雙體小水線面水翼復(fù)合型高速船阻力性能研究

王鈺元

摘 要：分析雙體小水線面水翼復(fù)合型高速船（HYSWATH）的阻力變化規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上討論HYSWATH處于翼航狀態(tài)時(shí)吃水和縱傾角的計(jì)算方法，形成了計(jì)算HYSWATH翼航狀態(tài)阻力的方法。并將計(jì)算結(jié)果和模型試驗(yàn)結(jié)果比較，分析產(chǎn)生誤差的原因。

關(guān)鍵詞：HYSWATH 阻力 翼航狀態(tài) 平衡

考慮將不同類型的高速船雜交“取長(zhǎng)補(bǔ)短”獲得更佳的性能，走所謂復(fù)合型的道路，是現(xiàn)今高速船的一個(gè)發(fā)展方向。復(fù)合船型的概念考慮了水面艦船現(xiàn)有的三種升力源：無動(dòng)力靜升力（浮力）、有動(dòng)力靜升力（氣墊升力）和動(dòng)升力，采用不同的比例進(jìn)行組合，形成一個(gè)全新的船型。

在小水線面雙體船兩個(gè)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(dòng)升力來承擔(dān)50%～60%的靜水浮力，就可以相應(yīng)的減小下體排水體積，理論上能夠減小35%～45%的濕表面積，45%～55%的興波阻力，35%～45%的摩擦阻力，從而提高小水線面雙體船的航速，同時(shí)，由兩個(gè)水翼所產(chǎn)生的力矩能克服Mank力矩的作用，使小水線面雙體船在高速領(lǐng)域也能保證正常安全航行。這種雙體小水線面水翼復(fù)合型高速新船型（HYSWATH），兼?zhèn)湫∷€面雙體船和水翼艇的優(yōu)點(diǎn)，在快速性，耐波性和穩(wěn)定性方面應(yīng)能具有更加優(yōu)良的性能。

雙體小水線面水翼復(fù)合型高速船（HYSWATH）的阻力主要由船體的阻力，水翼的阻力和船體與水翼之間的干擾阻力這三部分組成。本文主要研究HYSWATH船進(jìn)入翼航狀態(tài)后的阻力和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)計(jì)算方法，并和模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證計(jì)算方法的可靠性，同時(shí)還初步探討了主要參數(shù)對(duì)阻力的影響規(guī)律。

HYSWATH阻力計(jì)算方法

水翼升力的變化導(dǎo)致水翼本身阻力的變化，并改變船體的吃水和縱傾角，同時(shí)，翼航姿態(tài)（吃水和縱傾角）的變化又導(dǎo)致水翼升力的變化。因此計(jì)算HYSWATH船體阻力，要同時(shí)考慮其翼航姿態(tài)。

HYSWATH船體的阻力比較復(fù)雜，包括上體、支柱、主體以及水翼的阻力，而每一部分又可分為興波阻力、粘性阻力和噴濺阻力等幾個(gè)部分。低速航行時(shí)，水翼的升力較小，上部船體尚未脫離水面，HYSWATH處于體航狀態(tài)，支柱和主體所引起的興波阻力在總阻力中的比例很小，可以忽略不計(jì)，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(jì)算，本文不作重點(diǎn)研究。

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)，船體阻力由主體和支柱的阻力組成，此時(shí)HYSWATH阻力的數(shù)學(xué)模型與小水線面雙體船相似，但翼航吃水是一個(gè)未知參變量，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)的吃水和縱傾角以后，才可以應(yīng)用小水線面雙體船興波阻力的計(jì)算方法計(jì)算HYSWATH的興波阻力。

水翼的阻力由翼型阻力、誘導(dǎo)阻力和興波阻力三部分組成。由粘性引起的翼型阻力包括摩擦阻力和形狀阻力；誘導(dǎo)阻力主要是由有限翼展引起的附加阻力；水翼阻力的計(jì)算方法已經(jīng)比較成熟，計(jì)算時(shí)可參考水翼艇的有關(guān)算法。

1、HYSWATH翼航狀態(tài)平衡方程

以■作為隨船平移的坐標(biāo)系，原點(diǎn)o1位于水面上主體中心處，■軸平行于水面，而以oxyz作為與船固結(jié)的坐標(biāo)系，原點(diǎn)o位于設(shè)計(jì)航速水線上主體中心處，ox軸在縱中剖面內(nèi)平行于船體基線（見圖1）。

