的優(yōu)異阻力性能歸功于以下幾點(diǎn)：光順的橫剖面曲線、較小的尾板面積比、非常好的橢圓球首。LHA（R）雖然未建造，但該型球首對(duì)未來的設(shè)計(jì)影響極大。

研究/應(yīng)用實(shí)例2，船體擴(kuò)展的航母。20世紀(jì)80年代，鑒于美國(guó)航母在過去幾十年重量顯著增大，美國(guó)海軍計(jì)劃改善航母穩(wěn)性。NAVSEA決定將航母的每側(cè)船寬增加7ft，這樣船體變動(dòng)較為平緩。NSWCCD負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)新的球首，以減小因船體變化而產(chǎn)生的阻力增加?，F(xiàn)有的淚滴型球首較?。ˋBT/AX=0.03），俗稱Taylor球首，這類球首在低速時(shí)的阻力性能略差，中高速條件下可以適度減少功率需求（傅汝德數(shù)為0.6或以下）。為實(shí)現(xiàn)高速時(shí)的減阻能力（阻力性能），NSWCCD新設(shè)計(jì)了Nabla球首，但該球首的最大寬度過大，在小角度縱傾時(shí)錨的操作會(huì)受到影響。于是NSWCCD選用另一種屬于橢圓剖面形狀的新球首，但保留了球形剖面。新的橢圓球首相對(duì)較小，因此不會(huì)超出船首突出部分。此外，新球首可以用于現(xiàn)有船體的改裝，球首和船體之間沒有圓角，可盡量減少船體振動(dòng)。該船的水線長(zhǎng)為302.76米，寬42.67米，船深12.37米，排水量為98092t，方形系數(shù)為0.598，棱形系數(shù)為0.607，橫剖面系數(shù)為0.985，縱向浮心/水線長(zhǎng)為0.057。

NSWCCD對(duì) 采 用Taylor球首和橢圓球首的擴(kuò)展船體進(jìn)行了裸船體試驗(yàn)。相比于Taylor球首，橢圓球首在整個(gè)速度范圍都擁有更好的性能。最大的減阻效果發(fā)生在航速為22節(jié)和33節(jié)，分別可降阻6%和2.5%。此外，新擴(kuò)展的船體在33節(jié)時(shí)可降阻5.5%，這樣船模試驗(yàn)表明在33節(jié)時(shí)阻力最多可減少8%。

2004年，NSWCCD決定研究球首長(zhǎng)度變化對(duì)阻力的影響。航母垂線間長(zhǎng)增加了約3%，采用原有的橢圓球首，橫剖面面積不變。新修正的細(xì)長(zhǎng)型橢圓球首也擁有出色的水線入口以及更尖的縱剖面。在設(shè)計(jì)吃水10.66米（輕載80038t）和12.37米（排水量96543t）的條件下，對(duì)原有的橢圓球首和經(jīng)修正的細(xì)長(zhǎng)型橢圓球首分別進(jìn)行了裸船體試驗(yàn)。在設(shè)計(jì)吃水為12.9米的整個(gè)航速范圍內(nèi)，細(xì)長(zhǎng)型球首較原有的橢圓球首在26 ～32節(jié)之間最多減阻2%。

二、船尾水動(dòng)力設(shè)計(jì)與優(yōu)化

1．pre-swirl banana skeg。1994年，NSWCCD受 命 評(píng) 估 短期戰(zhàn)略海上補(bǔ)給項(xiàng)目中所有船廠的船型方案，該項(xiàng)目后變更為大中型滾裝船（LMSR）。船廠共提供了7種設(shè)計(jì)方案，其中2種方案采用雙尾鰭。為評(píng)估各種船型的性能，NSWCCD修改了海軍的要點(diǎn)設(shè)計(jì)（point design）要求，特別是評(píng)估雙尾鰭而非最初的軸系與軸架結(jié)構(gòu)。其中一型最佳設(shè)計(jì)是pre-swirl banana skeg（model 5490-4），采用了曲線橫剖面，這樣尾鰭可為螺旋槳產(chǎn)生一個(gè)預(yù)旋流體，這種流體不僅可以改善內(nèi)旋螺旋槳的效率，相比于典型雙尾鰭結(jié)構(gòu)以及常規(guī)軸系和軸架結(jié)構(gòu)，還可以明顯減小附體阻力。而且，pre-swirl banana skeg較其他雙尾鰭結(jié)構(gòu)具有最小的阻力，原因是預(yù)旋流體能夠減小與尾鰭相連的邊界層厚度。pre-swirl banana skeg線型見圖3。該型船的水線長(zhǎng)為282.54米， 寬32.15米， 船 深10.55米，排水量為67748t，方形系數(shù)為0.688，棱形系數(shù)為0.702，橫剖面系數(shù)為0.980，縱向浮心/水線長(zhǎng)為0.532。

