雙體小水線面水翼復(fù)合船浮態(tài)及阻力試驗(yàn)研究

劉亞東

(上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240)

雙體小水線面水翼復(fù)合船浮態(tài)及阻力試驗(yàn)研究

劉亞東

(上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240)

對采用非自控組合水翼系統(tǒng)的雙體小水線面水翼復(fù)合船(HYSWATH)模型進(jìn)行了浮態(tài)及阻力性能的試驗(yàn)研究，測量并分析了模型的吃水、縱傾角、阻力隨航速、水翼位置和攻角變化的規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明HYSWATH模型在體航、過渡和翼航等不同航行狀態(tài)時的縱傾角都比較小，說明非自控組合水翼系統(tǒng)可以保證HYSWATH模型在整個航行過程中的浮態(tài)；同時，前水翼的位置和攻角的變化對HYSWATH模型的阻力性能和船模進(jìn)入翼航狀態(tài)的速度影響很大，并能改善過渡狀態(tài)時船舶的阻力性能。

船舶設(shè)計；小水線面雙體船；水翼復(fù)合船；模型試驗(yàn)；阻力

0 引 言

復(fù)合船型的概念最早由美國的大衛(wèi)·泰勒艦船研究發(fā)展中心(DTNSRDC)于20世紀(jì)70年代提出，并且該中心當(dāng)時致力于單體小水線面水翼復(fù)合艇(HYSWAS)的可行性論證工作[1]。1981年，美國華盛頓大學(xué)的研究人員提出了多體水翼船的概念。研究指出，按70%的浮力和30%的水翼動升力組成的“水翼小水線面船”和“大型水翼復(fù)合船”，無論在靜水還是波浪中具有相當(dāng)優(yōu)良的性能[2]。20世紀(jì)80年代中后期，日本東京大學(xué)的研究人員設(shè)計了一種雙體水翼船(HC)，研究發(fā)現(xiàn)HC在阻力及耐波性方面均有很優(yōu)良的性能[3]。其后，包括南非、挪威、韓國、德國、法國在內(nèi)的多個國家也分別對水翼復(fù)合船型進(jìn)行了詳細(xì)全面的理論分析、模型試驗(yàn)和小型試驗(yàn)艇的海上航行試驗(yàn)，均取得了很大的進(jìn)展，驗(yàn)證了水翼復(fù)合船型的優(yōu)良性能[4]。

小水線面雙體船(SWATH)性能方面的最大優(yōu)點(diǎn)就是它顯著地改善了耐波性，但是SWATH的濕表面積比使用性能相同的單體船也增大了許多，其摩擦阻力隨著航速的提高會迅速增大，限制了SWATH航速的提高[5]。

水翼艇主要是靠高速航行時艇底下面的水翼產(chǎn)生的動升力來支撐全部艇重，將艇體完全托出水面，從而達(dá)到減小阻力、提高航速、改善耐波性的目的。但是，當(dāng)水翼艇的尺度增大到一定程度后，水翼提供的升力將不足以承載艇體的排水量，從而使上部艇體不可能完全脫離水面，因此水翼艇存在無法大型化的問題[6]。

為此，考慮在SWATH兩個片體之間的前后分別設(shè)置水翼，并適當(dāng)選擇前后水翼之間的距離，依靠水翼的動升力來承擔(dān)50%～60%的靜水浮力，理論上能夠減小35%～45%的濕表面積，從而提高SWATH的航速，為大型化提供保證，同時，由兩個水翼所產(chǎn)生的力矩能克服Mank力矩的作用，使該船型在高速領(lǐng)域也能正常安全航行。這種雙體小水線面水翼復(fù)合船(HYSWATH)應(yīng)能兼?zhèn)銼WATH和水翼艇的優(yōu)點(diǎn)[7]。本文對該船型的浮態(tài)和阻力性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，以驗(yàn)證其合理性。

