多附體對滑行艇靜水阻力及航態(tài)影響的試驗研究

張作瓊, 鄧銳, 李超, 馮峰, 曲先強

(1. 探海海洋科技有限責(zé)任公司，江蘇 蘇州 215600；2.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

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多附體對滑行艇靜水阻力及航態(tài)影響的試驗研究

張作瓊1, 鄧銳2, 李超2, 馮峰2, 曲先強2

(1. 探海海洋科技有限責(zé)任公司，江蘇 蘇州 215600；2.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

本文采用試驗方法研究了兩種附體對滑行艇靜水阻力性能及航行姿態(tài)的影響。開展了艉部不帶有拖曳力和帶有拖曳力兩種情況下的模型試驗。在不帶艉部拖曳力的情況下，分別研究了防濺條長度一定時不帶阻流板、帶有不同高度阻流板和阻流板高度一定時防濺條長度變化等情況下模型靜水阻力和航態(tài)的變化，討論了兩種附體的影響及耦合作用。在帶有尾部拖曳力的情況下，進行了防濺條長度不變時不帶阻流板和帶阻流板的試驗，以及阻流板高度不變時帶有不同長度防濺條的試驗。通過試驗結(jié)果的對比分析獲得了這兩種附體產(chǎn)生影響規(guī)律及兩附體耦合作用下的參數(shù)建議。

滑行艇；靜水阻力；航態(tài)；阻流板；防濺條；多附體

滑行艇因其具有較高的航速，是進行水上偵查、搜救、旅游和執(zhí)行其他特殊任務(wù)的良好載體。但是滑行艇的長寬比通常較小，高航速情況下首部飛濺嚴(yán)重，并且由于水動力的作用，使滑行艇在航行過程中會出現(xiàn)較大的縱傾，導(dǎo)致水動力性能惡化，容易出現(xiàn)海豚運動。因此，對于滑行艇阻力性能的研究和航態(tài)控制，一直是滑行艇研究和設(shè)計中的重點之一[1]。近年來，針對滑行艇的阻力性能，仍有一部分學(xué)者[2-3]在計算和試驗方面持續(xù)開展相關(guān)的研究，甚至有一些機理性的探索[4]。而更多的研究則關(guān)注于滑行艇的航行姿態(tài)對其水動力之性能的影響，如Ignazio Maria Viola等[5-9]的研究，從多角度對滑行艇航態(tài)和運動響應(yīng)與船體水動力特性之間的關(guān)系進行了探討。另外，滑行艇船型的設(shè)計也在前進，如在減小高速飛濺方面，一種槽道型滑行艇[10]也取得了較好的效果。

為保證航速或內(nèi)部空間，滑行艇艇體型線難以像排水型船舶一樣可以有多種選擇，型線一旦確定，增加附體就是改善其阻力性能和航態(tài)的重要手段。一般情況下，防濺條和艉壓浪板是高速船性能改善的重要附體[11-13]，但是近年來有部分研究認(rèn)為艉阻流板的作用效果更加顯著[14-15]，更加適用于滑行艇[16-17]，但相關(guān)的研究報道較少。

本文對帶有防濺條和艉阻流板的滑行艇進行試驗研究，比較不同防濺條長度、是否帶有阻流板以及不同高度阻流板對滑行艇模型靜水阻力性能及航態(tài)的影響，并在滑行艇艉部增加線性拖曳力的情況下，進一步研究分析帶有艉部拖曳力時防濺條和艉阻流板所產(chǎn)生的影響及耦合作用。

1　試驗?zāi)Ｐ图胺椒?/h2>

試驗船模主尺度見表1，型線圖如圖1所示。

表1　船模主要參數(shù)