圖3 采用pre-swirl banana skeg的LMSR型線圖

事實(shí)證明，pre-swirl banana twin-skeg設(shè)計(jì)明顯優(yōu)于其他設(shè)計(jì)方案。Model 5490-4方案顯示出極好的性能，遠(yuǎn)好于海軍的要點(diǎn)設(shè)計(jì)要求（Model 5490），在航速為20節(jié)時(shí)單位排水量的功率需求減少17%，航速為24節(jié)時(shí)減少10%。此外，還可以通過選擇合適伴流的螺旋槳設(shè)計(jì)而降低2%的能耗。

2．producible skeg（減輕伴流中線面尾鰭）。在進(jìn)行中期海上補(bǔ)給設(shè)計(jì)項(xiàng)目時(shí)，NSWCCD負(fù)責(zé)一型民用可行的海上補(bǔ)給設(shè)計(jì)創(chuàng)新概念的研發(fā)。基準(zhǔn)船體定為單槳設(shè)計(jì)。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)和試驗(yàn)了多種球首、船尾、中線面尾鰭、雙尾鰭和推進(jìn)裝置，其中部分最終方案還進(jìn)行了伴流測(cè)量試驗(yàn)，這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)槁菪龢a(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)形成空泡、螺旋槳腐蝕以及船舶尾鰭振動(dòng)問題。美國(guó)海軍近期建造的單槳船舶之一是AO-177，振動(dòng)問題的最終解決消耗了不低的成本，利用螺旋槳上方的縱向鰭改善伴流場(chǎng)和進(jìn)行螺旋槳重新設(shè)計(jì)才得以解決問題。

研究/應(yīng)用實(shí)例1（T-AKE）。2011年美國(guó)海軍授予國(guó)家鋼鐵和造船公司（NASSCO）新一級(jí)貨物和彈藥運(yùn)輸船“USS lewis and clark”級(jí)（T-AKE 1）的建造合同，該級(jí)艦艇的船形由NASSCO和荷蘭海事研究所（MARIN）共同開發(fā)。其線型反映了單槳貨船的典型設(shè)計(jì)慣例：干船尾（dry transom）、U型船首、尺寸中等（ABT/AX=0.09）且較高的鵝頸型球首、球形中線面尾鰭。

雖然T-AKE最初的設(shè)計(jì)具有良好的阻力和推進(jìn)性能，但NAVSEA對(duì)其有兩大擔(dān)憂：其中之一是球形尾鰭產(chǎn)生較大的伴流差（wake deficit），另一個(gè)擔(dān)憂是在航速不超過16節(jié)的壓載工況下，球首的局部浸沒會(huì)產(chǎn)生較高的阻力。較大的伴流差會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的空泡問題，造成較高的壓力脈沖和船體振動(dòng)，這些問題會(huì)對(duì)螺旋槳和貨物產(chǎn)生重要影響。此外，NASSCO和MARIN還認(rèn)為該船形會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的航向穩(wěn)定性問題和較大的航向超越角。為了消除NAVSEA的擔(dān)憂，NASSCO、MARIN 和NSWCCD對(duì)這些潛在問題進(jìn)行處理，其中主要解決伴流和航向穩(wěn)定性問題、球首設(shè)計(jì)兩個(gè)問題。該型船的水線長(zhǎng)為197.07米，寬32.20米，船深8.99米，排水量為40502t，方形系數(shù)為0.692，棱形系數(shù)為0.700，橫剖面系數(shù)為0.988，縱向浮心/水線長(zhǎng)為0.510。

圖4 采用producible skeg的T-AKE線型圖

圖5 producible skeg的橫剖面圖和側(cè)視圖

伴流。T-AKE尾鰭最初的上止點(diǎn)的軸向速度比（Vx/V）低至0.47，伴流差的波面角為24°，過于陡峭。這種陡度和deficit會(huì)導(dǎo)致螺旋槳的入流角在極短時(shí)間內(nèi)增大，進(jìn)而增大產(chǎn)生空泡和振動(dòng)的可能性。

NSWCCD的設(shè)計(jì)方案和型線見圖4，該方案基于中期海上補(bǔ)給項(xiàng)目中的producible skeg。該尾鰭由一系列可展開面和平面組成，船體和尾鰭之間不存在圓角，見圖5a和5b。必須確保流體緩慢進(jìn)入尾鰭的上部分，以光順的垂向“刀形”（knifte）結(jié)束，該刀形用于支持大的軸轂。