1 船型說明

本文結(jié)合總布置、結(jié)構(gòu)、建造等方面的要求，確定了靜排水量為400 t的雙體小水線面水翼復(fù)合船(HYSWATH-400)的船體線型、支柱與下體的連接形式以及水翼的形式和布置[8-9]，如圖1所示。以此為研究對象，進(jìn)行了浮態(tài)及阻力試驗(yàn)研究，模型(縮尺比為1∶20)及靜浮狀態(tài)如圖2所示。其中，水翼采用非自動控制方式，固定安裝在片體上。

圖1 HYSWATH-400結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural schematic of HYSWATH-400

圖2 HYSWATH-400模型及靜浮狀態(tài)Fig.2 Model of HYSWATH-400 at rest

2 模型試驗(yàn)

試驗(yàn)在上海交通大學(xué)船模拖曳水池進(jìn)行，主要試驗(yàn)設(shè)備包括：

(1) 拖曳水池,110.0 m(長)×6.0 m(寬)×3.0 m(深)；

(2) 拖車，跨度6.0 m，最大速度6 m/s，配機(jī)械式阻力儀；

(3) 陀螺儀，位移傳感器，加速度傳感器。

阻力試驗(yàn)采用常規(guī)的試驗(yàn)方法，機(jī)械式阻力儀通過兩根細(xì)鋼絲將船模與阻力儀連接，船模所受阻力通過鋼絲傳遞到阻力儀上。

2.1 模型尺度

HYSWATH-400模型試驗(yàn)采用Froude相似準(zhǔn)則。模型主要參數(shù)如表1、表2所示。

表1 HYSWATH-400模型船體主要參數(shù)Table 1 Main parameters of the hull of HYSWATH-400 model

表2 HYSWAYH-400模型水翼和水翼支柱主要參數(shù)Table 2 Main parameters of the hydrofoil and foil-support of HYSWATH-400 model

2.2 試驗(yàn)方案

為了考察水翼位置及攻角大小對HYSWATH船模浮態(tài)和阻力性能的影響，船模試驗(yàn)采取的方案為排水量、船體重心、后水翼的位置和攻角均保持不變，只改變前水翼的縱向位置和攻角，具體見表3。其中，lf和la分別表示前水翼距主體首端點(diǎn)的距離和后水翼距主體尾端點(diǎn)的距離，αf和αa分別表示前后水翼的攻角。通過改變復(fù)合船型前水翼的縱向位置及攻角，分析比較不同方案的阻力性能，優(yōu)選出阻力性能良好的HYSMATH船型。

表3 HYSWATH-400模型阻力試驗(yàn)方案Table 3 Schemes of resistance test for HYSWATH-400

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 船模浮態(tài)

HYSWATH在航行過程中，船舶的浮態(tài)會發(fā)生變化。當(dāng)航速較低時，水翼還沒有發(fā)揮作用，此時船舶處于體航狀態(tài)，也就是船舶的主船體還有一部分在水下；隨著航速的增加，水翼產(chǎn)生升力，使得主船體逐漸脫離水面，并最終完全脫離水面，此時船舶的航行狀態(tài)可稱為翼航；由體航到翼航的中間過程稱為過渡航態(tài)。用KT表示上部船體連接橋底部距基線的高度，吃水小于KT值即意味著模型已進(jìn)入翼航狀態(tài)。

圖3表示模型在不同航速下的吃水?？梢钥闯?，4個方案的HYSWATH進(jìn)入翼航狀態(tài)時的航速有明顯的不同。以對應(yīng)實(shí)船航速22 kn為例，見圖4，方案1中的船模已經(jīng)進(jìn)入平穩(wěn)的翼航狀態(tài)中，主船體部分完全脫離了水面，而方案4的船舶正處于過渡航態(tài)，在艏部引起了飛濺，直到模型速度達(dá)到2.76 m/s時(相當(dāng)于實(shí)船航速24 kn)才進(jìn)入翼航狀態(tài)。由此可以說明，前水翼的縱向位置影響著HYSWATH進(jìn)入翼航狀態(tài)的航速。

