新概念高速穿梭艇系列船型及其直航性能

魏成柱，易宏，李英輝

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高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海200240

新概念高速穿梭艇系列船型及其直航性能

魏成柱1，2，易宏1，2，李英輝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高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海200240

［目的］為了將高速與高耐波性能相結(jié)合，上海交通大學(xué)開發(fā)了高速穿梭艇系列復(fù)合船型，目前已發(fā)展出單體、雙體和三體船型。［方法］介紹高速穿梭艇系列船型的新進(jìn)展和船型設(shè)計(jì)特點(diǎn)，并通過數(shù)值水池實(shí)驗(yàn)對(duì)高速穿梭艇系列船型在靜水中的直航性能進(jìn)行研究。數(shù)值水池通過求解URANS方程和采用重疊網(wǎng)格技術(shù)來預(yù)報(bào)船體受力和運(yùn)動(dòng)。［結(jié)果］數(shù)值水池實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高速穿梭艇系列船型具有優(yōu)良的快速性和航行姿態(tài)，船體興波和飛濺隨船型的不同而有所差異。［結(jié)論］展示了多種創(chuàng)新的船舶設(shè)計(jì)方案，可為研究人員提供定量和定性的參考。

高速穿梭艇；船型開發(fā)；高性能船舶；直航性能；數(shù)值仿真

0 引 言

高性能船舶的發(fā)展圍繞著不斷提高快速性和耐波性展開。自上世紀(jì)40年代開始，出現(xiàn)了多種經(jīng)典的高性能船型，其中的典型代表有水翼艇、氣墊船、深V型船、滑行艇、多體船、穿浪雙體船、槽道滑行艇、小水線面雙體船等，大體上可以分為雙（多）體船型、動(dòng)力增升船型和復(fù)合式船型。這些船型的出現(xiàn)促進(jìn)了艦船的發(fā)展，在船舶發(fā)展史上占有重要的位置。包括上海交通大學(xué)在內(nèi)的眾多科研機(jī)構(gòu)正致力于開發(fā)更多高性能船舶以滿足各領(lǐng)域的需求。

高速穿梭艇（High speed shuttle vessel of SJTU，SV-SJTU）是上海交通大學(xué)開發(fā)的高速高耐波系列船型，屬于中小型快艇，目前已發(fā)展出高速穿梭艇單體船型（High speed monohull shuttle vessel of SJTU，SV-SJTU-M）、高速穿梭艇雙體船型（High speed catamaran shuttle vessel of SJTU，SV-SJTU-C）和高速穿梭艇三體船型（High speed trimaran shuttle vessel of SJTU，SV-SJTU-T）。高速穿梭艇屬于復(fù)合船型，設(shè)計(jì)上吸收了多種船型的特點(diǎn)。例如：高速穿梭艇單體船型融合了穿浪船型、深V船型、滑行（半滑行）船型的船型特征；雙體船型融合了雙體滑行艇、雙體穿浪船、單體穿浪船的船型特征；三體船型融合了穿浪船型、深V船型、滑行（半滑行）船型、三體船型的船型特征。不同的船型方案具有不同的靜水力和水動(dòng)力特性。穿梭艇追求船體良好的快速性、耐波性和良好的航行姿態(tài)，并兼顧船體的隱身特性。高速穿梭艇船型設(shè)計(jì)家族化，船型方案具有繼承性，造型設(shè)計(jì)臉譜化。

本文是高速穿梭艇系列船型研究中的一部分。擬介紹高速穿梭艇不同系列船型的最新研究進(jìn)展和船型設(shè)計(jì)特點(diǎn)，并基于數(shù)值水池實(shí)驗(yàn)對(duì)高速穿梭艇系列船型靜水中的直航性能進(jìn)行研究，揭示不同穿梭艇船型靜水中的船體直航水動(dòng)力特性。本文將展示和對(duì)比多種形式高性能船舶的船型設(shè)計(jì)和水動(dòng)力特點(diǎn)，以便為研究人員提供定量和定性的參考。

