穿浪船船型及相關(guān)研究綜述

魏成柱，李英輝，易宏

1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 2上海交通大學(xué)高新船舶與深海開(kāi)發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海200240

穿浪船船型及相關(guān)研究綜述

魏成柱1，李英輝2，易宏1

1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 2上海交通大學(xué)高新船舶與深海開(kāi)發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海200240

穿浪船屬高性能船舶。由于其特殊和針對(duì)性的船型設(shè)計(jì)，穿浪船在波浪中普遍具有優(yōu)良的快速性和耐波性。近年來(lái)，穿浪船引起了廣泛關(guān)注并在實(shí)際工程中得到推廣。比較系統(tǒng)地介紹單體、雙體和三體穿浪船船型的現(xiàn)狀，從快速性、耐波性及安全性等方面概述穿浪船船體性能研究的進(jìn)展，評(píng)述穿浪船船體性能的預(yù)報(bào)方法，提出了若干與穿浪船有關(guān)的潛在研究方向。

穿浪船；船型；船體性能；高性能船舶

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160921.1350.040.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

引用格式：魏成柱，李英輝，易宏.穿浪船船型及相關(guān)研究綜述［J］.中國(guó)艦船研究，2016，11（5）：1-8.

WEI Chengzhu，LI Yinghui，YI Hong.A comprehensive review on hull forms and relevant researches of wave piercing vessels［J］.Chinese Journal of Ship Research，2016，11（5）：1-8.

0　引言

穿浪船是具有穿浪特性的船舶的統(tǒng)稱(chēng)。作為高性能船舶，穿浪船最主要的特點(diǎn)是，通過(guò)采用合理的穿浪設(shè)計(jì)，減小甚至消除船體在波浪中所受到的砰擊載荷，減小船體在波浪中的加速度和運(yùn)動(dòng)幅值，使船體在波浪中獲得優(yōu)異的快速性和適航性。由于各國(guó)經(jīng)濟(jì)和軍事的需求，穿浪船型近年來(lái)得到了愈來(lái)愈多的發(fā)展和應(yīng)用。在軍事領(lǐng)域、游艇設(shè)計(jì)領(lǐng)域和運(yùn)輸領(lǐng)域都能看到穿浪船的身影。國(guó)內(nèi)外學(xué)者亦對(duì)與穿浪船相關(guān)的課題進(jìn)行了研究，以探索穿浪船的船型特點(diǎn)，改進(jìn)和完善穿浪船，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)穿浪船船型的創(chuàng)新。目前，穿浪船已發(fā)展出多種船體形式。不同船體形式的穿浪船具有其自身特有的優(yōu)勢(shì)。本文將對(duì)穿浪船船型現(xiàn)狀、船體性能及船體性能的預(yù)報(bào)方法進(jìn)行適當(dāng)?shù)母攀龊涂偨Y(jié)。

1　穿浪船船型現(xiàn)狀

穿浪船從船體（片體）數(shù)量上可以分為穿浪單體船（Wave Piercing Monohull，WPM）和穿浪多體船。穿浪多體船主要包括穿浪雙體船（Wave Piercing Catamaran，WPC）和穿浪三體船（Wave Piercing Trimaran，WPT）。穿浪船的船型主要由2種途徑產(chǎn)生：第1種是由傳統(tǒng)船型修改而來(lái)；第2種是采用創(chuàng)新性的船型設(shè)計(jì)。

1.1穿浪單體船

穿浪單體船早在鐵甲艦時(shí)代就已經(jīng)出現(xiàn)。由于在高速航行時(shí)或在惡劣海況下船體容易被淹濕，并且由于火炮技術(shù)的發(fā)展，采用內(nèi)傾式設(shè)計(jì)的鐵甲艦暫時(shí)退出了歷史舞臺(tái)。近年來(lái)，為了獲取高海況下優(yōu)良的快速性和適航性，采用細(xì)長(zhǎng)船體和瘦削船艏的穿浪單體船重新出現(xiàn)。另外，經(jīng)典的穿浪單體船由于采用了內(nèi)傾式設(shè)計(jì)而具備了隱身特性。隨著各國(guó)對(duì)能夠在高海況下執(zhí)行任務(wù)的高性能船舶需求的增加以及對(duì)隱身技術(shù)的愈發(fā)重視，穿浪單體船得到愈來(lái)愈多的重視和發(fā)展，一些創(chuàng)新的單體穿浪船船型設(shè)計(jì)陸續(xù)問(wèn)世。

