單體半滑行穿浪船船型與靜水航行性能

魏成柱，毛立夫，李英輝，易宏

單體半滑行穿浪船船型與靜水航行性能

魏成柱，毛立夫，李英輝，易宏

上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240

半滑行穿浪船是一種結(jié)合了混合式內(nèi)傾型穿浪船艏和半滑行式水下船體的高速單體穿浪船，同時(shí)具有穿浪船的穿浪特性和半滑行船的航行特性，擁有良好的快速性和適航性。半滑行穿浪船采用具有折角設(shè)計(jì)的壓浪型干舷，折角線在船長(zhǎng)方向上與水線之間存在夾角。壓浪干舷具有抑制內(nèi)傾型船舶的干舷上浪、提供升力、增加儲(chǔ)備浮力和減搖的作用。通過(guò)基于動(dòng)網(wǎng)格的數(shù)值計(jì)算，對(duì)壓浪干舷的縱向傾角及優(yōu)選縱向傾角下的半滑行穿浪船在靜水中的航行特性進(jìn)行研究。計(jì)算結(jié)果表明：擁有較小縱向傾角的壓浪干舷的使用效果較好；半滑行穿浪船同排水型穿浪船相比其在高速段的阻力和姿態(tài)得到了很大改善。

半滑行穿浪船；壓浪干舷；數(shù)值計(jì)算；動(dòng)網(wǎng)格；阻力；姿態(tài)

期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

引用格式：魏成柱，毛立夫，李英輝，等.單體半滑行穿浪船船型與靜水航行性能［J］.中國(guó)艦船研究，2015，10（5）：16-21.

WEIChengzhu，MAO Lifu，LI Yinghui，et al.Analysis of the hull form and sailing characters in calm water of a semi-planingwave-piercingboat［J］.Chinese Journalof Ship Research，2015，10（5）：16-21.

0　引言

穿浪船屬于高性能船舶。常見(jiàn)的穿浪船型有雙體穿浪船和單體穿浪船。雙體穿浪船已得到較廣泛的應(yīng)用；單體穿浪船在美國(guó)提出DDG 1000后開(kāi)始得到愈來(lái)愈廣泛的關(guān)注，美國(guó)公開(kāi)了一種內(nèi)傾穿浪船型供學(xué)術(shù)研究使用［1-3］。將內(nèi)傾式船艏應(yīng)用于高速快艇可得到單體穿浪快艇。內(nèi)傾式單體高速穿浪船采用內(nèi)傾式船艏，可以穿浪而行，避免了傳統(tǒng)滑行艇在波浪中航行時(shí)的跳躍和砰擊問(wèn)題，具有良好的適航性。研究人員對(duì)一種排水型單體高速穿浪船進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其具有良好的快速性和耐波性，但由于受制于其排水型船舶的固有缺點(diǎn)，其快速性相對(duì)于一些滑行艇在高速段存在一定差距。此外，排水型船在很高航速時(shí)航行姿態(tài)也會(huì)發(fā)生很大改變。在排水型船和滑行艇之間存在著過(guò)渡船型，為半滑行船。半滑行船船重由靜升力和動(dòng)升力同時(shí)提供。半滑行船相對(duì)于滑行艇其耐波性有很大的提高，相對(duì)于排水型船其在高速段具有明顯的優(yōu)勢(shì)。半滑行船近年來(lái)也得到了關(guān)注和應(yīng)用，GILES［4］對(duì)一種半滑行船的設(shè)計(jì)在全球范圍申請(qǐng)了專利，美國(guó)海軍瀕海戰(zhàn)斗艦LCS 1采用了半滑行設(shè)計(jì)?？紤]到穿浪船和半滑行船各自的優(yōu)點(diǎn)，半滑行穿浪船將穿浪型船艏同半滑行船體相結(jié)合，兼具穿浪船和滑行艇的優(yōu)勢(shì)，改善了船舶的快速性和適航性，及其高速下的航行姿態(tài)。圖1給出了一種半滑行式穿浪船的概念設(shè)計(jì)。由圖1可以看到該半滑行穿浪船的透視效果、側(cè)視輪廓和典型位置處的橫剖線，其中X為剖面距船艉的距離，L為水線長(zhǎng)。該船型的主船體為細(xì)長(zhǎng)體結(jié)構(gòu)，使用了改進(jìn)后的具有穿浪及隱身特性的混合式內(nèi)傾型穿浪船艏和半滑行式的水下船體。半滑行式主船體使得該船型在高速航行時(shí)船體能夠獲得平穩(wěn)抬升。干舷采用了內(nèi)傾和壓浪式設(shè)計(jì)，有利于減小內(nèi)傾船型所面臨的淹濕問(wèn)題，減小興波，提供額外的動(dòng)升力，并提高艙容和穩(wěn)性。壓浪干舷和水線存在夾角α。將壓浪干舷在縱向的傾角α定義為干舷折角線在中縱剖面上的投影同水線的夾角（銳角）。本文將研究該夾角α的改變對(duì)半滑行穿浪船在高速時(shí)的航行特征的影響。夾角α的改變方式為保持折角線在船艉端點(diǎn)的坐標(biāo)值不變，以折角線的尾部端點(diǎn)為圓心改變角α的值。

