M型艇與槽道型艇的阻力和耐波性比較

黃武剛

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

M型艇與槽道型艇的阻力和耐波性比較

黃武剛

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

對(duì)高速滑行艇M型與槽道型在相同主尺度下的阻力和耐波性能進(jìn)行對(duì)比,根據(jù)模型靜水阻力試驗(yàn)結(jié)果得到M型中高速阻力相比槽道型均有所減小，且減小值超過(guò)10%,隨著航速增大(Fr▽>4時(shí))，兩者的阻力差值趨增大。不規(guī)則波迎浪情況下的耐波性試驗(yàn)表明，兩種艇型的縱搖、垂蕩、艏舯艉垂蕩加速度均有明顯的差別。如果高速滑行艇采用M型，有望獲得更好的耐波性。

M型；槽道型；高速滑行艇；阻力；耐波性

我國(guó)對(duì)高性能船舶的需求越來(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、滑行艇等。無(wú)論是單體滑行艇、氣墊船還是雙體船，都屬于動(dòng)力支撐型船，且雙體船為靜浮態(tài)型船，在特定的航行環(huán)境中，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，然而都無(wú)法同時(shí)具備高速、低功率、消波、適航性好，高穩(wěn)性和經(jīng)濟(jì)效益好的優(yōu)點(diǎn)。M型艇則是常規(guī)單體滑行艇、高速雙體船和氣墊船的組合船型，它集中3種船型的優(yōu)勢(shì)，將流體力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)較好地組合起來(lái)，其消波性能，有效載荷，操縱性以及在逆風(fēng)逆浪中高速航行的效果更顯出其卓越的性能，是各類船型中最具競(jìng)爭(zhēng)力的一種新船型[1-4]。然而，由于出現(xiàn)時(shí)間尚短和專利約束等原因，國(guó)外對(duì)M型艇研究公開(kāi)見(jiàn)報(bào)的極少。槽道型艇則具有底部動(dòng)壓力大、橫搖小、噴濺少、艇重心處和艏部垂向加速度小及甲板寬敞等優(yōu)點(diǎn)[5-7]。本文以某M型和槽道型高速滑行艇型為研究對(duì)象，對(duì)兩種不同船型的阻力和耐波性進(jìn)行比較，為進(jìn)一步研究M型艇和實(shí)艇設(shè)計(jì)提供有用資料。對(duì)于高性能船舶水動(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[8-10]。

1 兩種不同船型主尺度及試驗(yàn)方案

為比較M型艇和槽道型高速滑行艇的阻力和耐波性，選取總長(zhǎng)、重心縱向位置、排水量相同的兩型艇進(jìn)行模型試驗(yàn)。

某M型艇橫剖面及艏艉形狀如圖1a)所示，主尺度如表1。它主要由三部分組成：中間部分是主船體部分，主要用來(lái)排水，為船體提供浮力；兩側(cè)是船體的圍壁，其主要作用有些類似于氣墊登陸艇的圍裙，起著密封的作用；中間空白部分是空氣通道。歸功于M型艇特有的船型，高速航行下主船體和氣道底部的水動(dòng)力和氣動(dòng)力的增升使得船體吃水進(jìn)一步減小從而大大減小濕表面積，同時(shí)，M型船體利用槽道內(nèi)作有旋運(yùn)動(dòng)的水流，很容易吸捕大氣層中的空氣，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，使得船體得到潤(rùn)滑，其結(jié)果使得摩擦阻力降低。

圖1 兩種艇型模型的橫剖面和側(cè)視圖

某槽道型艇橫剖面及艏艉形狀見(jiàn)圖1b)，主尺度見(jiàn)表1。它在艇底中央有一縱向貫通的槽道，槽道在艏部稍有外張，并形成一喇叭形開(kāi)口。

表1 兩種艇型主尺度

由于其艇底有一縱向槽道，并形成了兩個(gè)不同高度的滑行面，可以使起滑速度加快，從而能使船迅速越過(guò)阻力峰；在高速行駛時(shí)，槽道頂部與水表面之間形成一個(gè)低粘性的二相流邊界層，進(jìn)一步減少摩擦阻力，使槽道型艇具有更好的快速性。