1 穿梭艇系列船型介紹

高速穿梭艇屬于中小型快艇，其主要設(shè)計(jì)思想為：采取適當(dāng)設(shè)計(jì)，在獲得良好的縱向姿態(tài)的前提下獲得船體平穩(wěn)抬升，減小船體靜水阻力；采取適當(dāng)設(shè)計(jì)，保證良好的船體破浪姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)波浪中的緩和運(yùn)動(dòng)和優(yōu)良的快速性。高速穿梭艇在單體船型的基礎(chǔ)上，吸收新的船型特征，衍生出了雙體、三體船型。雙體和三體船型相比單體船型，船型特征既有繼承性又融合了新的設(shè)計(jì)元素。表1為穿梭艇典型參考方案的部分船體主尺度。

1.1 高速穿梭艇單體船型

高速穿梭艇單體船型最先得到開發(fā)，先后進(jìn)行了概念設(shè)計(jì)［1］和船型特征研究［2］。圖1所示為2個(gè)早期的高速穿梭艇單體船型原型設(shè)計(jì)。在原型設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開發(fā)了新一代高速穿梭艇單體船型。原型方案主船體采用多折角式設(shè)計(jì)，新一代的高速穿梭艇單體船型包括尖舭（Hard chine）方案和圓舭（Soft chine）方案。圖2所示為單體船型的船體輪廓和3D渲染圖。

新一代高速穿梭艇單體船型融合了穿浪船型、深V船型、滑行（半滑行）船型的船型特點(diǎn)。

穿梭艇單體船型尖舭方案使用瘦削的穿浪船艏設(shè)計(jì)，以減小波浪對(duì)船體的擾動(dòng)，減小波浪砰擊、船體加速度和波浪中的阻力。干舷和船艏內(nèi)傾，具有隱身特性。船艏和上層建筑采用一體融合式設(shè)計(jì)，以減小波浪的砰擊。主船體水下部分采用深V型設(shè)計(jì)。艇艏相對(duì)尖削的快艇在高速時(shí)艏部常常會(huì)插入波浪之中導(dǎo)致“失速”，通常采用加高船艏干舷和增加船艏外飄來克服，但穿浪船艏比較瘦削，不能采用該設(shè)計(jì)。折角型艇與波浪遭遇時(shí)，艇艏迅速抬起，可改善船體埋入波浪的現(xiàn)象，中和瘦削穿浪船艏帶來的一些不利影響。為了兼顧水動(dòng)力和耐波性的要求，將底部橫向斜升角沿船長(zhǎng)方向變化，使滑行面發(fā)生扭曲，艇體前部有較大的橫向斜升，從而減小波浪的拍擊。船底橫向斜升角較小可以獲得較大的虛長(zhǎng)度和動(dòng)升力，適合航速高、排水量小的快艇，同時(shí)有利于布置噴水推進(jìn)器。艏部舭龍骨采用下沉式設(shè)計(jì)，吃水由艉部向船艏線性加深，形成流暢的船體，并保證船體始終有足夠的浸濕長(zhǎng)度。艉部采用方艉設(shè)計(jì)。船體在中部向船艉收縮，以減小船體剩余阻力。新一代高速穿梭艇吸收了前期半滑行穿浪船和壓浪干舷［3］等研究成果，利用壓浪干舷來控制船體淹濕、增加船體儲(chǔ)備浮力和動(dòng)穩(wěn)性，通過干舷折角設(shè)計(jì)來彌補(bǔ)因干舷內(nèi)傾帶來的容積損失。通過以上措施，快艇在很小的艉傾角下能夠獲得平穩(wěn)的抬升，減小船體濕表面積，減小船體阻力，提高靜水中的快速性，同時(shí)可避免船底暴露于空氣和波浪中，保證船體良好的縱向姿態(tài)來使快艇順利切開波浪，提高耐波性。

穿梭艇單體船型圓舭方案是由尖舭方案衍生而來，將尖舭船型船底舭部倒角，主要目的是兼顧中低速段的船體阻力。船底曲面采用凸殼式設(shè)計(jì)（橫剖面曲線向船外凸出）可增加船體強(qiáng)度，如圖2（b）所示。

1.2 高速穿梭艇雙體船型

高速穿梭艇雙體船型繼承了新一代高速穿梭艇單體船型的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，并融合了高速雙體滑行艇、高速雙體穿浪船的船型特征，是一種創(chuàng)新的復(fù)合船型，如圖3所示。