圖1　試驗船模橫剖面Fig.1　Cross sectional plan of the test model

圖2　試驗船模Fig.2　Test model

圖3　拖曳力設(shè)置方式Fig.3　Towing method of the towing force

試驗船模采用松木制作，拖曳力作用點距離模型艉封板500 mm，距離模型基線600 mm。在調(diào)節(jié)艉部拖曳力大小時，為克服滑輪機構(gòu)存在的摩擦力，通過船模阻力儀測量加載對船模的水平拉力，使實際水平拉力與理論加載的水平拉力相等。在調(diào)節(jié)艉部拖曳角度時，根據(jù)拖點與水下滑輪的間距得到水下滑輪在不同角度下入水深度，再固定水下滑輪的高度，以實現(xiàn)對水下滑輪高度的控制，達(dá)到艉部拖曳角度的要求。阻力儀通過拖線與船模連接，陀螺儀和升沉測量點均在重心處，傾角傳感器安裝于船艏部。船模及艉部拖曳力設(shè)置方式見圖2和圖3。試驗前對船模進行稱重和配重，調(diào)整船模浮態(tài)和吃水，并將船模重心高度調(diào)至理論值。

2　不帶艉部拖曳力的靜水試驗

對于高速滑行艇而言，由于其在高速情況下會產(chǎn)生嚴(yán)重的飛濺現(xiàn)象，導(dǎo)致底部壓力損失和能量損耗，并且對于其水動力性能有不利影響，因此，一般情況下均會安裝防濺條以減小飛濺。試驗中首先安裝長度為1 204 mm的防濺條，從船體第6站開始向船首延伸，基本覆蓋船體6站以前位置。防濺條寬度15 mm，平行于水平面，距離基線205 mm。防濺條及安裝位置如圖4所示。

圖4　防濺條安裝位置Fig.4　Location of the spray strips

圖5　阻流板Fig.5　 Interceptor

在安裝長度s為1 204 mm防濺條的基礎(chǔ)上，分別在船體艉部不安裝艉阻流板和安裝高度l為2 mm及4 mm的艉阻流板，研究是否帶有阻流板對船體阻力及航態(tài)的影響以及阻流板高度的影響。阻流板外形如圖5所示，固定安裝于船體的艉封板上，通過調(diào)整連接位置使其分別伸出船體底部2 mm和4 mm。試驗航速分別為1.29、2.57、3.86、5.14、5.40、5.66、6.17、6.43、7.20和7.72 m·s-1，相應(yīng)的體積傅汝德數(shù)Fr分別為0.52、1.03、1.55、2.07、2.17、2.28、2.48、2.59、2.90和3.11。將安裝有長度s為1 204.0 mm防濺條，分別帶有高度l為2.0 mm和4.0 mm的模型試驗結(jié)果與僅安裝防濺條，不帶阻流板(l=0.0 mm)模型的試驗結(jié)果相比較，如圖6所示。圖中，s表示防濺條長度；l表示阻流板的高度；Vm為模型試驗速度；Rt為靜水總阻力。在帶有高度為l=4.0 mm阻流板的情況下，航速達(dá)到6.17 m·s-1時，阻流板所產(chǎn)生的埋艏力矩已經(jīng)較大，船體呈埋艏狀態(tài)，因此停止試驗。從圖中的比較可以看出，在安裝有1 204.0 mm防濺條的情況下，帶有2.0 mm和4.0 mm高度阻流板的船體靜水總阻力分別在1.29～6.43 m·s-1及1.29～6.17 m·s-1的速度范圍內(nèi)明顯優(yōu)于不帶阻流板的船體；在1.29～5.66 m·s-1速度范圍內(nèi)，帶有高度為4.0 mm阻流板的船體靜水阻力進一步小于帶有高度為2.0 mm阻流板的船體總阻力。當(dāng)航速繼續(xù)增大時，帶有阻流

板的船體總阻力增加較為迅速，超過了不帶阻流板的船體。為分析這一現(xiàn)象，將不同情況下船體的縱傾和升沉對比如圖7所示。

圖6　帶有不同高度阻流板情況下的船體靜水阻力比較Fig.6　Comparison of clam water resistance in the conditions of different interceptor height