作為目前最先進(jìn)的驅(qū)逐艦，美國(guó)的DDG-1000為了達(dá)到船體隱身的目的，采用了經(jīng)典的單體內(nèi)傾式穿浪型設(shè)計(jì)。該艦也是目前最為人們所熟知的穿浪船之一。美國(guó)海軍研究局（Office of Naval Research，ONR）公開(kāi)了一種與DDG-1000非常類(lèi)似的穿浪單體船ONR-TH（圖1［1］）以供研究人員進(jìn)行該類(lèi)型船舶的探索研究。已公開(kāi)的與穿浪單體船相關(guān)的研究大多以O(shè)NR-TH為研究對(duì)象。

圖1　美國(guó)海軍開(kāi)發(fā)的穿浪單體船F(xiàn)ig.1WPM developed by US Navy

美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）和國(guó)防部長(zhǎng)辦公室（OSD）合作開(kāi)發(fā)的Very Slender Vessel（VSV）是一種細(xì)長(zhǎng)的高速穿浪單體船（圖2）。VSV的設(shè)計(jì)目標(biāo)為：減小自身的目標(biāo)特征，能夠直接穿過(guò)波浪而不是像傳統(tǒng)深V型滑行艇那樣在波浪上跳躍，減少波浪沖擊載荷，獲取在波浪中優(yōu)異的快速性和適航性。根據(jù)相關(guān)專(zhuān)利［2］的描述可知，VSV主要具有以下特征和優(yōu)勢(shì)：通過(guò)使用全凸起的船底殼和舷側(cè)輔助單元，獲得船體在惡劣天氣下的良好性能；通過(guò)很小的性能損失來(lái)獲取高載荷；更低的雷達(dá)信號(hào)特征；同傳統(tǒng)滑行艇相比燃油消耗減少20%。該設(shè)計(jì)已被投入到實(shí)際應(yīng)用中。英國(guó)皇家海軍特種舟艇中隊(duì)裝備的一艘VSV時(shí)速超過(guò)60 kn。VSV設(shè)計(jì)也被推廣到游艇設(shè)計(jì)上，Maryslim號(hào)亦采用了VSV的設(shè)計(jì)。

圖2　VSVFig.2VSV

Transonic Hull Company（THC）公司開(kāi)發(fā)并申請(qǐng)專(zhuān)利［3-4］的超臨界船（Transonic Hull，TH）具有細(xì)長(zhǎng)的三角形船體，如圖3所示。該船型的干舷幾乎垂直于水面。THC宣稱(chēng)：與3種傳統(tǒng)船相比，不論在靜水還是波浪中，TH在相同馬力下的速度可提升17%；耐波性試驗(yàn)表明，TH在全航速和各種波浪狀況下都能保持零縱傾角并有效避免砰擊載荷，加速度小。

圖3　超臨界船F(xiàn)ig.3Transonic hull

Van diepen設(shè)計(jì)了一種平面穿浪船艏（圖4），并申請(qǐng)了專(zhuān)利［5］。不同于DDG-1000，VSV及TH所采用的瘦削的穿浪船艏，該船艏比較寬扁，旨在利用船艏的內(nèi)傾面來(lái)平衡穿浪時(shí)波浪浮力所產(chǎn)生的抬升力。根據(jù)相關(guān)專(zhuān)利的描述可知，該設(shè)計(jì)能減少甚至消除縱搖運(yùn)動(dòng)和砰擊載荷，減輕船體結(jié)構(gòu)重量，改善適航性，減少靜水阻力。

圖4　平面穿浪船艏Fig.4Flat wave piercing bow

Ulstein開(kāi)發(fā)了X-Bow船艏（圖5）用來(lái)改善在高海況下的船體操作。該設(shè)計(jì)主要被應(yīng)用于海洋工程領(lǐng)域。X-Bow的概念于2005年提出。截止到2016年，采用X-Bow的船舶訂單已經(jīng)超過(guò)100艘。廣東中遠(yuǎn)船務(wù)承接建造的Vos Partner號(hào)就是一種采用了X-Bow船艏的中型海洋平臺(tái)供應(yīng)船。