與最初的球形尾鰭相比，producible skeg上方陡峭的“尾刀”（stern knife）邊緣可以使流體快速地進(jìn)入槳盤的上部分，見圖5b。根據(jù)producible skeg產(chǎn)生的伴流可知，當(dāng)Vx/V增至0.53時(shí)，波面角更平緩（32°），這種設(shè)計(jì)可以減小螺旋槳受到的空泡和振動(dòng)影響。此外，有利于改善伴流分布，并且能提高推進(jìn)性能，最多可減少2%的功率需求。

②航向穩(wěn)定性。最初的性能規(guī)格書要求T-AKE能夠滿足所有前進(jìn)速度下的全航向穩(wěn)定性，這類要求對(duì)于所有的美國(guó)海軍軍輔船是常見的，因?yàn)檫@關(guān)系船舶的安全性，尤其是在海上補(bǔ)給操作時(shí)。MARIN的模型試驗(yàn)表明，原先設(shè)計(jì)的T-AKE船體不滿足這種嚴(yán)格要求，這種船模在不進(jìn)行操作控制的情況下會(huì)往左或往右偏，這主要因?yàn)椋旱谝?，從概念設(shè)計(jì)開始，船體的豐滿度不斷增加，這可能會(huì)改變航向；第二，船舶采用單槳，槳的旋轉(zhuǎn)會(huì)自動(dòng)引起船舶右偏；第三，舵和尾鰭不能有效保證船舶處于直線航路上。 雖 然NASSCO和MARIN采用不同大小和形狀的舵嘗試解決這個(gè)問題，但未能成功。

producible skeg最終憑借其優(yōu)異的伴流和推進(jìn)性能入選設(shè)計(jì)方案。為確保最終的設(shè)計(jì)滿足操縱要求，增大了舵的尺寸，并且增加了端板以增強(qiáng)有效性。尾鰭后緣增加了一個(gè)skeglet（或垂向板），延長(zhǎng)了刀形尾部，可以提高船舶的航向穩(wěn)定性，見圖5b。依靠producible skeg 的平表面和尖后緣、端板以及skeglet等設(shè)計(jì)，操縱試驗(yàn)結(jié)果最終表明，航向穩(wěn)定性和船體的控制性實(shí)現(xiàn)了提高。與原有設(shè)計(jì)相比，20-20 Z字形操縱的剩余轉(zhuǎn)彎速率和超越角均明顯減小。

3．尾壓浪板（stern flap/step flap）

尾壓浪板的作用是修正船傾，降低功率需求，一直應(yīng)用在小艇領(lǐng)域，后來Admiralty海洋技術(shù)機(jī)構(gòu)（AMTE）將尾壓浪板引入大排水量船體，護(hù)衛(wèi)艦領(lǐng)域，20世紀(jì)90年代初尾壓浪板應(yīng)用更加廣泛，從高速巡邏艇到大型低速輔助艦/兩棲艦艇。美國(guó)海軍自1989年開始首次在艦艇上安裝尾壓浪板，截至2012年，美國(guó)海軍和海岸警衛(wèi)隊(duì)共有14級(jí)艦艇安裝了約180塊尾壓浪板，服役總年限超過1300年，共計(jì)節(jié)省燃料費(fèi)用7.95億美元，其中7個(gè)級(jí)別的艦艇進(jìn)行了全尺度試驗(yàn)，安裝在作戰(zhàn)艦艇、輕型護(hù)衛(wèi)艦、巡邏船等上的全尺度尾壓浪板的試驗(yàn)表明，船舶性能明顯改善。對(duì)于兩棲艦艇而言，共有13塊尾壓浪板安裝在6級(jí)兩棲艦艇上，其中3個(gè)級(jí)別的艦艇為新建，另外3個(gè)級(jí)別為改裝，節(jié)省燃料費(fèi)用超過1100萬美元。

尾壓浪板可以減少推進(jìn)功率需求和廢氣排放，節(jié)省大量燃油成本，增加艦船續(xù)航力和最大航速?？梢栽诖皠?dòng)力需求與發(fā)動(dòng)機(jī)操作范圍達(dá)到平衡，這可以增加發(fā)動(dòng)機(jī)檢修的間隔時(shí)間，延長(zhǎng)機(jī)器設(shè)備的使用壽命。還可以降低螺旋槳負(fù)載、空泡、振動(dòng)和噪聲等問題。如果尾壓浪板應(yīng)用在新船上，尾壓浪板還可以增大速度、續(xù)航力、裝載能力，減少推進(jìn)系統(tǒng)所需功率和尺寸，降低采購成本。