圖7　帶有不同高度阻流板情況下船體升沉和縱傾的比較Fig.7　Comparison of sinkage and trimming in the conditions of different interceptor height

圖中:h表示船體重心處升沉，正值表示船體上升，負(fù)值表示船體下沉；α表示船體縱傾，正值為抬艏，負(fù)值為埋艏。從圖中的比較可見，帶有阻流板的船體，其升沉和縱傾顯著小于不帶阻流板的船體，而且，隨著航速的增加，阻流板在減少升沉和減小縱傾上的效果也在增加。同時，相同航速下，隨著阻流板高度的增加升沉和縱傾的減小幅度也在增加。但是，高度過大的阻流板會使船體艉部獲得較大的動升力，導(dǎo)致埋艏現(xiàn)象。結(jié)合帶有不同高度阻流板的船體靜水總阻力，2.0 mm高度的阻流板既能有效的降低阻力，減小升沉和縱傾，又能使船體保持一定的縱傾角，較為適合本文所研究的船型。

試驗結(jié)果的對比表明，阻流板能夠在船體艉部提供一定的動升力，產(chǎn)生埋艏力矩，減小船體縱傾。同時，阻流板所產(chǎn)生的動升力結(jié)合縱傾的變化對船體的升沉具有一定的影響，能夠起到減小濕面積的作用，航態(tài)的優(yōu)化和濕面積的減小是滑行艇阻力得到降低的重要原因。合理高度的阻流板能夠降低阻力，優(yōu)化航態(tài)，高度過小的阻流板難以在艉部形成足夠的動升力產(chǎn)生有效的影響，高度過大的阻流板會產(chǎn)生較大的埋艏力矩，導(dǎo)致船體縱傾嚴(yán)重。

研究中為探討防濺條長度對滑行艇阻力性能及航態(tài)的影響，將防濺條長度減少400.0 mm，安裝位置不變，仍然從船體第6站開始向船艏延伸，距離基線205.0 mm，同時帶有2.0 mm高度的阻流板。將帶有804.0 mm防濺條和2.0 mm高度阻流板的船體靜水阻力、升沉和縱傾與帶有1 204.0 mm防濺條及2.0 mm高度阻流板的結(jié)果相比較，如圖8所示。

圖8　帶有不同長度防濺條情況下試驗結(jié)果的對比Fig.8　Comparison of experimental results in the conditions of different spray strips length

從圖中的比較結(jié)果可以看出，當(dāng)防濺條長度減少400.0 mm后，同航速下船體的升沉均有減小，縱傾角總體上也小于帶有長度為1204.0 mm防濺條的情況，并且隨航速增加縱傾角的較小幅度也在增加。而防濺條長度減小后，船體的靜水阻力總體變化不大，在1.29～6.43 m·s-1速度范圍內(nèi)略有減小，之后有一定的增加。當(dāng)航速為7.72 m·s-1，即體積傅汝德數(shù)約3.11時，帶有804.0 mm防濺條的船體比帶有長度為1 204.0 mm防濺條的船體總阻力增加了約4.93%。防濺條能夠有效的降低高速時船體所產(chǎn)生的飛濺，吸收飛濺流體的能量，減少飛濺所帶來的阻力增加，因此，增加防濺條的長度能夠在高速時降低一定的阻力，但對于飛濺不明顯的低速情況影響不大。帶有高度為2.0 mm阻流板，不同長度防濺條的船體試驗情況如圖9所示。

圖9　帶有不同長度防濺條的船體飛濺比較Fig.9　Comparison of the spray in the conditions of different interceptor height