圖1　半滑行穿浪船透視圖和輪廓圖Fig.1　Perspective and profile ofa semi-planing wave-piercing boat

船型研究常用的方法包括模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算。數(shù)值計(jì)算又有基于勢(shì)流和基于粘性流的2個(gè)分支?；趧?shì)流理論的方法計(jì)算快，所得的結(jié)果也比較合理。文獻(xiàn)［5］將改進(jìn)的Noblesse新細(xì)長(zhǎng)船理論與Svaitsky法結(jié)合，得到了半滑行船興波阻力的計(jì)算方法?；谡承粤骼碚摽梢越频啬M流場(chǎng)的真實(shí)流動(dòng)，尤其當(dāng)速度較高時(shí)，需要計(jì)入粘性的影響。以滑行艇為代表的一些高速船舶在高速航行時(shí)，航行阻力以摩擦阻力（粘性阻力）占據(jù)主要比重。此外，由于穿浪船的設(shè)計(jì)特點(diǎn)不同于傳統(tǒng)船型，需要考慮干舷內(nèi)傾帶來(lái)的影響，故使用粘性流計(jì)算可以獲得更豐富的結(jié)果。

此外，高速船靜止和航行時(shí)的姿態(tài)改變較大，因此粘性流計(jì)算中通常采用固定模型的計(jì)算模式，不能很好地反應(yīng)實(shí)際情況，甚至還會(huì)給出錯(cuò)誤的預(yù)報(bào)。在預(yù)報(bào)船體航行姿態(tài)上，數(shù)值計(jì)算中最有效的方法是使用動(dòng)網(wǎng)格模型［6］。

綜上所述，通過(guò)使用基于粘性流和動(dòng)網(wǎng)格的數(shù)值計(jì)算，本文將闡述半滑行穿浪船壓浪干舷的縱向傾角α改變所產(chǎn)生的作用和效果；在通過(guò)計(jì)算獲取適宜的壓浪干舷的縱向傾角α之后，對(duì)擁有該角度的半滑行穿浪船在若干速度點(diǎn)下進(jìn)行計(jì)算來(lái)探索半滑行穿浪船在靜水中的阻力、姿態(tài)和興波特性。

1　計(jì)算方案及試驗(yàn)驗(yàn)證

在粘性流理論中，對(duì)Navier-Stokes方程進(jìn)行平均，可得到雷諾平均的 Navier-Stokes方程（RANS方程），為了封閉RANS方程組，須對(duì)雷諾應(yīng)力張量進(jìn)行模擬，因而產(chǎn)生了較多的湍流模型。SST k-ω模型是在船舶行業(yè)應(yīng)用較多的湍流模型，在近壁面處使用k-ω模型，其他區(qū)域使用k-ε模型。對(duì)于該模型的詳細(xì)介紹可參見(jiàn)文獻(xiàn)［7］，這里，選擇SST k-ω模型來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

對(duì)于自由面的捕捉方法有LSM（Level Set Methods）和流行的VOF（Volume of Fluid）［8］，在本次討論中，自由面的獲取是通過(guò)使用VOF模型，并設(shè)定水的體積分?jǐn)?shù)為0.5。