圖5　X-Bow船艏Fig.5X-Bow

上海交通大學(xué)魏成柱所在團(tuán)隊(duì)以經(jīng)典的內(nèi)傾式穿浪船型為基礎(chǔ)船型，通過(guò)大量的船型特征對(duì)比和優(yōu)化，設(shè)計(jì)了高速穿梭艇［6-9］，并對(duì)高速穿梭艇在高速段的性能進(jìn)行了研究。其所在團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的高速穿浪單體船具有瘦削的船艏、方艉及艏部防濺條，采用過(guò)渡型船體設(shè)計(jì)，并進(jìn)一步將防濺條發(fā)展成壓浪干舷來(lái)更好地控制船體淹濕。

1.2穿浪雙體船

廣義的穿浪雙體船是指采用穿浪設(shè)計(jì)的雙體船，狹義的穿浪雙體船是指最早由澳大利亞提出的一種穿浪雙體船，下文將采用WPC-AU來(lái)標(biāo)記。這種由澳大利亞提出的穿浪雙體船方案結(jié)合了小水線(xiàn)面雙體船的低阻力、高耐波性的優(yōu)勢(shì)，并通過(guò)使用深V船型來(lái)克服小水線(xiàn)面雙體船的片體儲(chǔ)備浮力不足、空間較為狹小的缺點(diǎn)。該穿浪雙體船設(shè)計(jì)方案因其優(yōu)良的快速性和耐波性受到了大量的關(guān)注和贊揚(yáng)。目前對(duì)穿浪雙體船的研究和應(yīng)用大多以該方案為基礎(chǔ)。圖6所示為AMD公司為澳大利亞海軍建造的HSV。中國(guó)海軍022型導(dǎo)彈艇采用了類(lèi)似的設(shè)計(jì)方案。中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心對(duì)類(lèi)似的穿浪雙體船進(jìn)行了深入研究，已形成系列設(shè)計(jì)。

圖6　HSV穿浪雙體船F(xiàn)ig.6HSV wave piercing catamaran

不同于AMD公司設(shè)計(jì)的穿浪雙體船，由大不列顛團(tuán)隊(duì)（Great Britain）設(shè)計(jì)的穿浪雙體船采用了雙體滑行帶斷階式設(shè)計(jì)。在雙體斷階滑行艇的基礎(chǔ)上，該穿浪雙體船的船艏被修改為瘦長(zhǎng)且有一定內(nèi)傾角的穿浪型船艏，并且片體連接橋的船艏部分被移除，如圖7所示。其上層建筑采用流線(xiàn)型設(shè)計(jì)以減小迎浪的砰擊。該穿浪雙體船旨在打破橫穿大西洋的速度記錄。據(jù)英國(guó)《每日郵報(bào)》報(bào)道：在條件適當(dāng)?shù)那闆r下，該穿浪雙體船穿越大西洋僅需48 h；該船的平均速度將高達(dá)105 km/h，有望于2018年夏天打破1992年創(chuàng)造的2 d 10 h 54 min橫穿大西洋的記錄。但該穿浪雙體船的實(shí)際使用效果還有待觀察。

圖7　大不列顛團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的穿浪雙體船F(xiàn)ig.7Wave piercing catamaran designed by the team Great Britain

1.3穿浪三體船

穿浪三體船主要由穿浪單體和穿浪雙體船發(fā)展而來(lái)。途徑1為以穿浪單體船為母船體，在母船體兩側(cè)添加片體，進(jìn)一步提高船體穩(wěn)性并改善船體橫搖；途徑2為以穿浪雙體船為母船體，在兩個(gè)片體中間添加附體，改善船體在波浪中的縱向和垂向運(yùn)動(dòng)。此外，還有其他類(lèi)型的穿浪三體船。

最著名的一艘穿浪三體船為“地球競(jìng)速”（Earthrace）號(hào)游艇，如圖8所示?！暗厍蚋?jìng)速”號(hào)是為了打破UIM“機(jī)動(dòng)船環(huán)游世界時(shí)速記錄”而設(shè)計(jì)建造。該船由中央穿浪主船體和左右兩個(gè)片體構(gòu)成。據(jù)稱(chēng)，“地球競(jìng)速”號(hào)的擋風(fēng)玻璃設(shè)計(jì)可承受高達(dá)7 m的水壓，理論上可承受15 m的浪高，然而在海上試驗(yàn)中該船迄今只淹沒(méi)到4 m。該船在與日本捕鯨船相撞時(shí)沉沒(méi)，新的“地球競(jìng)速”號(hào)正在建造中。遺憾的是，未查到與該艇相關(guān)的公開(kāi)研究資料。