3　帶有艉部拖曳力的靜水試驗

對于滑行艇，縱傾和排水量是非常受到關(guān)注的參數(shù)，因為縱傾過大會導(dǎo)致船體易出現(xiàn)海豚運動，影響水動力性能，威脅安全性；而排水量影響滑行艇的體積傅汝德數(shù)，決定其是否能進入滑行狀態(tài)。試驗中為進一步研究防濺條和阻流板對滑行艇阻力和航態(tài)的影響，在船體艉部增加了拖曳力。拖曳力幅值以線性方式增加，方向與模型前進方向相反，指向水平向下方，使船體在零航速情況下具有不同初始縱傾和排水量，以研究防濺條和阻流板對滑行艇所產(chǎn)生的作用。試驗航速Vm，拖曳力Rad，拖曳力與水平面的夾角θ以及加載拖曳力后船體的初始縱傾角α0詳見表2。

表2　帶有拖曳力情況下試驗?zāi)Ｐ偷某跏伎v傾

表中:Rad為所增加的拖曳力；θ為拖曳力與水平面的夾角，負(fù)值表示拖曳力指向水平面以下；α0為帶有拖曳力之后零航速情況下船體縱傾角，正值表示船體抬艏。帶有拖曳力的滑行艇試驗?zāi)Ｐ头謩e進行安裝長度為804.0 mm防濺條不帶阻流板、安裝長度為804.0 mm防濺條帶有高度為2.0 mm阻流板以及安裝長度為1204.0 mm防濺條帶有高度為2.0 mm阻流板的試驗，研究是否帶有阻流板以及防濺條長度產(chǎn)生的影響。試驗結(jié)果的對比如圖10所示。

從圖10中的比較結(jié)果來看，防濺條長度為804.0 mm，不帶阻流板的情況下，帶有拖曳力之后船體的阻力、升沉和縱傾明顯大于其他兩種情況，而帶有2.0 mm阻流板，不同長度防濺條時，船體的阻力、升沉和縱傾都差異不大.當(dāng)帶有804.0 mm防濺條時，安裝高度為2.0 mm阻流板之后，最大減阻約11.9%，升沉減少最大約39.8%，縱傾減少最大約59.0%。而在帶有2.0 mm高度阻流板的情況下延長防濺條至1 204.0 mm，阻力最大可繼續(xù)減少約0.9%，但是升沉和縱傾略有增加，試驗現(xiàn)象和試驗結(jié)果與不帶艉部拖曳力的情況一致。三種情況下船體試驗狀態(tài)對比如下。

由以上試驗狀態(tài)的比較可見，對于帶有艉部拖曳力的高速滑行艇而言，艉阻流板能夠有效的減小船體縱傾，優(yōu)化航態(tài)。而對于帶有艉部拖曳力的滑行艇而言，如果防濺條已經(jīng)能夠較好的抑制飛濺，則增加防濺條的長度帶來的影響并不顯著。針對本文所研究的船型和防濺條尺度，增加防濺條長度有助于減小阻力，同時會導(dǎo)致升沉和縱傾略有增加。

圖10　帶拖曳力船模試驗結(jié)果的對比Fig.10　Comparison of experimental results of the test model with towing force

圖11　帶拖曳力時船模航態(tài)的比較Fig.11　Gesture comparison of the test model with towing force

4　結(jié)論

本文首先對不帶艉部拖曳力的滑行艇進行了模型試驗，在帶有相同長度防濺條的條件下研究比較了不帶阻流板和帶有不同高度阻流板情況下船體阻力和航態(tài)的變化，并選擇了適用于本文所研究船型的阻流板高度；之后對帶有相同高度阻流板、不同長度防濺條的模型進行了試驗，研究防濺條長度帶來的而影響；最后對帶有艉部拖曳力的模型比較了防濺條長度和阻流板帶來的影響。通過本文的試驗研究，可以得到以下結(jié)論：

1)適當(dāng)高度的阻流板對減小滑行艇縱傾和升沉具有顯著的作用，并且在一定的航速范圍內(nèi)能夠明顯的減小滑行艇靜水阻力。針對本文所研究船型，高度為尾部寬度0.48%以內(nèi)的阻流板均有較好的作用效果；高度過大會造成船體埋艏并減小減阻范圍。