圖3 HYSWATH-400模型不同航速下的吃水Fig.3 Draft of HYSWATH-400 model at Different speeds

圖4 HYSWATH-400模型體航狀態(tài)Fig.4 Model of HYSWATH-400 on hull borne

當(dāng)HYSWATH進(jìn)入穩(wěn)定翼航狀態(tài)之后，水翼位置的變化對吃水的影響就不太明顯了，隨著航速的變化，吃水曲線變得平坦和緩。過渡狀態(tài)前后的一定范圍內(nèi)前水翼縱向位置的變化對吃水的影響還是比較大的。同時，增大前水翼的攻角，也會使HYSWATH的吃水減小。

圖5表示HYSWATH-400在不同航速時縱傾角的變化。航速較低時，船體有比較明顯的艏傾，這是因?yàn)楹笏淼拿娣e和攻角均大于前水翼；隨著航速的增加，后水翼受船體和前水翼興波的影響，其升力的增加沒有前水翼的快，一定航速以后，前水翼的升力大于后水翼的升力，此時船體呈現(xiàn)艉傾狀態(tài)。翼航過程中，縱傾角隨航速的變化沒有規(guī)律性，但總的變化幅度不大。同時，從4個方案的比較來看，前水翼的縱向位置變化對船舶航態(tài)的影響也沒有很明顯的規(guī)律性。

圖5 HYSWATH-400模型不同航速下的縱傾角Fig.5 Trim angle of HYSWATH-400 model at different speeds

總的來說，HYSWATH-400在從體航狀態(tài)到翼航狀態(tài)的整個過程中，吃水的變化較大，縱傾角的變化幅度較小。這說明HYSWATH-400在不同航行階段均具有良好的浮態(tài)，沒有出現(xiàn)過大的艉傾或者艏傾。

3.2 阻力試驗(yàn)結(jié)果

圖6表示HYSWATH模型阻力的試驗(yàn)結(jié)果。由圖中可以看出，前水翼縱向位置的變化對總阻力的影響比較明顯，前水翼靠前的時候，有較明顯的阻力峰；隨著前水翼位置的后移，阻力峰逐步消失，阻力曲線的坡度變得很平坦。同時，所有的方案在高速區(qū)域，阻力的增加都比較快，以方案4為例，當(dāng)船模進(jìn)入翼航狀態(tài)時，由圖7可見，航速30 kn時幾乎沒有飛濺，航速到40 kn時飛濺很厲害，因此高航速區(qū)域總阻力的急劇增大應(yīng)該是由飛濺導(dǎo)致的。

圖6 HYSWATH-400模型阻力試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Resistance of HYSWATH-400 model test

圖7 HYSWATH-400模型翼航狀態(tài)Fig.7 The Model of HYSWATH-400 on Foil Borne

由圖3、圖5、圖6可知，在低航速區(qū)域，吃水并不隨航速的變化而變化，但由于前后水翼的位置、面積和攻角的不同，縱傾角有明顯的差異，上部船體造成不同的船艏波，導(dǎo)致總阻力隨前水翼位置的變化也有較明顯的變化。

3.3 試驗(yàn)與理論計算結(jié)果的比較與分析

HYSWATH的總阻力可分為船體阻力及水翼阻力，其中船體阻力包括上部船體、支柱和片體阻力。低速航行時，船體阻力與常規(guī)排水型船類似，可用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行計算。隨著航速的提高，水翼升力增大，上部船體離開水面，水線位于支柱處，HYSWATH處于翼航狀態(tài)，此時翼航吃水是位置參變量，需要通過求解作用于船體上的力和力矩的平衡方程式得到翼航姿態(tài)的吃水和縱傾角，再應(yīng)用計算SWATH阻力的方法計算HYSWATH的阻力。水翼阻力的計算方法可參考水翼艇的有關(guān)算法。

