基于 HydroSTAR 的水翼五體船耐波性優(yōu)化研究

匡培欽，柳存根，汪學鋒，周翀劍

(1. 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240；2. 上海交通大學 船舶與海洋工程國家重點實驗室，上海 200240)

摘 要: 為改善五體船在空載及小搖蕩時的耐波性,論文通過在五體船主船體和片體之間加裝水翼構造水翼五體船，在此基礎上借助耐波性通用軟件 HydroSTAR 對不同水翼攻角水翼五體船及原五體船耐波性計算，并對相關耐波性指標進行對比分析，以此研究水翼五體船的攻角優(yōu)化問題。通過對比研究發(fā)現(xiàn)，水翼五體船的縱搖幅值、橫搖幅值及垂蕩幅值明顯低于五體船，且在低頻波段 NACA4415 翼型水翼五體船最優(yōu)攻角在 10° 左右。

基于 HydroSTAR 的水翼五體船耐波性優(yōu)化研究

匡培欽1,2，柳存根1,2，汪學鋒1,2，周翀劍1,2

(1. 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240；2. 上海交通大學 船舶與海洋工程國家重點實驗室，上海 200240)

摘 要: 為改善五體船在空載及小搖蕩時的耐波性,論文通過在五體船主船體和片體之間加裝水翼構造水翼五體船，在此基礎上借助耐波性通用軟件 HydroSTAR 對不同水翼攻角水翼五體船及原五體船耐波性計算，并對相關耐波性指標進行對比分析，以此研究水翼五體船的攻角優(yōu)化問題。通過對比研究發(fā)現(xiàn)，水翼五體船的縱搖幅值、橫搖幅值及垂蕩幅值明顯低于五體船，且在低頻波段 NACA4415 翼型水翼五體船最優(yōu)攻角在 10° 左右。

水翼；五體船；耐波性

0 引 言

五體船是一種由一個經(jīng)過水動力優(yōu)化處理的細長型主體與前后兩側配備的 4 個提供穩(wěn)性的片體組成的多體船[1-2]，五體船以其在耐波性、適航性、阻力性能及節(jié)能減排方面的優(yōu)秀表現(xiàn)已引起國內外學者的關注[3-5]。但在空載或小搖蕩時由于 2 個前片體在水面之上，則五體船各性能與三體船無異[6]，致使空載耐波性削弱。1981 年美國華盛頓大學的 Calkins 首次提出多體水翼船的概念[7-8]，多體水翼船是水翼船與多體船的融合船型，兼具多體船和水翼船的優(yōu)點，目前國內外學者主要集中在雙體水翼船方面的研究。

本文基于以上兩點，針對水翼五體船進行耐波性優(yōu)化分析。水翼五體船是以五體船為依托，通過在主船體及片體之間加裝水翼構造而得的復合型五體船，靜浮時前水翼橫向傾斜半出水，后水翼橫向水平下潛水中。本文借助耐波性通用軟件 HydroSTAR 計算在波浪中的縱搖、垂蕩、橫搖等運動，研究加裝不同攻角水翼對五體船耐波性改善情況。

1 耐波性計算方程

1.1 縱搖、垂蕩耦合運動方程

船舶在波浪作用下，沿 z 軸的往復運動為垂蕩，繞 y 軸的往復轉動便是縱搖。垂蕩的運動情況可以用縱向位移 z、縱向位移速度及縱向位移加速度¨ 體現(xiàn)，縱搖的運動情況可以用縱搖角度 θ、縱搖角速度θ˙及縱搖角加速度體現(xiàn)。

根據(jù)切片法思想，某處垂向相對位置：

式中：X 為縱向位置；θ 為縱搖角。等效波面方程為：

則可得切片所受流體動力如下：

流體靜力

興波阻力

附加慣性力

式中：NH為阻尼系數(shù)；MH為附加質量；V 為船速。

沿船長積分可得垂蕩力及縱搖力矩：

根據(jù)牛頓第二定律可得船體垂蕩和縱搖運動方程：

式中：D 為排水量；IYY為縱向慣性矩。

1.2 橫搖運動方程

在波浪作用下，船體會繞 x 軸往復轉動，這種轉動便是橫搖。橫搖的運動情況可以用橫搖角度 φ、橫搖角速度˙ 及橫搖角加速度來體現(xiàn)，并規(guī)定從船尾向船首看時，順時針方向為正，逆時針方向為負。根據(jù)牛頓第二運動定律，可以得到船舶平衡條件方程：