2)達(dá)到一定抑制艏部飛濺作用之后，繼續(xù)增加防濺條長度對于降低滑行艇阻力效果并不明顯，同時可能會導(dǎo)致升沉和縱傾略有增大。針對本文所研究船型，從船艏開始，采用船長38.5%長度的防濺條，可達(dá)到較好的效果。

3)對于帶有艉部拖曳力的滑行艇，高度為尾部寬度0.24%的阻流板在減阻和航態(tài)調(diào)整方面仍具有顯著的作用，而長度為船長25.7%的防濺條已經(jīng)能夠較好抑制首部飛濺，進一步增加防濺條長度對靜水阻力影響不大，并導(dǎo)致升沉和縱傾有略有增加。

本文對阻流板作用效果所開展的研究僅局限于相同形式、兩種不同高度情況下的阻流板，阻流板形式及高度所帶來的詳細(xì)影響，需要在今后系統(tǒng)的模型試驗中進一步深入研究。

[1]董文才, 郭日修. 滑行艇阻力研究進展[J]. 船舶力學(xué), 2000, 4(4): 68-81.

DONG Wencai, GUO Rixiu. State of the art of prediction on resistance of planing crafts[J]. Journal of ship mechanics, 2000, 4(4): 68-81.

[2]SUN Hui, FALTINSEN O M. Hydrodynamic forces on a semi-displacement ship at high speed[J]. Applied ocean research, 2012, 34: 68-77.

[3]MA Weijia, SUN Huawei, ZOU Jin, et al. Test research on the resistance performance of high-speed trimaran planing hull[J]. Polish maritime research, 2013, 20(4): 45-51.

[4]DURANTE D, BROGLIA R, MAKI K J, et al. A study on the effect of the cushion pressure on a planing surface[J]. Ocean engineering, 2014, 91: 122-132.

[5]VIOLA I M, ENLANDER J, ADAMSON H. Trim effect on the resistance of sailing planing hulls[J]. Ocean engineering, 2014, 88: 187-193.

[6]凌宏杰. 高速滑行艇運動響應(yīng)的實時數(shù)值預(yù)報與噴濺特性研究[D]. 鎮(zhèn)江: 江蘇科技大學(xué), 2013.

LING Hongjie. Research of spray characteristics and real time numerical prediction of the motion response of high speed planing craft[D]. Zhenjiang: Jiangsu University of Science and Technology, 2013.

[7]楊爽. 三維滑行艇模型流體動力及升沉縱搖運動特性研究[D]. 鎮(zhèn)江: 江蘇科技大學(xué), 2012.

YANG Shuang. Research on hydrodynamic performance and heave-pitch coupled motion response of three-dimensional planing ship[D]. Zhenjiang: Jiangsu University of Science and Technology, 2012.

[8]王慶旭. 三體滑行艇阻力和穩(wěn)定性研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2012.

WANG Qingxu. Research on the resistance and stability of trimaran planing hull[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2012.

[9]張長斌. 基于灰色系統(tǒng)理論的滑行艇運動姿態(tài)預(yù)報研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2012.

ZHANG Changbin. Research on prediction of planing craft motion based on grey system theory[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2012.

[10]SU Yumin, WANG Shuo, SHEN Hailong, et al. Numerical and experimental analyses of hydrodynamic performance of a channel type planing trimaran[J]. Journal of hydrodynamics, series B, 2014, 26(4): 549-557.

[11]邵世明, 王云才, 錢章義, 等. 尾板寬度對高速排水型艇的阻力和耐波性影響[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報, 1997, 31(7): 35-39.

SHAO Shiming, WANG Yuncai, QIAN Zhangyi, et al. The influence of transom breadth on resistance and seakeeping qualities for high speed displacement vessels[J]. Journal of Shanghai jiaotong university, 1997, 31(7): 35-39.