該船型以高速穿梭艇單體船型尖舭方案為母型船，將主船體從中縱剖面處分開形成雙體式設(shè)計(jì)，中間加以連接橋連接。船型設(shè)計(jì)同高速雙體槽道滑行艇有一定的相似性，但也存在明顯的差別。同競(jìng)速雙體滑行艇相比，高速穿梭艇雙體船型移除了前段的連接橋，并將上層建筑修改為流線型，連接橋底部設(shè)計(jì)有分水舯來減小波浪中的船體運(yùn)動(dòng)和砰擊。不同于傳統(tǒng)高速槽道滑行艇利用槽道提供動(dòng)升力，雙體高速穿梭艇將槽道加寬加深，減小和避免了波浪對(duì)連接橋的砰擊。高速穿梭艇雙體船型艏部采用穿浪設(shè)計(jì)，以減小波浪對(duì)船體的擾動(dòng)，上層建筑采用流線型設(shè)計(jì)以便上浪緩和地流過船體。同單體船型相比，雙體船型修改了舭部折角的設(shè)計(jì)，外側(cè)干舷沒有采用壓浪式設(shè)計(jì)，但為了控制槽道內(nèi)的船體淹濕和上浪，內(nèi)部干舷采用了壓浪式設(shè)計(jì)。與單體船型相比，雙體高速穿梭艇甲板面積增加，初穩(wěn)性增加顯著（表1）。同時(shí)，由片體距中縱剖面的距離更遠(yuǎn)所帶來的橫傾回復(fù)力矩的增加可知，雙體船型的動(dòng)穩(wěn)性必將有所增加，但雙體船型的船體初始濕表面積也有所增加。

1.3 高速穿梭艇三體船型

研究人員對(duì)三體船研究后認(rèn)為：三體船主體細(xì)長(zhǎng)，當(dāng)長(zhǎng)寬比大約在12～18之間時(shí)既能有效降低高速航行時(shí)的興波阻力又不會(huì)由于增加太大的濕表面積而導(dǎo)致摩擦阻力增加；但主體細(xì)長(zhǎng)會(huì)損失一定的初穩(wěn)性，故需要增加左右對(duì)稱的片體。片體排水量不超過主體的10%，其主要作用是彌補(bǔ)初穩(wěn)性損失，增加橫搖阻尼，改善耐波性。但這些結(jié)論多是針對(duì)大型三體船。即使是高速三體船，其對(duì)應(yīng)的傅汝德數(shù)也要小于快艇的傅汝德數(shù)。因此，上述結(jié)論是否適用于高速快艇還有待驗(yàn)證，這里僅作為設(shè)計(jì)參考。

高速穿梭艇三體船型由單體船型衍生而來，以單體船型為母型船衍生出主船體，并在船體兩側(cè)增加片體來提高船體穩(wěn)性。主船體是由單體船型沿船長(zhǎng)方向拉伸1.5倍而來，并進(jìn)行了局部修改，目的在于利用細(xì)長(zhǎng)體的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步改善航行姿態(tài)、穿浪能力和耐波性。主船體水線處長(zhǎng)寬比約為9.4。未采用更大的長(zhǎng)寬比是考慮到高速快艇體積和總體布置的限制，過分細(xì)長(zhǎng)的船體并不合適。對(duì)應(yīng)于單體船型的尖舭和圓舭方案，主船體分別設(shè)計(jì)了尖舭和圓舭方案。尖舭主船體相比于尖舭單體船型，其底部橫剖面形狀做了一定的修改。如圖4所示，橫剖線外側(cè)折角由原直線平行式設(shè)計(jì)改為了圓弧式設(shè)計(jì)以減小船體飛濺，折角區(qū)域進(jìn)一步向前延伸。

高速穿梭艇三體船型片體采用對(duì)稱割劃式設(shè)計(jì)來減小阻力、提供橫搖和橫蕩阻尼力，并采用類似壓浪干舷的設(shè)計(jì)來限制高速時(shí)的船體上浪和淹濕。