圖8　“地球競(jìng)速”號(hào)穿浪三體船F(xiàn)ig.8Earthrace wave piercing trimaran

法國(guó)、英國(guó)等也先后提出了一些基于穿浪三體船的驅(qū)護(hù)艦設(shè)計(jì)方案。法國(guó)設(shè)計(jì)的Ocean Eagle 43（圖9）是一型用于海上監(jiān)視與安全維護(hù)的高性能三體艦。Ocean Eagle 43采用了與“地球競(jìng)速”號(hào)相似的布置方案，不過(guò)其中央主船體的長(zhǎng)寬比更大，片體對(duì)稱(chēng)布置在船長(zhǎng)中部。片體的這種布置方式除了增加船體穩(wěn)性之外，還有利于提高細(xì)長(zhǎng)船體的回轉(zhuǎn)性。

圖9　Ocean Eagle 43Fig.9Ocean Eagle 43

趙連恩等［10］在AMD型穿浪雙體船的基礎(chǔ)上在中央船體艏部下方加一半潛體，形成了穿浪多體船。

不同于以上穿浪船的概念，Matveev等［11］提出了一種特殊的穿浪三體船概念，如圖10所示。該概念設(shè)計(jì)采用細(xì)長(zhǎng)的支柱將三個(gè)滑行片體同機(jī)翼型上層建筑連接起來(lái)，綜合利用了水和空氣的動(dòng)升力。

圖10　Matveev等設(shè)計(jì)的穿浪三體船F(xiàn)ig.10WPT by Matveev et al

2　穿浪船船體性能概述

船體性能主要包括船舶的浮性、穩(wěn)性、抗沉性、快速性（船舶阻力、船舶推進(jìn)）、操縱性及耐波性。相比于傳統(tǒng)船型，穿浪船更加強(qiáng)調(diào)其在波浪中優(yōu)良的性能。因此，穿浪船的耐波性更受關(guān)注。同時(shí)，由于穿浪船大多采用非傳統(tǒng)船型設(shè)計(jì)，因此其安全性（穩(wěn)性、抗沉性等）也很受關(guān)注。

2.1快速性

經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的高速穿浪船的快速性有明顯提高。VSV同傳統(tǒng)滑行艇相比燃油消耗減少了20%。THC宣稱(chēng)，與3種傳統(tǒng)船相比，不論在靜水還是波浪中，TH在相同馬力下的速度可提升17%［12］。高航速時(shí)，穿浪雙體船（WPC-AU）不僅靜水阻力小，波浪增阻也小。世界最快渡船F(xiàn)rancisco號(hào)高速穿浪型雙體船是一艘以液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）為主要燃料的大型雙燃料高速滾裝船，空載時(shí)速可超過(guò)58.1 kn。但是趙連恩等［13］也指出，從靜水阻力的角度來(lái)看，穿浪雙體船（WPC-AU）不適合在低航速時(shí)航行。