據(jù)此，在SWATH和水翼艇阻力計算方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合HYSWATH的運(yùn)動特征，給出了HYSWATH翼航姿態(tài)及阻力的計算方法。以方案4為例，將理論計算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，見表4及圖8，一方面驗(yàn)證了理論計算方法的可靠性，另一方面還進(jìn)一步驗(yàn)證了HYSWATH良好的浮態(tài)及阻力性能。

表4 HYSWATH船體阻力理論計算及模型試驗(yàn)結(jié)果Table 4 The Theoretical Calculation and Test Results of Hull Resistance of HYSWATH

從表4所列數(shù)據(jù)的比較分析可以看出，當(dāng)HYSWATH處于體航狀態(tài)時，理論計算與模型試驗(yàn)結(jié)果之間的差異大于20%，其主要原因在于HYSWATH低速航行時上部船體不脫離水面，并形成較高的船艏波，興波阻力增加，同時也導(dǎo)致船體濕表面積增大， 粘性阻力增大，這兩點(diǎn)在理論計算時沒有考慮。該船進(jìn)入翼航狀態(tài)后到運(yùn)營速度的大多數(shù)航速下誤差很小，理論計算與試驗(yàn)結(jié)果有相當(dāng)好的一致性，說明本文提出的HYSWATH翼航狀態(tài)阻力計算方法能得到可靠的結(jié)果，可以在初步設(shè)計時用于估算阻力和主機(jī)功率。

4 結(jié) 語

根據(jù)以上研究和分析,可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1) 前水翼的位置往前移，可以使HYSWATH模型開始進(jìn)入翼航狀態(tài)的航速降低，并能很快度過過渡狀態(tài)。阻力曲線的峰谷較為明顯，有利于在整個速度范圍內(nèi)，尤其是在過渡狀態(tài)附近改善該船的阻力性能。

圖8 HYSWATH阻力系數(shù)曲線Fig.8 Resistance coefficient curves of HYSWATH

(2) 前水翼的攻角減小時，在高航速區(qū)域總阻力下降，但度過過渡狀態(tài)比較慢。

(3) HYSWATH模型從體航到翼航以及在翼航不同航行狀態(tài)的縱傾角比較小，說明采用非自控組合水翼系統(tǒng)可以保證HYSWATH船型整個航行過程的浮態(tài)。

(4) 該船在高航速區(qū)域飛濺很大，總阻力急劇增大，且與水翼的位置和攻角的變化無關(guān)。在高航速區(qū)域減小飛濺是改善HYSWATH阻力性能的重要措施。

總體而言，高速HYSWATH是水翼艇和SWATH的有機(jī)組合，兼具這兩種船型的優(yōu)點(diǎn)。此項(xiàng)技術(shù)不僅可用于民用的海洋科學(xué)考察船、打撈救生、海峽渡船、沿海觀光旅游等，還可用于軍用海洋水聲監(jiān)聽、獵雷掃雷及反潛巡邏。因此，研究HYSWATH船型的設(shè)計和水動力性能有著十分重要的意義。

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BuoyanceandResistanceStudyonHYSWATHModelTest

LIU Ya-dong

(SchoolofNavalArchitecture,QceanandCivilEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240,China)

The model test of hydrofoil small waterplane area twin-hull ship (HYSWATH) scheme developed in this paper is carried out to get the buoyance and resistance performances.Various characteristics of the total resistance,draft and trim with different ship speeds,locations of hydrofoils,attack angles of foils and locations of the center of gravity of ship have been measured and analyzed.The results of the model test prove that the buoyance and resistance performances of HYSWATH model are very good.The location of hydrofoils,attack angles of foils and location of the center of gravity of ship influence the resistance and velaity of the HYSWATH,and improve the resistance pertormance of HYSWATH in transitive state.

ship design; SWATH; hovercraft hybrid ship; model test; resistance

U674.951

A

2095-7297(2014)03-0234-06

2014-08-19

劉亞東(1972—)，女，副教授，主要從事船舶水動力學(xué)研究。