但是，這種節(jié)能效果并不完全適用于整個(gè)速度范圍，水池試驗(yàn)表明：傅汝德數(shù)較低時(shí)，尾壓浪板的船模數(shù)據(jù)不佳，當(dāng)尾板或尾壓浪板浸沒深度增大時(shí)，功率損失增加。2005年研究表明，尾壓浪板在低速時(shí)阻力性能不佳歸因于其垂向位置。船模試驗(yàn)記錄了低速時(shí)的流體數(shù)據(jù)，流線譜表明與無尾壓浪板條件相比，浸沒較深的尾壓浪板常會(huì)增加與船軸相反的渦系。NSWCCD得出結(jié)論：減少或消除渦系的最優(yōu)辦法是重新布置尾壓浪板的位置，這樣尾壓浪板可以成為阻止渦系形成的端板，這種想法類似于飛機(jī)上常用的減少翼尖渦流的端板或翼梢小翼，這樣翼尖的有效面積或升阻比會(huì)增加。

NSWCCD將這種位置改變的尾壓浪板稱為“step flap”，其垂向位置與標(biāo)準(zhǔn)的尾壓浪板不同，后者一般與船尾端部保持平齊。而Step flap的有效位置位于作業(yè)水線和船尾最下部之間的中間區(qū)域，這種布置基于大量船模試驗(yàn)，包括半滑行船體、大型航母、低速兩棲艦等。

研究/應(yīng)用實(shí)例1，船體擴(kuò)展的航母。為評(píng)估航母船體應(yīng)用尾壓浪板的效果，研究人員選擇了各種球首進(jìn)行研究。航母水線長(zhǎng)為302.75米，吃水12.37米時(shí)的排水量超過96000t，尾板面積比（AT/AX）和尾板深度比（TT/TX）分別為0.10和0.3。對(duì)于無尾壓浪板、標(biāo)準(zhǔn)尾壓浪板、step flap分別進(jìn)行了裸船體阻力試驗(yàn)。系列試驗(yàn)的最優(yōu)夾角是與中縱剖線成6°，測(cè)試了不同翼展和弦長(zhǎng)的尾壓浪板，翼展的最優(yōu)值取船寬的43.6%，弦長(zhǎng)取水線長(zhǎng)的1%，采用類V型船尾，垂向棱形系數(shù)（CVPA）為0.741。標(biāo)準(zhǔn)尾壓浪板擁有一個(gè)橫升角，與船尾形狀一致，但對(duì)于step flap而言，其沒有橫升角。

船模試驗(yàn)在15 ～47節(jié)航速（傅汝德數(shù)為0.14 ～0.44）之間進(jìn)行。航速在26節(jié)（傅汝德數(shù)=0.25）以上時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)尾壓浪板較無尾壓浪板條件更為有效，但航速超過33節(jié)時(shí)（傅汝德數(shù)=0.31），標(biāo)準(zhǔn)尾壓浪板無法與step flap競(jìng)爭(zhēng)。在重載狀態(tài)下，與其他結(jié)構(gòu)相比，step flap在航速為25節(jié)時(shí)的尾流最佳。在常見的巡航速度20節(jié)以下（傅汝德數(shù)=0.19），標(biāo)準(zhǔn)尾壓浪板會(huì)產(chǎn)生2 ～4%的減阻損失。相反，step flap的性能優(yōu)于無尾壓浪板條件一直到45節(jié)航速（傅汝德數(shù)=0.42）。