通常有2種方式來安排片體和主船體的橫向位置。第1種是通過大量的優(yōu)化計(jì)算尋找片體和主船體能夠形成有利興波干擾的方案，這是學(xué)者通常比較感興趣的學(xué)術(shù)研究?jī)?nèi)容；第2種是將片體遠(yuǎn)離主船體，避免片體和主船體之間發(fā)生干擾。文獻(xiàn)［4］認(rèn)為，在高傅汝德數(shù)區(qū)域片體前置會(huì)減小船體阻力。作者在研究過程中發(fā)現(xiàn)，在高速下，如果片體離主船體過近，會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的堵水現(xiàn)象，船體阻力也會(huì)隨之增加。本文認(rèn)為，片體前置使其處于主船體的興波范圍之外所帶來的流暢的船體周圍流場(chǎng)是阻力減小的主要原因之一。高速穿梭艇三體船型將片體遠(yuǎn)離主船體，使片體處在船體興波和飛濺的劇烈區(qū)域之外。該措施在避免主船體和片體發(fā)生干擾及高速下堵水現(xiàn)象的同時(shí)，也進(jìn)一步改善了船體的穩(wěn)性和橫搖。

文獻(xiàn)［5］指出，三體船側(cè)體縱向位置位于主船體中部略向后一點(diǎn)時(shí)，在大部分航速下耐波性能比較好。根據(jù)文獻(xiàn)［5］中的相關(guān)結(jié)論及作者的研究經(jīng)驗(yàn)，將左右對(duì)稱的片體設(shè)置在船體中部，片體浮心和主船體浮心在船長(zhǎng)方向上的位置相同，而并未采用許多三體船片體后置的設(shè)計(jì)。船體布局也參考了高速戰(zhàn)機(jī)的布置。

因此，從阻力出發(fā)，三體船型采用片體遠(yuǎn)離主船體和主船體興波的措施；從耐波性出發(fā)，三體船型將片體放置在船體中后部，并將主船體的浮心和片體的浮心進(jìn)行了在船長(zhǎng)方向上的坐標(biāo)對(duì)齊處理。

2 穿梭艇直航性能研究

高速穿梭艇直航性能研究基于數(shù)值水池實(shí)驗(yàn)完成。為了完成本次研究，論文主要基于CFD，通過求解URANS方程來研究高速穿梭艇直航水動(dòng)力特征。隨著技術(shù)和學(xué)術(shù)的積累，數(shù)值計(jì)算的精度和可靠性得到很大的提升，在科學(xué)研究和工程應(yīng)用上得到了越來越廣泛的使用和認(rèn)可［6］，成為除模型實(shí)驗(yàn)外船型優(yōu)化設(shè)計(jì)非常有效的手段。當(dāng)傅汝德數(shù)較高時(shí)，船體存在著較大的縱向和垂向耦合運(yùn)動(dòng)。因此，在數(shù)值計(jì)算中為了更準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)船體性能，需要考慮船舶航行運(yùn)動(dòng)改變對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果帶來的影響。獲取和模擬船體運(yùn)動(dòng)最有效的方法為使用動(dòng)網(wǎng)格。為方便對(duì)比，所有船型均縮尺為具有近似尺度和船體重量的模型。高速穿梭艇系列船型直航性能研究基于模型尺度進(jìn)行。計(jì)算所用模型的簡(jiǎn)略主尺度如表2所示。