為保證船模在高速航速時(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，船模安裝見(jiàn)圖2。阻力模型試驗(yàn)通過(guò)自由拖曳法測(cè)量?jī)煞N艇型在相同排水量和相同重心縱向位置下的船模的阻力、航行姿態(tài)角和升沉并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以及對(duì)艇艏、艇艉、艇側(cè)和氣道等位置興波、飛濺和尾跡的觀察，拖曳速度從2 m/s逐漸增大到11 m/s或出現(xiàn)海豚運(yùn)動(dòng)為止，體積傅汝德數(shù)Fr▽為0.89～4.88。耐波性模型試驗(yàn)通過(guò)兩種艇型進(jìn)行相應(yīng)于實(shí)船三一波高(ξW/3=1.25 m，F(xiàn)r▽=2.796)，譜心周期(T1=4.32 s)下的耐波性試驗(yàn)。模型試驗(yàn)水池拖車速度范圍為0.1～22 m/s，車速穩(wěn)定精度優(yōu)于0.2%。

圖2 兩種艇型的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

2 靜水阻力性能比較

根據(jù)模型的靜水阻力試驗(yàn)結(jié)果，得到兩種艇型在某同一狀態(tài)下試驗(yàn)阻升比數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 兩種艇型模型阻力試驗(yàn)阻升比數(shù)據(jù)

圖3 兩種艇型模型阻力無(wú)因次對(duì)比

表2中同時(shí)給出了相同體積傅汝德數(shù)下M型艇阻力較槽道型艇減小的k值，Rm/△m～Fr▽對(duì)比曲線見(jiàn)圖3，其中Rm為模型阻力，△m為模型排水量，F(xiàn)r▽為體積傅汝德數(shù)。

由表2和圖3知，除低速情況下，在Fr▽>1.7時(shí)，M型艇的靜水阻力性能均優(yōu)于槽道型艇，且在中高速范圍內(nèi)阻力減小值均超過(guò)10%，在Fr▽=4.883(實(shí)船航速約52 kn)時(shí)減小值達(dá)到21.91%，說(shuō)明M型艇在高速時(shí)充分利用了艦艇高速航行時(shí)艇艏產(chǎn)生的能量，形成氣墊，對(duì)船體進(jìn)行抬升。同時(shí)，由圖3可知，槽道型艇Fr▽=2.0附近遇到一個(gè)阻力峰值，阻力峰后阻力基本保持不變，但在Fr▽>3.0以后阻力一直逐漸上升；而M型艇則存在兩個(gè)阻力峰，第一個(gè)阻力峰值在Fr▽=1.5附近。阻力峰值也稍較槽道型艇提前，并且在越過(guò)第一個(gè)阻力峰后隨著航速的持續(xù)增大阻力值發(fā)生明顯回落，直到第二個(gè)阻力峰值的臨近。這是由于M型艇底部有兩條對(duì)稱于縱中剖面并縱向貫通的氣道，并融合了氣墊船的原理，其并不完全依靠排水和主船體滑行面水動(dòng)升力來(lái)航行，因而它當(dāng)航速持續(xù)增大越過(guò)第一個(gè)高速阻力峰時(shí)后會(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，使船體水阻力降低，航速突破常規(guī)船型的極限。特別的，隨著航速持續(xù)增大(Fr▽>4.0時(shí))，兩者的阻力差值也越來(lái)越大。因此，如果設(shè)計(jì)航速更高時(shí)，M型艇較槽道型艇會(huì)有更優(yōu)的阻力性能。

3 不規(guī)則波上迎浪試驗(yàn)

迎浪是船舶在航行中經(jīng)常遇到的航態(tài)，在這種航態(tài)下，船的縱搖、垂蕩、垂向加速度、甲板上浪及砰擊等則是影響船舶作業(yè)的主要因素。由于出現(xiàn)時(shí)間尚短和專利約束等原因，目前關(guān)于M型艇的耐波性研究的公開(kāi)報(bào)道極少，本試驗(yàn)內(nèi)容主要是兩個(gè)船型不規(guī)則波中有航速迎浪縱向運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)采用第十一屆國(guó)際船模水池會(huì)議(ITTC)和國(guó)際船舶結(jié)構(gòu)會(huì)議(ISSC)先后推薦的雙參數(shù)波譜，它的一般形式為

(1)

式中：ξW/3——三一平均波高，m;

T1——譜心周期,s;

ω——波頻,rad/s。

對(duì)于雙參數(shù)波譜，它不僅適用于充分發(fā)展的海浪，也適用于成長(zhǎng)中的海浪或含有涌浪成分的海浪，并在波頻ω=4.849T-1處達(dá)到最大值。本試驗(yàn)主要測(cè)定相應(yīng)于實(shí)際海況在ξW/3=1.25 m，T1=4.32 s下的兩種船型的船模阻力、航行姿態(tài)角和升沉等參數(shù)。