根據(jù)HYSWATH翼航狀態(tài)時(shí)的外力作用情況（圖1），力和力矩的平衡方程式可取如下形式：

式中：

P----- 推進(jìn)力

■----- 縱傾角

RT和RH ----- 翼航狀態(tài)總阻力和船體阻力

Li和Di ----- 第i個(gè)水翼的升力和阻力

■ ----- 翼航狀態(tài)排水體積

xi和zi----- 水翼設(shè)置位置的軸和軸坐標(biāo)（表示前水翼，表示后水翼）

xc和zc----- 翼航狀態(tài)浮心的軸及軸坐標(biāo)

xg和zg----- 船重心的軸及軸坐標(biāo)

zp和zH----- 推進(jìn)力作用點(diǎn)和船體阻力作用點(diǎn)的軸坐標(biāo)

■----- 縱穩(wěn)心半徑

假設(shè)縱傾角很小，無因次化得如下的方程組：

其中：

S0和L0----- HYSWATH的特征面積和特征長(zhǎng)度

CH和S----- HYSWATH船體阻力系數(shù)和其濕表面積

2、HYSWATH翼航狀態(tài)吃水和縱傾角的計(jì)算

式（2）可以看成以速度為參量而吃水和縱傾角為自變量的非線性方程組，用圖解法求解。

將式（2）改寫為：

在翼航狀態(tài)范圍內(nèi)選擇幾個(gè)速度值；V1 ，V2 ，… Vn。對(duì)一個(gè)固定的航速Vi又選擇幾個(gè)吃水值；zi1 ，zi2 ，… zim 。對(duì)于數(shù)據(jù)組（Vi，zij）；j=1，2，...m，算出方程組（3）的左邊部分■，并畫出兩個(gè)曲線組（見圖2）。方程組的右邊部分在圖2上是一組直線（上圖中為水平線，下圖中為o■軸線）。

在上圖中，求出平行線和曲線組f1（zij，■；vi） 的交點(diǎn)aij（j=1，2，...m）。在下圖中的相應(yīng)吃水曲線上求出對(duì)應(yīng)于aij的交點(diǎn)bij（j=1，2，...m）。通過點(diǎn)列bij的曲線和o■軸的交點(diǎn)■i就是在航速Vi時(shí)的縱傾角。在確定縱傾角■i的情況下，對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)組（Vi，■i）應(yīng)用與數(shù)據(jù)組（Vi，zij）；j=1，2，...m的同樣方法，求出吃水zi。對(duì)于每個(gè)速度值Vi（i=1，2，...n）反復(fù)利用以上的方法求得HYSWATH船翼航狀態(tài)吃水和縱傾角（zi，■i），i=1，2，...n。然后，根據(jù)已求出來的吃水和縱傾角就可以按照小水線面雙體船的方法計(jì)算HYSWATH船翼航狀態(tài)總阻力。

總阻力計(jì)算與模型試驗(yàn)結(jié)果的比較

HYSWATH是一種全新的船型，對(duì)其各種性能的理論分析計(jì)算，尚需通過相應(yīng)的模型試驗(yàn)來加以驗(yàn)證，從而揭示其內(nèi)在本質(zhì)，進(jìn)一步修正、完善理論計(jì)算方法。HYSWATH模型試驗(yàn)采用Froude相似準(zhǔn)則和斯羅哈相似準(zhǔn)則。根據(jù)試驗(yàn)儀器設(shè)備的能力和各方面的條件，實(shí)船和模型的縮尺比取λ=20。表1是計(jì)算用HYSWATH的實(shí)際尺度。

表2及圖3為根據(jù)前面討論的方法對(duì)在表1列出的HYSWATH的1：20模型理論計(jì)算求得的船體阻力及相應(yīng)的模型試驗(yàn)結(jié)果。

表2和圖3中的阻力系數(shù)是用Ri/ρΔ2/3V2來表示的，其中Ri表示各項(xiàng)阻力成分。

從表列數(shù)據(jù)的比較分析可以看出，當(dāng)HYSWATH處于體航狀態(tài)時(shí)兩者之間的差異大于20%，導(dǎo)致這么大誤差的基本原因HYWSWATH低速航行時(shí)上體不脫離水面，造成了比較高的船首波，興波阻力增加，同時(shí)因船體濕表面積增大，粘性阻力也增大，可是在理論計(jì)算時(shí)這都不計(jì)。該船進(jìn)入翼航狀態(tài)后到運(yùn)營(yíng)速度的大多數(shù)航速下誤差很小，理論計(jì)算與試驗(yàn)兩者有相當(dāng)好的一致性，說明本文提出的HYSWATH翼航狀態(tài)阻力計(jì)算方法，結(jié)果可靠，可以在初步設(shè)計(jì)時(shí)估算阻力和主機(jī)功率。

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（作者單位：中國船級(jí)社）