2.1 計(jì)算方法及驗(yàn)證

通過使用CAD建模和CFD技術(shù)搭建了數(shù)值水池。使用重疊網(wǎng)格技術(shù)和六自由度模型來模擬和預(yù)報(bào)船體運(yùn)動(dòng)，背景網(wǎng)格使用切割體網(wǎng)格來控制網(wǎng)格密度，減小網(wǎng)格數(shù)量和提高網(wǎng)格的分層性與正交性；隨體網(wǎng)格使用了通過合理布置而獲得良好分層性和正交性的多面體網(wǎng)格。合理布置網(wǎng)格密度及改善網(wǎng)格的正交性和分層性對(duì)消除自由面鋸齒現(xiàn)象及捕捉興波與飛濺非常關(guān)鍵［7］。文獻(xiàn)［7］中的圖7～圖10對(duì)此進(jìn)行了形象的表述。在利用CFD進(jìn)行相關(guān)研究時(shí)，通常需要預(yù)先進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證計(jì)算。研究人員進(jìn)行了很多的網(wǎng)格獨(dú)立性研究，研究點(diǎn)主要集中于網(wǎng)格單元數(shù)量對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的影響。由文獻(xiàn)［8］可知，當(dāng)網(wǎng)格單元數(shù)量超過150萬時(shí)，其對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響就很小了。但是，網(wǎng)格對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響不僅來自于網(wǎng)格單元數(shù)量。比如，在網(wǎng)格單元數(shù)量足夠的前提下，網(wǎng)格單元的分布、近壁面網(wǎng)格的劃分和壁面函數(shù)的選擇對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響也非常顯著。嚴(yán)格的網(wǎng)格獨(dú)立性研究是非常巨大的工程。為解決網(wǎng)格獨(dú)立性分析問題，作者參考相關(guān)研究結(jié)果直接填充了足夠數(shù)量的網(wǎng)格單元，網(wǎng)格單元數(shù)量大于200萬，根據(jù)預(yù)計(jì)算合理地分布網(wǎng)格密度，并進(jìn)行了y+對(duì)計(jì)算結(jié)果影響的研究。高y+壁面函數(shù)配合較為粗糙的近壁面網(wǎng)格具有足夠的精度。對(duì)壁面函數(shù)的選擇除了依據(jù)作者自己的驗(yàn)證計(jì)算外，文獻(xiàn)［9］也提供了對(duì)壁面函數(shù)選擇的參考。計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展使網(wǎng)格單元數(shù)量不再成為限制數(shù)值仿真計(jì)算的瓶頸。而且較少數(shù)量的網(wǎng)格單元也不能很好地捕捉船體飛濺?；谏鲜鲈?，作者沒有進(jìn)行專門的網(wǎng)格獨(dú)立性計(jì)算驗(yàn)證，而是參考已有的研究成果和網(wǎng)格劃分經(jīng)驗(yàn)，一次性填充足夠的網(wǎng)格單元，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行了保守處理。本部分研究所用到的網(wǎng)格單元數(shù)量在200萬～280萬左右，滿足計(jì)算精度對(duì)網(wǎng)格單元數(shù)量的要求。

求解非穩(wěn)態(tài)RANS方程時(shí)選用結(jié)合了k-ω和k-ε湍流模型特點(diǎn)的SST k-ω［10］湍流模型。研究使用流體體積（Volume ofFluid，VOF）模型捕捉自由面。

為進(jìn)一步驗(yàn)證計(jì)算精度及保證計(jì)算結(jié)果的可靠性，本文對(duì)數(shù)值仿真計(jì)算方法進(jìn)行了水池實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該部分研究使用文獻(xiàn)［11］中公開的NACA滑行楔形體和文獻(xiàn)［12］中公開的滑行艇幾何模型及相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)置與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。限于文章篇幅，本節(jié)主要展示基于文獻(xiàn)［12］中的滑行艇的驗(yàn)證結(jié)果，并簡(jiǎn)要介紹基于文獻(xiàn)［11］中的滑行楔形體的驗(yàn)證結(jié)果。文獻(xiàn)［12］中滑行艇的幾何輪廓如圖5所示，模型幾何尺寸如表3所示?；谖墨I(xiàn)［12］中滑行艇的數(shù)值仿真計(jì)算采用自由模式，釋放垂蕩和縱搖2個(gè)自由度；基于NACA滑行楔形體的數(shù)值仿真計(jì)算采用固定模式。計(jì)算設(shè)置、計(jì)算域和網(wǎng)格劃分如圖6所示。

文獻(xiàn)［11］中的滑行楔形體的水池實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的升力平均相對(duì)誤差為3%，最大相對(duì)誤差為8%；測(cè)得的阻力平均相對(duì)誤差為20%，最大相對(duì)誤差為50%。本文基于NACA滑行楔形體的驗(yàn)證計(jì)算的升力誤差平均為5.11%，與實(shí)驗(yàn)值3%的固有平均誤差相比稍微偏大，但誤差均小于最大相對(duì)誤差；而阻力計(jì)算誤差（平均為6.15%）則遠(yuǎn)小于其20%的參考值。文獻(xiàn)［13］和文獻(xiàn)［14］也基于NACA滑行楔形體進(jìn)行了CFD計(jì)算精度的驗(yàn)證，得出了數(shù)值仿真計(jì)算在滑行艇性能預(yù)報(bào)上具有足夠精度的結(jié)論。文獻(xiàn)［13］中阻力最大誤差為20.28%，平均誤差為10.06%；文獻(xiàn)［14］中阻力最大誤差為13.26%，平均誤差為9.65%。與文獻(xiàn)［13］和文獻(xiàn)［14］的計(jì)算結(jié)果相比，本文采用的數(shù)值仿真方法的阻力預(yù)報(bào)精度稍高，而升力預(yù)報(bào)的誤差則稍微偏大。