研究/應(yīng)用實(shí)例2，兩棲艦艇。美國(guó)海軍的兩棲艦艇擁有井形甲板，通過大型折疊式尾門進(jìn)出。尾門打開時(shí)，依靠部分浸沒且與船尾相連的大結(jié)構(gòu)物支撐。這種由NSWCCD的Cusanelli 開 發(fā) 并申請(qǐng)專利的兩棲艦尾壓浪板是一種水動(dòng)力支撐結(jié)構(gòu)，它將尾壓浪板的水動(dòng)力性能表面與尾門支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了組合。尾壓浪板的水動(dòng)力性能源于水動(dòng)力機(jī)制及其對(duì)船尾支撐結(jié)構(gòu)的局部或全部的遮蔽。尾壓浪板的關(guān)鍵參數(shù)包括弦長(zhǎng)、翼展以及相對(duì)于縱剖線的角度。船體尺度、船尾門尺寸、支撐結(jié)構(gòu)要求、航速、任務(wù)能力以及不同的尾壓浪板設(shè)計(jì)準(zhǔn)則都會(huì)對(duì)尾壓浪板的設(shè)計(jì)產(chǎn)生極大的影響。尾壓浪板的目標(biāo)速度或續(xù)航力是決定尾壓浪板尺寸和性能的基本設(shè)計(jì)衡準(zhǔn)。目標(biāo)速度隨尾壓浪板設(shè)計(jì)目標(biāo)而改變，這些目標(biāo)包括減少巡航速度時(shí)所需的功率、增加最大航速、或減少燃料費(fèi)用。就節(jié)能而言，每級(jí)艦船的速度-時(shí)間曲線對(duì)于尾壓浪板的設(shè)計(jì)和優(yōu)化是非常關(guān)鍵的。雖然尾壓浪板減少功率需求一般在目標(biāo)速度或續(xù)航力附近進(jìn)行優(yōu)化，但在設(shè)計(jì)時(shí)仍應(yīng)考慮尾壓浪板在整個(gè)航速范圍內(nèi)的性能。

目前美國(guó)海軍正在安裝尾壓浪板的三級(jí)新建艦艇分別是“San Antonio”級(jí)（LPD-17）、“Makin Island”號(hào)（LHD-8）、“美國(guó)”級(jí)（LHA-6）。

據(jù)了解，模型試驗(yàn)表明，在“San Antonio”級(jí)（LPD-17）上安裝尾壓浪板可在最大持續(xù)航速21.5 節(jié)條件下減少3.4%功率需求；若航速增大0.25節(jié)，預(yù)計(jì)每年減少燃油消耗900桶（減少2.1%），每年可減少燃料成本15.8萬美元（175美元/桶）。

在“Makin Island” 號(hào)（LHD-8）上安裝尾壓浪板主要目標(biāo)是提高燃油效率，減少燃料消耗。同時(shí)，增加續(xù)航力和最高航速。模型試驗(yàn)表明，預(yù)計(jì)每年減少燃油消耗3.3%，每年可節(jié)省成本84.2萬美元。同時(shí)，設(shè)計(jì)尾壓浪板的第二目標(biāo)也能實(shí)現(xiàn)，在航行速度范圍內(nèi)，可以減少5%的功率需求，最大航速增加0.4節(jié)。

而“美國(guó)”級(jí)（LHA-6）是美國(guó)海軍最新一級(jí)大甲板兩棲攻擊艦，與（LHD-8）有很多相似之處。該艦安裝尾壓浪板的目的是減少高速時(shí)的功率需求，因此無需為提高燃料效率而進(jìn)行速度時(shí)間的加權(quán)設(shè)計(jì)，但這不影響尾壓浪板減少燃料消耗的作用。同時(shí)，還可以增加續(xù)航力，減少高速度時(shí)的槳葉負(fù)載。模型試驗(yàn)表明，LHA-6可以在21節(jié)時(shí)減少6.5%的功率需求，最大航速增加0.5節(jié)。另外，航速為9節(jié)時(shí)，尾壓浪板設(shè)計(jì)不會(huì)產(chǎn)生低速時(shí)的動(dòng)力損失。預(yù)計(jì)每年減少燃油消耗4%，每年可節(jié)省成本102萬美元。

除了以上3艘新建項(xiàng)目之外，還有三級(jí)改裝艦艇，分別是“Wasp”級(jí)（LHD-1）、“Whidbey Island”級(jí)（LSD-41）、“Harpers Ferry”級(jí)（LSD-49）。

以“Whidbey Island” 級(jí)（LSD-41）為例。安裝尾壓浪板設(shè)計(jì)的主要目的是減少燃油年消耗量，增大艦船的續(xù)航力和最大航速。經(jīng)過評(píng)估表明，尾壓浪板可以減少8%～10%的功率需求，平均每年減少7.3%，最大航速增加0.6節(jié)。每年可減少4.4%燃料，每年節(jié)省燃料費(fèi)用26.4萬美元。

圖6 部分兩棲艦艇上的尾壓浪板

水動(dòng)力分析軟件

目前，CFD等水動(dòng)力計(jì)算軟件在新船開發(fā)和設(shè)計(jì)中發(fā)揮越來越重要的作用，當(dāng)前美國(guó)海軍正在開發(fā)的部分水動(dòng)力軟件以及在高速運(yùn)輸艦項(xiàng)目上的軟件應(yīng)用。