[12]邵世明, 王云才. 防濺條對高速排水量艇航行性能的影響[J]. 中國造船, 1979(1): 45-53.

SHAO Shiming, WANG Yuncai. The influence of chine strips on resistance and motions of high speed displacement hull form[J]. Shipbuilding of China, 1979(1): 45-53.

[13]邵世明, 王云才. 改善高速排水型艇性能的措施[J]. 船舶工程, 1982(4): 10-19, 49.

SHAO Shiming, WANG Yuncai. Methods of reducing resistance and improving seakeeping qualities of high speed displacement vessels[J]. Ship engineering, 1982(4): 10-19, 49.

[14]DENG Rui, HUANG Debo, ZHOU Guangli, et al. Preliminary numerical investigation of effect of interceptor on ship resistance[J]. Applied mechanics and materials, 2011, 97/98: 1085-1090.

[15]鄧銳, 黃德波, 周廣利, 等. 阻流板水動力機理的初步計算研究[J]. 船舶力學(xué), 2012, 16(7): 740-749.

DENG Rui, HUANG Debo, ZHOU Guangli, et al. Preliminary numerical research of the hydrodynamic mechanism of interceptor[J]. Journal of ship mechanics, 2012, 16(7): 740-749.

[16]馬超. 阻流板和尾壓浪板對滑行艇阻力性能影響[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2012.

MA Chao. The effect of interceptor and stern flap on the resistance of planning boat[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2012.

[17]趙超. 阻流板和導(dǎo)流板對滑行艇阻力性能的影響研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2013.

ZHAO Chao. The influence of interceptor and stern flap on planing hull resistance performance[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2013.

本文引用格式：

張作瓊, 鄧銳,李超，等. 多附體對滑行艇靜水阻力及航態(tài)影響的試驗研究[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報， 2016, 37(9): 1209-1214.

ZHANG Zuoqiong，DENG Rui，LI Chao，et al. Experimental research on the influence of multiple appendages on calm water resistance and navigation motion of a planing hull[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2016, 37(9): 1209-1214.

Experimental research on the influence of multiple appendages on calm water resistance and navigation motion of a planing hull

ZHANG Zuoqiong1，DENG Rui2，LI Chao2，F(xiàn)ENG Feng2，QU Xianqiang2

(1. Marine Science and Technology Co. Limited, Suzhou 215600, China; 2. College of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China)

In this study, we experimentally investigated the influence of two kinds of appendages on the calm water resistance and motion of a high-speed planing hull test model. We carried out ship model tests in conditions with and without a tail towing force. In the planing hull without a tail towing force, we examined the change in the model's calm water resistance and navigation motion under the following conditions: First, we held constant the length of the spray strips, and mounted the plate baffle at different heights. Next, we held constant the height of the plate baffle, and mounted spray strips of different lengths onto the model. We also considered the influence of two appendages and the coupling effect. For the planing hull with a tail towing force, we conducted tests under the following conditions: First, we held constant the length of the spray-proof strip, and either attached or did not attach a plate baffle. Next, we held constant the height of the plate baffle, and varied the length of the spray-proof strip. Based on the analysis results for the test data in these different conditions, we obtained some laws with respect to the influence of the appendages and some suggested parameters with respect to the coupling of the appendages .

planing hull; calm water resistance; navigation motion; plate baffle; spray strip;multiple appendages

2015-06-10.

時間：2016-07-29.

國家自然科學(xué)基金項目(51209048;51309069);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費項目(HEUCF150101).

張作瓊(1980-), 男, 高級工程師；

鄧銳,E-mail：dengrui@hrbeu.edu.cn.

10.11990/jheu.201506029

U661.31

A

1006-7043(2016)09-1209-06

鄧銳(1981-), 男, 講師, 博士.

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160729.1058.002.html