表3～6給出了不規(guī)則波中M型艇和槽道型艇迎浪航行各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)幅值的相對(duì)百分?jǐn)?shù)kp(M型艇/槽道艇)，及不規(guī)則波中模型阻力增值kRW(kRW=△RW/R)。

3.1 縱搖運(yùn)動(dòng)

模型不規(guī)則波縱搖雙幅值比較見(jiàn)表3。

表3 兩種艇型模型不規(guī)則波縱搖雙幅值比較

3.2 垂蕩運(yùn)動(dòng)

模型不規(guī)則波垂蕩雙幅值比較見(jiàn)表4。

表4 兩種艇型模型不規(guī)則波垂蕩雙幅值比較

3.3 垂向加速度

模型不規(guī)則波耐波性試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5中槽道型艇在不規(guī)則波試驗(yàn)中由于運(yùn)動(dòng)過(guò)于激烈以至于拖車中途停車，艇舯部和艉部垂向加速度沒(méi)有采集到。

3.4 波浪增阻

兩種艇型模型不規(guī)則波波浪增阻數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表6。

表5 兩種艇型模型不規(guī)則波耐波性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表6 兩種艇型模型不規(guī)則波耐波性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

顯然可見(jiàn)，不規(guī)則波的三一波高ξW/3=210 mm，F(xiàn)r▽=2.796時(shí)，M型艇的各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)幅值均較槽道型艇有所減小。從波浪中兩者阻力平均值結(jié)果來(lái)看，M型艇減小20%，這與靜水阻力模型試驗(yàn)中兩者的比較結(jié)果是一致的，且M型艇在不規(guī)則波中阻力增值較槽道型艇要小。從縱搖雙幅值和垂蕩雙幅值來(lái)看，M型艇分別減小70.4%和34.5%，這說(shuō)明M型艇對(duì)于改善高速艇的縱搖和垂蕩有較明顯的效果。從艏、舯、艉的垂向加速度來(lái)看，試驗(yàn)過(guò)程中由于槽道型艇船模運(yùn)動(dòng)較為激烈，整個(gè)不規(guī)則波試驗(yàn)行程中前半段船模運(yùn)動(dòng)較為激烈，后半段船模運(yùn)動(dòng)特別激烈，以致中途停車，槽道型艇則只采集到了艏部垂向加速度，而M型艇順利采集到了艏、舯、艉的垂向加速度，M型艇艏部垂向加速度較前者減小59.3%，這說(shuō)明M型艇對(duì)于改善升沉加速度也有較明顯的作用，同時(shí)由此可以進(jìn)一步說(shuō)明M型艇在惡劣海況下更有利于保持其高速的特性。

4 結(jié)論

1)M型艇與槽道型艇相比，中高速阻力的減小值超過(guò)10%。特別是隨著航速增大(Fr▽>4.0時(shí))，兩者阻力差值趨增大，M型艇阻力性能更優(yōu)。

2)M型艇的各種耐波性參數(shù)優(yōu)于槽道型艇，特別是波浪中的縱搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)有所減小，以及加速度的改善比較明顯。如果高速滑行艇采用M型艇，有望獲得更好的耐波性。

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Comparison of Resistance and Sea-keeping between M and Channel-type Hull Forms

HUANG Wu-gang

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

A comparative study between M and channel-type hull forms for high speed planing craft under the same particulars is carried out. Based on the results of model resistance tests, the resistance of M hull form in calm water has decreased 10% or more compared with the channel-type hull form for the same displacement in medium and high speeds. The resistance difference between two hull forms will be increased as the speed increased while FN▽>4. The seakeeping tests in irregular head seas show that there is a great difference between M and channel-type hull forms, in the term of pitch, heave, vertical acceleration in bow, midship and stern. The better seakeeping qualities may be expected, if M hull form is adopted in high speed planing craft.

M hull form; channel-type hull form; high speed planing craft; resistance; seakeeping

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.01.014

2014-09-26

中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心研發(fā)基金 (02011004)

黃武剛(1987- )，男，碩士，工程師

U661.312

A

1671-7953(2015)01-0056-04

修回日期：2014-10-23

研究方向:船舶總體研究設(shè)計(jì)

E-mail:pzhuangwg@163.com