水動(dòng)力的分析包括主船體、附體和螺旋槳的優(yōu)化，具體包括針對(duì)阻力的船型尺度優(yōu)化、船首形狀參數(shù)的優(yōu)化、船首或船尾側(cè)推形狀的優(yōu)化、推進(jìn)附體的形狀優(yōu)化等。水動(dòng)力優(yōu)化既可以通過船模試驗(yàn)進(jìn)行分析，也可以利用水動(dòng)力計(jì)算軟件等進(jìn)行模擬，例如20世紀(jì)80年代末NSWCCD在優(yōu)化驅(qū)逐艦的尾楔的水動(dòng)力設(shè)計(jì)時(shí)，尾楔設(shè)計(jì)組合使用了船模試驗(yàn)和XYZFS勢(shì)流計(jì)算程序預(yù)報(bào)，最終設(shè)計(jì)表明新尾鰭既降低了低速時(shí)一般尾楔產(chǎn)生的功率損失，最大航速時(shí)可減少6%的收到功率，并且每年可減少約2%的燃油消耗。

據(jù)了解，過去三十多年，CFD在船舶水動(dòng)力領(lǐng)域的應(yīng)用取得了諸多發(fā)展與進(jìn)步，從最初解決動(dòng)量方程等式、邊界層、半拋物線雷諾平均（RANS）方程發(fā)展到全雷諾平均方程、六自由度（6DOF）運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)以及運(yùn)動(dòng)控制器。目前船舶水動(dòng)力學(xué)計(jì)算的最新研究方向是在百億網(wǎng)格上對(duì)多尺度、多物質(zhì)和多相位的船舶流體大渦模擬進(jìn)行百億次的計(jì)算。船舶水動(dòng)力計(jì)算方法快速發(fā)展，包括建模、數(shù)值方法、高性能計(jì)算方法，這些計(jì)算方法的應(yīng)用模型包括水動(dòng)力、氣流和兩相流體求解器、紊流模型、界面模型、運(yùn)動(dòng)求解器、推進(jìn)模型、海況或波浪模型等。水動(dòng)力計(jì)算技術(shù)和方法的充分結(jié)合，促進(jìn)了船舶水動(dòng)力學(xué)在實(shí)船上的應(yīng)用。

1．CREATE IHDE軟件

據(jù)了解，用于水動(dòng)力優(yōu)化的大量CFD工具大部分與靜水阻力和波型有關(guān)，而近年來美國(guó)海軍的一些設(shè)計(jì)項(xiàng)目在設(shè)計(jì)任務(wù)和性能要求方面出現(xiàn)了一些根本性的變化，設(shè)計(jì)這些艦型時(shí)缺乏經(jīng)驗(yàn)，因此優(yōu)化技術(shù)可能相對(duì)有用。其中計(jì)算研究和工程化采購工具與環(huán)境（CREATE）項(xiàng)目就是一項(xiàng)旨在開發(fā)和實(shí)施一整套計(jì)算工程化設(shè)計(jì)和分析工具的大型計(jì)劃，以便在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中實(shí)現(xiàn)高精準(zhǔn)度設(shè)計(jì)和分析研究。船型研究是CREATE船舶水動(dòng)力產(chǎn)品的一個(gè)重要組成部分，項(xiàng)目目前計(jì)劃開發(fā)用于更快地界定設(shè)計(jì)空間的參數(shù)化編碼、用于更好地界定特定船型尺度和性能的更精準(zhǔn)的雷諾平均方程編碼。

目前美國(guó)海軍在水動(dòng)力分析工具方面的關(guān)注點(diǎn)是實(shí)施CREATE綜合水動(dòng)力設(shè)計(jì)環(huán)境（IHDE），這包括線性（采用基于勢(shì)流薄片理論的方法）和非線性（雷諾平均方程）評(píng)估水動(dòng)力阻力和進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較。此外的關(guān)注點(diǎn)是開發(fā)一種可以在IHDE框架內(nèi)實(shí)施的優(yōu)化流程，在設(shè)計(jì)環(huán)境中整合的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是自動(dòng)化。

據(jù) 了 解，2011 ～2012財(cái) 年期間， 采用IHDE軟件的美國(guó)海軍的艦船設(shè)計(jì)與優(yōu)化項(xiàng)目有T-AGOS-19、醫(yī)院船替代設(shè)計(jì)、打撈拖曳和搜救船（T-STAR）、綠色冰區(qū)巡邏艦（GPAV）、中型水面作戰(zhàn)艦艇（MASC）、DDG-51 Flight III 型 球 首 設(shè) 計(jì) 等。NSWCCD稱“在CREATE HIDE設(shè)計(jì)環(huán)境中使用水動(dòng)力評(píng)估和優(yōu)化工具有助于目前和未來的艦船設(shè)計(jì)師的工作，這種性能未來可能對(duì)美國(guó)海軍現(xiàn)有和未來采購項(xiàng)目產(chǎn)生直接且重大的影響”。