由圖7可以看出，基于文獻(xiàn)［12］中公開的滑行艇數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果（CFD）和實(shí)驗(yàn)結(jié)果（EXP）在大小和變化趨勢(shì)上符合得很好。計(jì)算所得阻力的平均相對(duì)誤差為8.98%，最大相對(duì)誤差為14.57%。由數(shù)值水池實(shí)驗(yàn)得到的艉傾角與實(shí)驗(yàn)值相比略微偏大，但最大偏差僅為0.45°。若對(duì)參考文獻(xiàn)［12］中升沉值小數(shù)點(diǎn)后的位數(shù)進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算值的舍入處理，船體升沉計(jì)算值幾乎和實(shí)驗(yàn)值吻合。由于文獻(xiàn)［11］只給出了船體型線圖，沒有給出船體型值表，考慮到CAD逆向建模的誤差，計(jì)算所用的模型與其實(shí)驗(yàn)所用模型存在一定誤差，再考慮到物理模型、網(wǎng)格離散產(chǎn)生的誤差，可以認(rèn)為本文研究所采用的方法對(duì)阻力和運(yùn)動(dòng)的數(shù)值預(yù)報(bào)精度滿足工程需要。

同時(shí)，考慮基于兩個(gè)模型的驗(yàn)證結(jié)果，并對(duì)比文獻(xiàn)［13］和文獻(xiàn)［14］中NACA滑行楔形體水動(dòng)力預(yù)報(bào)的計(jì)算誤差，可以認(rèn)為本文中數(shù)值水池對(duì)船體阻力的預(yù)報(bào)達(dá)到了很高的精度。因此，可以在同一網(wǎng)格和計(jì)算設(shè)置的前提下進(jìn)行船型水動(dòng)力性能預(yù)報(bào)和對(duì)比。

2.2 穿梭艇系列船型船體阻力

本節(jié)展示和對(duì)比高速穿梭艇不同船型的靜水阻力，并分析不同船型的阻力成分，如圖8所示。文獻(xiàn)［15］中公開了M型船（M-HULL）的阻力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。由于其模型重量和尺度與本研究中所用的模型重量和尺度相近，故被用作對(duì)比船型。M型船是美國(guó)M船舶公司（M Ship Company）研發(fā)的新型高性能多用途船型，在快速性、隱身性等方面獨(dú)具特色。

如圖8所示，采用圓舭設(shè)計(jì)的穿梭艇單體船型和三體船型在低速段的總阻力較小（低速段是相對(duì)于小型高速快艇而言，對(duì)于大型船舶，本文中的傅汝德數(shù)區(qū)間位于高速及超高速段）。在高速段，穿梭艇單體系列船型阻力最小，三體系列阻力最大。當(dāng)體積傅汝德數(shù)F▽=5.5時(shí)，阻力大小從高到低依次為 SV-SJTU-M（Hard chine），SVSJTU-M（Soft chine），SV-SJTU-C，SV-SJTU-T（Hard chine），SV-SJTU-T（Soft chine）。尖舭船體方案的阻力在高速段表現(xiàn)出了較大的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)F▽=5.5時(shí)，SV-SJTU-M（Hard chine）的阻力比SV-SJTU-M（Soft chine）減小了7.1%，SV-SJTU-T（Hard chine）的阻力比SV-SJTU-T（Soft chine）減小了11.4%。與M型船相比，高速穿梭艇系列船型在所計(jì)算的航速段均具有更小的船體阻力。

由圖8可知，摩擦阻力是高速穿梭艇阻力的主要組成部分。以F▽=5.5為例，摩擦阻力占總阻力的77%～87%。剩余阻力隨速度的變化遠(yuǎn)沒有摩擦阻力劇烈，且并未一直隨速度的增加而增加。對(duì)比5種穿梭艇船型阻力及其成分可知，采用細(xì)長(zhǎng)設(shè)計(jì)的三體穿梭艇的剩余阻力較小，但摩擦阻力較大。雙體船型和三體船型與單體船型相比，阻力增加是由于摩擦阻力增加所導(dǎo)致，而摩擦阻力增加是由于雙體船型和三體船型較單體船型濕表面積增加所致。

2.3 穿梭艇系列船型船體航行姿態(tài)