2.2耐波性

由于穿浪船設(shè)計(jì)和優(yōu)化時(shí)對(duì)波浪中航行的針對(duì)性，穿浪船普遍展示出優(yōu)良的耐波性。波浪中的運(yùn)動(dòng)、波浪增阻、加速度都有明顯改善，實(shí)現(xiàn)了波浪中的緩和運(yùn)動(dòng)。THC宣稱(chēng)的與3種傳統(tǒng)船相比，TH在相同馬力下的波浪中速度提升17%表明其具有較小的波浪增阻。根據(jù)文獻(xiàn)［14］中的耐波性試驗(yàn)結(jié)果可知：TH與傳統(tǒng)船型BL-175相比，在耐波性上表現(xiàn)出壓倒性的優(yōu)勢(shì)；TH在航速50 kn、波高1和2 m時(shí)，靠近船艏的加速度與BL-175相比減幅達(dá)71%；TH在全航速和各種波浪狀況下都能保持零縱傾角并能有效避免砰擊載荷，船體加速度小。Van diepen等［15］在對(duì)Flat bow的研究中指出：采用穿浪設(shè)計(jì)的船的艏艉和重心處加速度（1/10有義值）都比傳統(tǒng)船體的小，但穿浪船的艏部最大加速度值根據(jù)穿浪船艏形狀的不同或大于或小于傳統(tǒng)船舶；采用穿浪設(shè)計(jì)的船的升沉和縱搖幅值（1/10有義值）都比傳統(tǒng)船體的小；同傳統(tǒng)船型相比，所有測(cè)試的穿浪船的垂蕩、縱搖和加速度都顯著下降，根據(jù)航速和海況選取的不同，減幅最高可達(dá)40%。關(guān)于X-Bow的水池試驗(yàn)結(jié)果［16］表明，同傳統(tǒng)球鼻艏相比，采用X-Bow設(shè)計(jì)的船在波浪中具有以下優(yōu)勢(shì)：沒(méi)有艏部砰擊載荷；具有更小的加速度和縱搖；穿浪而過(guò)時(shí)不引起劇烈的艏部飛濺；波浪中的失速更小。Dubrovsky［17］對(duì)文獻(xiàn)［11］中提到的三體穿浪船進(jìn)行模型試驗(yàn)后指出，同傳統(tǒng)滑行艇相比，該設(shè)計(jì)在相同速度下的艏部加速度更小。

橫搖角影響人的運(yùn)動(dòng)能力，大致可以分為3個(gè)區(qū)域：在0°～4°范圍內(nèi)對(duì)人的活動(dòng)沒(méi)有影響；在4°～10°范圍內(nèi)使人的運(yùn)動(dòng)能力明顯下降；10°以上使乘員吃飯、睡覺(jué)及在船上走動(dòng)都發(fā)生困難。穿浪船的干舷內(nèi)傾式設(shè)計(jì)會(huì)影響到船體的橫搖性能。Lin等［18］通過(guò)對(duì)比ONR內(nèi)傾式和外飄式船型指出：在諧搖區(qū)附近，內(nèi)傾式船體的橫搖角度要比外飄式船體橫搖角大很多；當(dāng)波長(zhǎng)等于諧振值時(shí)，內(nèi)傾式船體橫搖角度是外飄式船體橫搖角的2倍，如圖11所示。但是穿浪船通過(guò)使用創(chuàng)新的船體設(shè)計(jì)可以改善波浪中的船體橫搖性能，例如VSV采用的舷側(cè)突出設(shè)計(jì)可以改善橫搖和增加儲(chǔ)備浮力。Ikeda等［19］通過(guò)研究指出，由于固有周期短，橫阻尼大，波浪擾動(dòng)力矩小，一艘112 m的穿浪雙體船（WPC-AU）在橫波中的橫搖共振幅度很小。三體式設(shè)計(jì)對(duì)穿浪船的橫搖非常有益。根據(jù)CMN船廠(chǎng)公開(kāi)的海試資料，采用穿浪三體船設(shè)計(jì)的Ocean Eagle 43在5級(jí)海況下以28 kn航行時(shí)，縱搖角度在±2°之間，橫搖角度在±6°之間，顯示出其在高海況下的航行優(yōu)勢(shì)。

相比于外飄式船艏，穿浪型船艏對(duì)波浪的擾動(dòng)很小，不容易在船艏附近形成劇烈的飛濺，可以減小砰擊。圖12示出了穿浪船型與外飄式船型遭遇波浪時(shí)對(duì)波面的擾動(dòng)。圖12（a）顯示了采用X-Bow設(shè)計(jì)的船與采用傳統(tǒng)球鼻艏的船在相同波浪條件下航行時(shí)的艏部飛濺情況。由圖可見(jiàn)，采用X-Bow的船沒(méi)有像加裝球鼻艏的外飄式船型那樣引起劇烈的艏部飛濺，該現(xiàn)象也得到了實(shí)船海試的驗(yàn)證。圖12（b）對(duì)比了TH與采用斧型艏的船體遭遇波浪時(shí)的艏部飛濺情況。顯然，穿浪型船艏對(duì)波浪的擾動(dòng)小，艏部幾乎沒(méi)有飛濺產(chǎn)生。