圖7 綜合水動(dòng)力設(shè)計(jì)環(huán)境（IHDE）

在IHDE中，美國(guó)海軍開發(fā)和整合了一些計(jì)算工具，比如船舶總阻力（TSD）、CFDShip-Iowa、SHAPE編碼等。

其中，TSD是由NSWCCD開發(fā)的，它是一項(xiàng)在初步設(shè)計(jì)階段進(jìn)行快速預(yù)報(bào)阻力的工具。采用TSD計(jì)算的總阻力包括興波阻力、摩擦阻力、形狀阻力、尾板阻力以及其他阻力。興波阻力采用薄片理論計(jì)算；摩擦阻力采用ITTC friction line估算；形狀阻力來源于58系列數(shù)據(jù)；尾板阻力一般分為兩個(gè)部分：基礎(chǔ)阻力部分可以根據(jù)亞音速子彈試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行建模，另一部分是水動(dòng)力部分，可以根據(jù)干尾板缺少的靜水力計(jì)算；其他阻力部分（例如浪花形成）可以根據(jù)建模，這部分基于64系列數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)值。TSD可以采用兩種不同的模式進(jìn)行研究：對(duì)于快速模式（kext=-1），如果作用在面板上的源強(qiáng)僅與面板法線的X部分（流體方向）有關(guān)，那么遠(yuǎn)場(chǎng)波浪阻力可采用零階薄片近似計(jì)算；對(duì)于慢速模式（kext=0），對(duì)船體的每個(gè)面板采用零階流場(chǎng)計(jì)算。

CFDShip-Iowa是由愛荷華大學(xué)（UI）開發(fā)的。采用非線性重疊網(wǎng)格解雷諾平均方程，解方程時(shí)組合使用有限差分法和有限體積法。對(duì)于對(duì)流場(chǎng)，采用二階、三階、四階迎風(fēng)偏移離散法分析；對(duì)于擴(kuò)散場(chǎng)，采用二階中心法分析。壓力-速度的耦合可以采用較快的投影算法，也可以采用較慢的PISO算法解決。產(chǎn)生的壓力矩陣可以使用Krylov空間求解器對(duì)PETSc包的求解而解決。邊界條件可以根據(jù)GRIDGEN軟件中的圖形用戶界面設(shè)置。雷諾平均方程湍流閉合的計(jì)算包括單一方程、兩方程、雷諾各向異性顯式代數(shù)應(yīng)力模型。自由面捕捉法采用水平集方法進(jìn)行自由表面的建模。這種方法可以計(jì)算大振幅運(yùn)動(dòng)、碎波和飛濺。

SHAPE編碼是由SAIC開發(fā)的。它可以確定基準(zhǔn)船形變化，改善用戶界定的度量。并且可以確定用戶指定的局部或全方位的邊界。船形的優(yōu)化可根據(jù)如下確定：檢查基準(zhǔn)船形的變動(dòng)給目標(biāo)函數(shù)帶來的評(píng)估變化。這樣，就可能利用多種分析工具進(jìn)行評(píng)估，并積累反映每一種變化船形的目標(biāo)函數(shù)衍生物的數(shù)據(jù)。

2．HSSL項(xiàng)目中的軟件

由于海洋高速運(yùn)輸船的操作要求越來越嚴(yán)格，比如在淺吃水港口盡量減少對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)施的支持要求，這類艦船的設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜，2005年美國(guó)海軍研究辦公室（ONR）為美國(guó)高速海上補(bǔ)給（HSSL）項(xiàng)目開發(fā)了一些設(shè)計(jì)工具，這些軟件要求能夠解決船舶性能問題，比如非定常運(yùn)動(dòng)和波浪載荷、沖擊載荷、阻力、附加阻力、操縱、粘性效應(yīng)和淺水效應(yīng)，這些軟件還應(yīng)能解決一些設(shè)計(jì)創(chuàng)新問題，比如多體結(jié)構(gòu)、表面效應(yīng)船、噴水推進(jìn)等。軟件選擇的標(biāo)準(zhǔn)如下：第一，具備HSSL船舶設(shè)計(jì)和性能分析所需的能力；第二，基于物理而非經(jīng)驗(yàn)法；第三，所選軟件的所需功能應(yīng)用的成熟度；第四，工具在過去應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)。所選的工具包括商用的船舶系統(tǒng)參數(shù)化評(píng)估（ComPASS）、Das Boot、船舶響應(yīng)（VERES）、大振幅運(yùn)動(dòng)程序（LAMP）、有限元分析雷諾方程（FANS）和HAPE，這些軟件可以基于需求進(jìn)行擴(kuò)展和開發(fā)。