航行姿態(tài)是穿梭艇設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)控制的參數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明，文中涉及的多種船型的航行姿態(tài)均達(dá)到了在利用設(shè)計(jì)獲得良好縱向姿態(tài)的前提下船體獲得平穩(wěn)抬升的設(shè)計(jì)目標(biāo)（圖9），保證了船體在破波時(shí)能夠使用船艏順利地穿透波浪而不會(huì)用船底面沖擊波面。穿梭艇系列船型在全航速段的艉傾均很小，最大艉傾不超過3°。總體上，三體船型由于船體比較細(xì)長(zhǎng)，其船體抬升和艉傾值均小于單體船型。高速穿梭艇系列船型的艉傾角變化趨勢(shì)與滑行艇和M型船不同。如圖9所示，穿梭艇并沒有在低速段出現(xiàn)艉傾峰值，峰值向高速段偏移。三體船型需要更高的航速達(dá)到峰值，在本文的速度范圍內(nèi)沒有出現(xiàn)艉傾峰值。

2.4 穿梭艇系列船型的船體淹濕和興波

圖10示出了F▽=3.3及F▽=5.5時(shí)穿梭艇系列船型的船體淹濕分布。圖10中藍(lán)色區(qū)域代表船體濕表面。由于船型之間幾何特征的繼承和衍生關(guān)系，不同穿梭艇船型之間的船體淹濕表現(xiàn)出了相似性和差異性。由圖10可知，穿梭艇均提供了足夠的浸濕長(zhǎng)度來保證耐波性的需求。尖舭方案和圓舭方案在船體淹濕上表現(xiàn)出了差異。在F▽=3.3時(shí)，船體還未獲得充分的抬升，此時(shí)壓浪干舷發(fā)揮作用，將船體淹濕限制在了壓浪干舷折角線以下；在F▽=5.5時(shí)，船體獲得充分的抬升，尖舭式設(shè)計(jì)使船體淹濕控制在舭部折角線以下，而圓舭船體的船體淹濕仍控制在壓浪干舷折角線以下。雙體船型和三體船型由于其艉傾角小于單體船型，故其舭龍骨浸沒比例要大。

由于穿梭艇系列船型之間的船型特征差異，其飛濺和興波也存在一定的差異，如圖11所示。

對(duì)于穿梭艇單體船型圓舭方案，飛濺是由壓浪干舷壓制船體上浪產(chǎn)生的。對(duì)于穿梭艇單體船型尖舭方案，在F▽=3.3時(shí)，飛濺是由舭部折角線和壓浪干舷壓制船體上浪產(chǎn)生的，在F▽=5.5時(shí)，飛濺是由舭部折角線產(chǎn)生的。在F▽=3.3時(shí)，飛濺分布在穿梭艇單體船型船長(zhǎng)范圍內(nèi)；隨著航速的提高，興波向船中后部發(fā)展，此時(shí)飛濺分布在船體中后部。

由于未采用壓浪干舷設(shè)計(jì)，穿梭艇雙體船型的飛濺是由舭部的折角產(chǎn)生的。其飛濺特征同穿梭艇單體船型尖舭方案類似。在F▽=3.3時(shí)，飛濺分布在船長(zhǎng)范圍內(nèi)；隨著航速的提高，興波向船中后部發(fā)展，此時(shí)飛濺分布在船體中后部。觀察槽道內(nèi)的興波可知，槽道內(nèi)的自由面很平坦，槽道內(nèi)流場(chǎng)基本未受到片體的影響。與單體船型不同，雙體船型在船尾處有兩股雞尾流并在船尾遠(yuǎn)場(chǎng)處合并成一股。

與單體船型和雙體船型不同，2種三體船型在F▽=3.3時(shí)船體上浪和飛濺很小，壓浪干舷沒有發(fā)揮有效的作用。隨著航速的提高，飛濺開始出現(xiàn)。與單體船型相似，在F▽=5.5時(shí)，對(duì)于穿梭艇三體船型圓舭方案，飛濺是由壓浪干舷壓制船體上浪產(chǎn)生的；對(duì)于穿梭艇三體船型尖舭方案，飛濺是由舭部折角線產(chǎn)生的。觀察圖11可知，片體處于主船體興波和飛濺區(qū)域之外，片體和主船體之間沒有發(fā)生堵水現(xiàn)象。采用割劃式設(shè)計(jì)的片體對(duì)其周圍流場(chǎng)擾動(dòng)非常小，片體的興波非常小。由于片體的興波微小，因此三體船型尾部興波主要是由主船體造成，故其雞尾流特征同單體船型類似。