船體運(yùn)動(dòng)為六自由度運(yùn)動(dòng)，包括垂蕩、橫蕩、縱蕩、橫搖、縱搖及艏搖。船舶航行在靜水中會(huì)有縱搖（穩(wěn)態(tài)為艏艉傾）及垂蕩（穩(wěn)態(tài)為升沉），而在波浪中則會(huì)有六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。船舶在低速時(shí)的繞流計(jì)算可以不考慮船體運(yùn)動(dòng)就能獲得很準(zhǔn)確的阻力值及興波結(jié)果；但是在狹窄水道和有限水深條件下，船舶在低速航行時(shí)仍然會(huì)產(chǎn)生升沉等運(yùn)動(dòng)［9］。高速船在靜水中高速航行時(shí)會(huì)存在較大的垂向及縱向運(yùn)動(dòng)，航行姿態(tài)同靜止?fàn)顟B(tài)差別很大。因此，在數(shù)值計(jì)算中需考慮船舶航行姿態(tài)改變對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果帶來(lái)的影響。

在數(shù)值計(jì)算中，船舶運(yùn)動(dòng)作為剛體運(yùn)動(dòng)來(lái)處理，分為平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方程如下：

船體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)體坐標(biāo)系求得：

式中：I為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；MH為作用在船體上的力矩向量；ωH為角速度向量。

力矩通過(guò)式（3）由慣性坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至體坐標(biāo)系：

其中，H為如下矩陣：

角φ，θ和ψ為分別對(duì)應(yīng)于x，y，z軸的旋轉(zhuǎn)角度。

為適應(yīng)船體的運(yùn)動(dòng)，需要使用動(dòng)網(wǎng)格來(lái)進(jìn)行計(jì)算。最直接的方式是使船模曲面運(yùn)動(dòng)，配合彈簧光順?lè)ê途植烤W(wǎng)格重構(gòu)。但這種方法的缺點(diǎn)是，對(duì)復(fù)雜模型進(jìn)行網(wǎng)格重構(gòu)時(shí)會(huì)出現(xiàn)負(fù)體積的網(wǎng)格，導(dǎo)致計(jì)算失敗，而且網(wǎng)格重構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生額外的計(jì)算時(shí)間。另一種方法是將邊界層網(wǎng)格作為一個(gè)區(qū)域或者將邊界層網(wǎng)格及附近部分網(wǎng)格隨船模曲面一起運(yùn)動(dòng)，配合以彈性光順?lè)?，該方法?duì)模型隨體網(wǎng)格沒(méi)有影響，有利于加入并保有邊界層網(wǎng)格。本文采用網(wǎng)格隨體運(yùn)動(dòng)的方法，隨體區(qū)域（Dynamic zone）采用四面體網(wǎng)格和邊界層網(wǎng)格來(lái)適應(yīng)船體復(fù)雜的曲面，靜止區(qū)域（Stationary zone）使用六面體網(wǎng)格。計(jì)算域設(shè)置如圖2所示。

圖2　 計(jì)算域設(shè)置Fig.2　Computationaldomain settings

為驗(yàn)證計(jì)算方法的可靠性和有效性，將某排水型高速單體穿浪船的基于該方法的計(jì)算結(jié)果與水池試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明該方法能夠滿足船型性能預(yù)測(cè)的要求（圖3）。本文中，阻力、縱傾（艉傾為正）、升沉（向上為正）分別用Drag，Trim和Sinkage表示，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行無(wú)因次化處理。圖3中的計(jì)算結(jié)果用cal標(biāo)記，試驗(yàn)結(jié)果用exp標(biāo)記。

圖3　計(jì)算方法驗(yàn)證Fig.3　Experimentalvalidation of the calculationmethod

本次計(jì)算使用了1.50°，2.00°及2.67°這3個(gè)角度進(jìn)行對(duì)比。在改變壓浪干舷的同時(shí)，水線以下的船體保持不變，干舷折角線同水線之間干舷在保證外飄角不變的情況下隨α的增加向水線以上自然延伸。圖4所示為干舷折角線變化及其變化對(duì)船體形狀的影響。由于半滑行穿浪船是一種高速艇，因此將計(jì)算的速度節(jié)點(diǎn)設(shè)定為8.4 m/s，對(duì)應(yīng)的傅汝德數(shù)Fn=1.63。計(jì)算中所用到模型的主尺度如表1所示。

圖4　不同傾角的壓浪干舷Fig.4　Anti-wave freeboardswith differentα

表1　計(jì)算模型主尺度Tab.1　Principal dimensionsof the hu ll

在通過(guò)計(jì)算獲取合適的縱傾傾角后，將對(duì)該縱傾角下的半滑行穿浪船在Fn=0.41，0.82，1.22，1.63，2.04時(shí)的靜水航行特性進(jìn)行計(jì)算。