圖11　內(nèi)傾式船（實(shí)線(xiàn)）和外飄式船（虛線(xiàn)）在不同波長(zhǎng)下的橫搖對(duì)比，F(xiàn)n=0.066Fig.11Normalized roll motion angle for different values of λwith Fn=0.066.The solid line shows the numerical results for the tumblehome hull and the dashed line the numerical results for the flared hull

圖12　穿浪船艏對(duì)船艏處波浪的擾動(dòng)小Fig.12Wave piercing bows have small disturbance to the waves

單體穿浪船所面臨的砰擊載荷主要來(lái)自船艏，而穿浪型船艏對(duì)波浪的弱擾動(dòng)使船體面臨的砰擊載荷明顯減小。但是，低干舷的單體穿浪船在波浪中會(huì)面臨高概率的上層建筑砰擊，過(guò)低的干舷會(huì)讓波浪直接漫過(guò)船艏甲板進(jìn)而沖擊上層建筑。張進(jìn)豐等［20］在試驗(yàn)過(guò)程中觀察到了很明顯的甲板上浪現(xiàn)象。因此，流暢的上層建筑和較高的船體干舷對(duì)一些單體穿浪船是非常有益的。此外，中國(guó)造船工程學(xué)會(huì)船舶力學(xué)委員會(huì)高性能船學(xué)組指出，濕甲板砰擊是穿浪雙體船研究的重中之重。French等［21］通過(guò)試驗(yàn)確定了砰擊發(fā)生的臨界值。對(duì)于一艘長(zhǎng)112 m、航速為20和38 kn、模態(tài)周期為8.5 s的雙體穿浪船（WPC-AU），當(dāng)有義波高小于1.5 m時(shí)，砰擊不會(huì)發(fā)生。

穿浪船在短、陡波中的優(yōu)良性能基本得到認(rèn)可，但并不意味著某一穿浪船型或者具體穿浪船只在所有海況中都有良好的耐波性。Vakilabadi等［22］在對(duì)一艘極細(xì)長(zhǎng)穿浪三體船在規(guī)則波中的垂蕩和縱搖的模型試驗(yàn)研究中觀察到，模型的縱搖運(yùn)動(dòng)比較劇烈，如圖13所示。傳統(tǒng)雙體穿浪船的實(shí)際運(yùn)營(yíng)表明，該類(lèi)型穿浪雙體船適航性的優(yōu)劣很大程度上取決于其所航行的海區(qū)及波長(zhǎng)范圍，在非設(shè)定海域中受限于細(xì)長(zhǎng)的片體，其垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)較大。可見(jiàn)，特別細(xì)長(zhǎng)的船體在獲得快速性提高的同時(shí)也犧牲了一些耐波性。而Ocean Eagle 43采用的主船體和片體的布置方案可能對(duì)改善這種不利局面有利。

圖13　細(xì)長(zhǎng)穿浪三體船在規(guī)則波中的縱搖運(yùn)動(dòng)Fig.13Amplitude of the pitching motion measured during the towing of the wave piercing trimaran model

一些學(xué)者嘗試對(duì)傳統(tǒng)穿浪雙體船（WPC-AU）在波浪中的垂向和縱向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制和改善，來(lái)擴(kuò)大該類(lèi)型穿浪雙體船的應(yīng)用范圍。實(shí)踐證明，T型水翼大大改善了船舶在波浪中的縱搖和垂蕩［23］，使船上工作人員及乘客的工作和生活條件得到了極大的改善?？煽氐腡型水翼首先被安裝在穿浪雙體船上。常進(jìn)［24］、劉金玲［25］、劉英和［26］等對(duì)T型水翼在穿浪雙體船上的應(yīng)用展開(kāi)了研究。此外，馬濤等［27］在穿浪雙體船上添加中體，通過(guò)模型試驗(yàn)證實(shí)該措施可以很好地改進(jìn)穿浪雙體船型的耐波性。鄭義等［28］通過(guò)加裝水翼來(lái)改善某250 t級(jí)高速輕型穿浪雙體船的縱向運(yùn)動(dòng)，模型試驗(yàn)表明，該措施可以使迎浪縱搖和垂蕩有義幅值減少20%～30%。