3 結(jié) 論

作為高速穿梭艇系列船型研究的一部分，本文介紹了穿梭艇系列船型的船型設(shè)計(jì)特點(diǎn)并通過數(shù)值水池實(shí)驗(yàn)研究了系列船型靜水中的直航水動(dòng)力特性。通過以上研究，得到以下主要結(jié)論。

1）穿梭艇系列船型達(dá)到了在保證船體良好航行姿態(tài)的前提下具有優(yōu)良的快速性的設(shè)計(jì)初衷。

2）由單體船型衍生出來的雙體船型和三體船型相比于母型船，其橫穩(wěn)性得到了很大提升，橫搖也將得到進(jìn)一步的改善。

3）相比于穿梭艇雙體船型和三體船型，單體船型在高速段具有阻力小的優(yōu)勢(shì)。穿梭艇雙體船型和三體船型的阻力增加是由濕表面積增加帶來的船體摩擦阻力增加所致。尖舭船型在高速段其阻力要小于圓舭船型，但在低速段阻力要大于圓舭船型。

4）穿梭艇單體船型興波與穿梭艇雙體船型興波特征存在較大的差異；由于采用割劃式設(shè)計(jì)的片體興波微小，三體船型尾部興波主要由主船體造成，故其雞尾流特征同單體船型類似。

5）穿梭艇尖舭船型飛濺與圓舭船型飛濺產(chǎn)生的原因不同，尖舭船型的飛濺主要是由舭部折角產(chǎn)生，而圓舭船型的飛濺是由壓浪干舷產(chǎn)生。不同于單體和雙體船型，細(xì)長(zhǎng)的三體船型需要更高的航速才會(huì)產(chǎn)生劇烈的飛濺。

更多的技術(shù)（如船體斷階、氣泡減阻、可調(diào)式壓浪干舷等）還有待在穿梭艇上進(jìn)行嘗試，穿梭艇系列船型的其他水動(dòng)力性能（如耐波性、波浪中的穩(wěn)性和橫搖、操作性系數(shù)等）還有待研究、整理和發(fā)布，這些工作將在不久以后完成。

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Hull forms and straight forward CFD free running trials of high-speed shuttle vessels

WEI Chengzhu1，2，YI Hong1，2，LI Yinghui1
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 200240，China

SV-SJTU high-speed shuttle vessels are developed by Shanghai Jiao Tong University for fine seakeeping and high speed purposes.A series of SV-SJTUs have been developed,and are introduced in this paper.Straight forward CFD free running trials were conducted and the results are also presented.Hull resistance and motions are predicted by solving URANS equations and adopting the overset mesh method. The results of the straight forward CFD free running trials prove that SV-SJTUs have little resistance and fine hull motion in calm water,and their wave-making and splashing differ with different hull forms.This paper presents the designs of a variety of high performance ships,thereby providing quantitative and quali?tative references for researchers.

high-speed shuttle vessel；hull form development；high-performance ships；straight forward CFD free running trials；numerical simulations

U661.3，U662.2

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.02.002

http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20170313.1617.034.html

魏成柱，易宏，李英輝.新概念高速穿梭艇系列船型及其直航性能［J］.中國(guó)艦船研究，2017，12（2）：12-21.

WEI C Z，YI H，LI Y H.Hull forms and straight forward CFD free running trials of high-speed shuttle vessels［J］. Chinese Journal of Ship Research，2017，12（2）：12-21.

2016-09-07 < class="emphasis_bold"> 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：

時(shí)間：2017-3-13 16:17

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，博士生。研究方向：新船型開發(fā)，智能水面無人平臺(tái)研發(fā)與數(shù)值仿真計(jì)算。

E-mail：weichengzhu@sjtu.edu.cn

易宏（通信作者），男，1962年生，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：潛器與特種船舶開發(fā)，海上裝置與系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可靠性與人因工程。E-mail：yihong@sjtu.edu.cn

李英輝，男，1973年生，博士，講師。研究方向：新型船舶開發(fā)和數(shù)值計(jì)算

期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com