圖5　無(wú)因次阻力及阻力成分隨α變化的曲線Fig.5　Drag and drag componentcurveswithα

圖6　　船體姿態(tài)隨α變化的曲線Fig.6　Hullgesture curveswithα

2　壓浪干舷縱向傾角

某一船體特征的變化對(duì)船體性能的影響主要表現(xiàn)在靜水阻力、航行姿態(tài)、興波和耐波性上。由于本研究是基于靜水環(huán)境計(jì)算，因此對(duì)壓浪干舷縱向傾角α變化所帶來(lái)的影響將從阻力、姿態(tài)和興波3個(gè)方面進(jìn)行闡述。

由圖5可以看出，壓浪干舷縱向傾角α對(duì)半滑行穿浪船的阻力影響顯著，船體阻力隨著α的減小而減小。船體阻力在 α=2.67°時(shí)比在 α= 1.50°時(shí)增加了5.38%。此外，由圖5（a）可知α變化對(duì)阻力產(chǎn)生的作用是非線性的。經(jīng)分析船體在不同α下的阻力成分可知，較小的α可以減小船體的粘性阻力（Drag_viscous），即摩擦阻力。圖5（b）給出了不同 α下的粘性阻力和壓阻力（Drag_pressure）曲線。

由于使用了動(dòng)網(wǎng)格，α的改變對(duì)航行姿態(tài)的影響也得以在計(jì)算結(jié)果中體現(xiàn)。如圖6所示，隨著α的增加，船體向上抬升減小，船體艉傾減小。船體升沉和艉傾沒(méi)有隨著干舷攻角的增加而增加，反而隨之減小。相較于 α=2.67°時(shí)，在α= 1.50°時(shí)船體向上抬升增加明顯，增加百分比為19.8%，船體艉傾角幾乎翻倍。但是由于升沉和艉傾值其本身仍為小值，故船體在整個(gè)角度范圍內(nèi)仍然具有優(yōu)異的航行姿態(tài)。經(jīng)過(guò)分析，當(dāng)干舷的α較小時(shí)，其更接近水面，因而壓浪干舷產(chǎn)生的升力更大，故α較小時(shí)船體會(huì)獲取更大的抬升力，進(jìn)而船體抬升和艉傾會(huì)增加。

由圖7可知，α的改變對(duì)船體整體興波帶來(lái)的影響微小，船體遠(yuǎn)場(chǎng)波形幾乎未發(fā)生改變。

圖7　不同角α下的船體興波Fig.7　Wavemaking at differentα

為了觀察α的改變帶來(lái)的影響，將船體周?chē)木植颗d波單獨(dú)放大顯示，如圖8（a）及圖8（b）所示。由圖8（a）及圖8（b）可以發(fā)現(xiàn)，α較小的壓浪干舷將干舷上浪壓得更低，壓浪效果更好，且其船艉附近的興波也更??；隨著α的減小，雞尾流向船后發(fā)展。圖8（c）給出了不同α下的船體表面淹濕情況。由圖8（c）可以發(fā)現(xiàn)，壓浪干舷對(duì)船體上浪和淹濕起到了很好的抑制作用；α對(duì)船體表面淹濕的影響是很明顯的，α越小，壓浪干舷越接近靜水面，船體干舷淹濕面積越小。較小的α對(duì)應(yīng)較小的船體淹濕面積，這也解釋了上文中船體粘性阻力隨α減小而減小的現(xiàn)象。

圖8　不同角α下的船體周?chē)d波及淹濕Fig.8　Wavemaking around the hull and submergence atdifferentα

3　靜水航行特性

通過(guò)上文的對(duì)比分析，選取α=1.50°作為進(jìn)一步計(jì)算所用模型的干舷縱向傾角。為了更好地揭示半滑行穿浪船的特性，將計(jì)算所得的半滑行穿浪船的結(jié)果同上文中某排水型高速單體穿浪船的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，由于二者的排水量幾乎相同，故使用長(zhǎng)度傅汝德數(shù)Fn作為速度參量。

單體半滑行穿浪船同單體排水型穿浪船相比，排水型船在中、低速段具有優(yōu)勢(shì)，隨著航速的提高，半滑行船型的快速性優(yōu)勢(shì)明顯，如圖9所示。圖中，半滑行穿浪船的計(jì)算結(jié)果用Cal標(biāo)記，排水型穿浪船的試驗(yàn)結(jié)果用Exp標(biāo)記。