暈船率（Motion Sickness Incidences，MSI）也是高速船耐波性的重要評(píng)判指標(biāo)之一。穿浪雙體船的低頻運(yùn)動(dòng)可能帶來(lái)暈船，這將給船員及乘客帶來(lái)疲勞和不適。Fang等［29］針對(duì)一艘40 m長(zhǎng)穿浪雙體渡船CAT-I的垂向運(yùn)動(dòng)暈船發(fā)生率進(jìn)行了研究，指出垂向運(yùn)動(dòng)暈船率在隨浪時(shí)（浪向角≤60°）不顯著，但是會(huì)隨著浪向角的增大而升高。Ikeda等［19］給出了112 m長(zhǎng)穿浪雙體船（WPC-AU）的MSI分布圖。

2.3安全性

經(jīng)典的穿浪船是由傳統(tǒng)外飄式船舶內(nèi)傾干舷和船艏而來(lái)，干舷以上船體幾何容積減少，船體的儲(chǔ)備浮力發(fā)生改變，由此引發(fā)對(duì)船體安全性（例如船體的穩(wěn)性［30-31］、參數(shù)橫搖［32-34］、傾覆［35］）的擔(dān)憂(yōu)，與此相關(guān)的研究多集中于ONR-TH上。根據(jù)已公開(kāi)的研究，對(duì)于具有相同水線(xiàn)以下幾何形狀的船體，內(nèi)傾船型的安全性有所降低。Bassler等［30］指出，內(nèi)傾船型的傾覆風(fēng)險(xiǎn)對(duì)重心小幅變化的敏感性與外飄船型相比會(huì)顯著升高。Mccue等［32］在對(duì)ONR-TH的參數(shù)橫搖研究中指出，相比采用直壁式和外飄式設(shè)計(jì)的ONR船體，采用內(nèi)傾式設(shè)計(jì)的ONR船體在波浪中的平均初穩(wěn)心高（GM）要小，其在迎浪中的參數(shù)橫搖會(huì)在更低的前進(jìn)速度下遇到。

3　穿浪船船體性能的研究方法

船體性能的研究方法主要包括理論方法、以CFD為基礎(chǔ)的數(shù)值仿真和模型試驗(yàn)。不同于傳統(tǒng)船舶，穿浪船特殊的外形設(shè)計(jì)和航行狀態(tài)使得在對(duì)其進(jìn)行船體性能預(yù)報(bào)時(shí)要考慮水線(xiàn)以上干舷和上層建筑的影響，需計(jì)入干舷和甲板的淹濕、上浪、砰擊等非線(xiàn)性因素。

與穿浪船有關(guān)的研究多以水池試驗(yàn)的方式進(jìn)行。水池試驗(yàn)不僅包括拖曳水池試驗(yàn)，還包括自航模水池試驗(yàn)。

穿浪船型的特殊性對(duì)傳統(tǒng)的一些理論研究方法提出了很大的挑戰(zhàn)，但并不意味著這些研究手段失效。張進(jìn)豐等［20］通過(guò)模型試驗(yàn)和非線(xiàn)性時(shí)域方法，對(duì)一內(nèi)傾低干舷隱身船在頂浪時(shí)規(guī)則波和不規(guī)則波中的縱向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)開(kāi)展了研究，并且在時(shí)域計(jì)算中考慮了船體濕表面變化和甲板上浪對(duì)縱向運(yùn)動(dòng)的影響。與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比表明，考慮了船體濕表面變化和甲板上浪對(duì)縱向運(yùn)動(dòng)影響的非線(xiàn)性時(shí)域方法能夠比較準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)內(nèi)傾船型在波浪中的縱向運(yùn)動(dòng)。