ComPASS軟件是一項(xiàng)界定船舶設(shè)計(jì)空間的獨(dú)特設(shè)計(jì)工具，在HSSL項(xiàng)目中，該軟件是負(fù)責(zé)船形開發(fā)的主要工具；Das Boot是一項(xiàng)去異質(zhì)勢(shì)流編碼，包含有非線性自由表面邊界條件和迭代下沉（iterative sinkage）和縱傾。在HSSL項(xiàng)目中，該軟件是預(yù)報(bào)船舶阻力性能的主要編碼，在船形優(yōu)化中它常與SHAPE組合使用；VERES一項(xiàng)用于預(yù)報(bào)船舶運(yùn)動(dòng)和載荷的薄片理論程序；LAMP是一項(xiàng)專用于計(jì)算船舶在極端海況中的運(yùn)動(dòng)和載荷的時(shí)域模擬模型。在HSSL項(xiàng)目中，主要用于預(yù)報(bào)船舶運(yùn)動(dòng)、波浪載荷、沖擊載荷、波浪中的附加阻力、操縱性。該軟件還可以深入開發(fā)以便分析噴水推進(jìn)器推進(jìn)能力、提供表面效應(yīng)船初步的建模能力、利用預(yù)修正快速傅里葉變化法（pFFT）對(duì)船體非線性水動(dòng)力計(jì)算的一階振幅計(jì)算加速以及解決大量平板問題（數(shù)量超過1萬個(gè)）；FANS擁有9個(gè)主要部分，通過組合這些部分可以提供復(fù)雜流體和熱傳遞的建模能力，包括三維環(huán)境中的粘性和極端自由表面效應(yīng)；SHAPE表明是一項(xiàng)幾何船形優(yōu)化工具，優(yōu)化技術(shù)基于連續(xù)線型編程，幾何模型基于一系列應(yīng)用在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的功能模塊。

由于海軍艦船的要求與限制條件遠(yuǎn)高于民船，除考慮壽命周期成本以外，其他方面比如螺旋槳振動(dòng)和航向穩(wěn)定性有時(shí)可能也屬于優(yōu)先考慮因素，一些常規(guī)的首位形狀可以不適用。因此有必要開發(fā)新的船形，這樣就涉及到船舶水動(dòng)力設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

1、水動(dòng)力優(yōu)化工具（軟件）對(duì)于水動(dòng)力研究具有非常重要的作用和影響，為更好地開展水動(dòng)力研究，建議國(guó)家和大型造船集團(tuán)進(jìn)一步開展和完善船舶核心和主流設(shè)計(jì)軟件的自主開發(fā)與技術(shù)引進(jìn)的長(zhǎng)期戰(zhàn)略規(guī)劃，加強(qiáng)與國(guó)際國(guó)內(nèi)軟件企業(yè)的合作，爭(zhēng)取短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟件的二次開發(fā)應(yīng)用，在長(zhǎng)期階段實(shí)現(xiàn)核心軟件的國(guó)際合作開發(fā)和自主開發(fā)。

2、從企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的角度來看，建議研究機(jī)構(gòu)更加注重水動(dòng)力等基礎(chǔ)性能研究和工程應(yīng)用，健全技術(shù)創(chuàng)新機(jī)制，培育具有國(guó)際視野和涉足前沿技術(shù)的高端技術(shù)人才。注重前沿技術(shù)、理論方法的跟蹤與研究。

此外，根據(jù)美國(guó)海軍的新船型的研發(fā)歷程可知，企業(yè)加強(qiáng)與海軍研發(fā)機(jī)構(gòu)的聯(lián)系有助于技術(shù)的創(chuàng)新，促進(jìn)船舶水動(dòng)力發(fā)展。

3、從具體的產(chǎn)品類型，短期內(nèi)可以選擇對(duì)船型局部進(jìn)行優(yōu)化，包括首尾等，選擇某一類或幾類艦型做試驗(yàn)，積累經(jīng)驗(yàn)后再判斷是否適合推廣。將理論分析與試驗(yàn)分析組合在一起，以便能夠提高水動(dòng)力設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)度。