圖9　 阻力對(duì)比Fig.9　Comparison of drags

如圖10所示，半滑行穿浪船和排水型穿浪船的航行姿態(tài)具有明顯的差異。半滑行穿浪船在整個(gè)計(jì)算航速段的艉傾非常小，依靠動(dòng)升力來(lái)較大地抬升船體，減小濕表面積，進(jìn)而減小摩擦阻力，而排水型穿浪船的姿態(tài)則完全相反。從耐波性和適航性考慮，船體應(yīng)避免較大的艉傾。由于半滑行穿浪船的船艏大部分仍在水中，同時(shí)考慮到穿浪型船的穿浪能力，因此半滑行穿浪船在遭遇波浪時(shí)的砰擊問(wèn)題會(huì)得到很大改善，因此其在高速下的適航性更佳。

圖10　船體姿態(tài)對(duì)比Fig.10　Comparison of hull gesture

由圖11可知，半滑行穿浪船的船體周?chē)d波非常小，船體興波主要集中在船艉。隨著航速的提高，由于壓浪干舷的作用，其艉部的飛濺也更加明顯。同時(shí)由于壓浪干舷的作用，船體淹濕被控制在干舷折角線以下。

圖11　不同速度下的船體周?chē)d波及表面淹濕Fig.11　Wavemaking around the hull and submergence

4　結(jié)論

壓浪干舷縱向傾角α的改變給半滑行穿浪船所帶來(lái)的影響如下：

1）隨著α的減小，半滑行穿浪船的艉傾和抬升增加，船體表面淹濕減小，摩擦阻力也減小，船體總阻力減小。

2）壓浪干舷可以很好地控制船體上浪和淹濕。

3）α的改變對(duì)船體縱傾和升沉的影響在相對(duì)值上較大，但由于半滑行穿浪船的縱傾和升沉的絕對(duì)值較小，因而α的改變對(duì)其航行姿態(tài)影響不會(huì)很劇烈。

半滑行穿浪船同排水型穿浪船相比，其在高速下的阻力和航行姿態(tài)得到很大改善，其在波浪中應(yīng)有良好的適航性；船體周?chē)d波??；壓浪干舷可以在整個(gè)航速段很好地控制船體淹濕和上浪。

本次研究的壓浪干舷為直線型結(jié)構(gòu)，有縱向弧度的壓浪干舷還有待研究。此外，壓浪干舷角度變化對(duì)船體在波浪中航行的影響及半滑行穿浪船在波浪中的性能特征還有待在將來(lái)進(jìn)行更深入的研究。

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［責(zé)任編輯：喻菁］

Analysisof the hu ll form and sailing characters in calm water of a sem i-p laning wave-piercing boat

WEIChengzhu，MAO Lifu，LIYinghui，YIHong
State Key Laboratory ofMarine Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai200240，China

In this paper，a semi-planing wave-piercing boat combining a hybrid tumblehome bow and a semi-planing hull，which has the features of both a wave-piercing boat and a semi-planing boat，is proposed to achieve the abilities of cutting through waves and decent speed.The semi-planing wave-piercing boat's freeboard has knuck les and is designed as anti-submergence.The freeboard could control submergence faced by a tumblehome bow，producing positive lift and extra reserve buoyancy，and imp roves the roll.The longitudinalangle of the anti-submergence freeboard is analyzed，and the boat's sailing characters in calm waterwith a chosen angle are calculated in a numericalway with dynamicmesh.The results show that anti-submergence freeboard works betterwith small longitudinalangles，and the boat has smaller drag and better hull gesture athigh speed compared to a high-speed displacementwave-piercing boat.

semi-planing wave-piercing boat；anti-submergence freeboard；numerical calculation；dynamicmesh；drag；gesture

U661.3

ADO I：10.3969/j.issn.1673-3185.2015.05.003

2014-12-26網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2015-10-8 11∶12

上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究項(xiàng)目資助（GKZD010061）

魏成柱，男，1987年生，博士生。研究方向：新型船舶開(kāi)發(fā)與數(shù)值計(jì)算。E-mail：weichengzhu@sjtu.edu.cn

李英輝（通信作者），男，1973年生，博士，講師。研究方向：新型船舶開(kāi)發(fā)和數(shù)值計(jì)算。E-mail：liyinghui@sjtu.edu.cn

易宏，男，1962年生，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：潛水器與特種船舶開(kāi)發(fā)研究，海上裝置與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)研究，系統(tǒng)可靠性與人因工程研究

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