CFD技術(shù)的發(fā)展為穿浪船相關(guān)研究提供了新的途徑?？煽康耐牧髂Ｐ汀⒍嘧杂啥冗\(yùn)動(dòng)模型和多相流模型為穿浪船的數(shù)值仿真提供了基礎(chǔ)保證。重疊網(wǎng)格更是方便了船體大幅值運(yùn)動(dòng)的模擬。在以CFD為基礎(chǔ)的數(shù)值仿真中，船體的幾何細(xì)節(jié)能夠被充分保留，穿浪船的受力、運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、上浪和淹濕都能夠得到很好的捕捉和描述。隨著CFD技術(shù)的發(fā)展，可動(dòng)的螺旋槳和舵被引入到自航模的數(shù)值仿真中。Carrica等［1］在對(duì)ONR-TH進(jìn)行癱船分析時(shí)，在光體模型上引入了可動(dòng)的舵和螺旋槳來(lái)更加真實(shí)地模擬船體在波浪中的運(yùn)動(dòng)。相對(duì)于傳統(tǒng)的船舶繞流仿真，該方法雖然更加接近真實(shí)情況，但計(jì)算資源消耗巨大。Carrica在研究中用到的網(wǎng)格單元數(shù)量達(dá)到2.11×107，普通個(gè)人計(jì)算機(jī)根本無(wú)法完成如此大規(guī)模的計(jì)算。此外，實(shí)船CFD模擬已經(jīng)逐漸成熟。真實(shí)海況和實(shí)船CFD仿真可為穿浪船的研究提供更加直接的性能預(yù)報(bào)。

4　結(jié)論

通過(guò)以上研究，可以得出以下主要結(jié)論：

1）穿浪船型近年來(lái)得到了快速發(fā)展，船型更加豐富，船體性能被進(jìn)一步探明。

2）穿浪船型普遍但并未全部采用瘦削的船艏來(lái)減小艏部浮力，減少砰擊和縱搖。

3）與一些傳統(tǒng)船型相比，穿浪船型具有一定的快速性?xún)?yōu)勢(shì)。

4）與傳統(tǒng)船型相比，針對(duì)船體在波浪中的運(yùn)動(dòng)、受力及加速度而優(yōu)化設(shè)計(jì)的穿浪船型在上述方面改善明顯。

5）采用極細(xì)長(zhǎng)船體設(shè)計(jì)的穿浪船在獲取快速性?xún)?yōu)勢(shì)的同時(shí)一定程度上犧牲了耐波性，導(dǎo)致其在某些海況中的縱搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)比較劇烈，需要改善。

6）由傳統(tǒng)外飄式船型修改而來(lái)的內(nèi)傾式穿浪船在一些惡劣海況下的安全性有所降低。

與已進(jìn)行廣泛而深入研究的傳統(tǒng)船型相比，目前對(duì)穿浪船的研究是有限的。對(duì)于穿浪船，以下幾個(gè)方面值得進(jìn)行深入研究或者開(kāi)創(chuàng)性研究：

1）高速穿浪單體船、高速穿浪雙體船、高速穿浪三體船船型創(chuàng)新及相關(guān)船體性能的探索；

2）現(xiàn)有穿浪船型耐波性的進(jìn)一步改進(jìn)；

3）穿浪船在長(zhǎng)峰波中的運(yùn)動(dòng)；

4）全封閉式穿浪船在極惡劣工況（例如，船體完全從波浪中穿過(guò)）下的運(yùn)動(dòng)及受力；

5）針對(duì)穿浪船船型特殊性的、快速而準(zhǔn)確的船體性能預(yù)報(bào)理論方法；

6）穿浪船甲板和上層建筑砰擊及針對(duì)減小砰擊而進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

相信通過(guò)進(jìn)一步的研究和創(chuàng)新，穿浪船家族會(huì)得到進(jìn)一步的發(fā)展和壯大，并在未來(lái)大海洋時(shí)代中發(fā)揮更加重要的作用。

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A comprehensive review on hull forms and relevant researches of wave piercing vessels

WEI Chengzhu1，LI Yinghui2，YI Hong1
1 State Key Laboratory of Ocean Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China
2 Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China

Wave piercing vessels have special hull shapes and behaved softly in waves.In recent years，more attention has been paid on wave piercing vessels，and the wave piercing design is becoming popular among practical applications.More innovations related to wave piercing vessels have appeared and more researches on wave piercing vessels are available.Therefore，a comprehensive review on hull forms and relevant researches of wave piercing vessels is presented，which is a good reference for researches related with wave piercing vessels.Moreover，some promising research related to wave piercing vessels areas are provided.

wave piercing vessels；hull forms；hull performance；high performance ships

U661.3

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.05.001

2016-02-23網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-9-21 13:50

上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題（GKZD010061）

魏成柱，男，1987年生，博士。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)與數(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：潛器與特種船舶開(kāi)發(fā)，海上裝置與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可靠性與人因工程