式中：I’xx為總慣性矩；φ 為橫搖角；am為有效波傾角；D 為排水量；N 為橫搖阻尼力矩系數(shù)；h 為初穩(wěn)性高。

由 am=am0sinωt ，可將平衡條件方程改寫為：

將上式各項均除以 I’xx，并引入新符號：

可得橫搖運動方程：

2 耐波性計算

2.1 計算軟件說明

本文采用挪威船級社 BV 的 HydroSTAR 水動力分析軟件進行垂蕩、縱搖、橫搖的分析計算。Hydro-STAR 軟件基于三維勢流理論，能夠在有限水深或無限水深的環(huán)境條件下對單個或多個船體及海洋結構物的波浪載荷及波浪誘導運動進行完整的求解。通過將HydroSTAR 計算所得 Wigley 單體船的垂蕩及縱搖響應幅值算子與 Wigley 船體模型試驗結果對比，發(fā)現(xiàn) HydroSTAR 的計算結果與試驗值相吻合[9]，用 Hydro-STAR 軟件對耐波性進行分析計算比較可靠。

2.2 模型參數(shù)

本文研究重點為加裝不同攻角水翼對五體船耐波性的改善情況，主船體及片體采用 Wigley 船型，水翼采用 NACA 四位數(shù)字標準翼型。Wigley 船型是國際上通用的一種數(shù)學船型，船型瘦長，符合線性理論小擾動假定[10]，NACA 四位數(shù)字翼型是美國 NACA 最早建立的一個低速翼型系列，有較高的最大升力系數(shù)和較低的阻力系數(shù)，適合用于快速艇水翼[11]。船型參數(shù)及翼型參數(shù)見表 1和表 2。

五體船的側體布局優(yōu)化基本朝同一趨勢發(fā)展，前側體縱向位置基本穩(wěn)定在主船體船中附近，后側體縱向位置則主要集中于主船體尾部，若假定前后側體的橫向坐標一致，則其大致分布于距船中縱剖面 1.5 倍半船寬位置[9]。本文據(jù)此將前側體置于主船體船中稍前位置，后側體置于船尾，前后側體橫向位置一致，位于 1.5 倍船寬處。水翼均置于側體中間部分，用于連接 4 個側體和主船體。后水翼橫向水平，前水翼從前側體向下斜插入水中。具體船型如圖 1和圖 2 所示。

表 1 船型參數(shù)Tab. 1 Parameter of pentamaran

表 2 翼型參數(shù)Tab. 2 Parameter of hydrofoil

2.3 計算設置

本文主要研究加裝不同攻角水翼對五體船耐波性的改善，選擇前水翼出水狀態(tài)進行比較分析，故用小波浪海況進行計算，這里選取有義波高為 1 m 的非規(guī)則波作為計算海況。分別計算迎浪、斜浪和橫浪 3 種浪向下 -2°～14° 范圍內各標的攻角水翼五體船耐波性指標，進行對比分析。分析計算流程如圖 3 所示。

3 計算結果及分析

考慮到前后水翼的升力作用主要對垂蕩、縱搖及橫搖產生影響，下文便從垂蕩、縱搖及橫搖 3 個方面進行參數(shù)化分析。

為了便于不同尺寸模型對比分析，這里分別引入標準化變量垂蕩響應因子 HP、縱搖響應因子 PP和橫搖響應因子 RP：其中：L 為主船體船長，m；H 為垂蕩響應幅值，m；P 為縱搖角度幅值，（°）；R 為橫搖角度幅值，（°）。

3.1 水翼五體船與五體船耐波性對比分析

當相對低速時，NACA4415 翼型的失速攻角為14°，且在 -2°～14° 范圍內升力系數(shù)隨攻角增大而增大[13]，這里選取中值 6° 攻角作為水翼五體船代表與五體船進行耐波性指標對比，計算結果如圖 4 所示。

由圖 4 可看出，對于垂蕩和縱搖，無論在迎浪還是斜浪情況下，水翼五體船響應因子明顯低于五體船，這是由于在垂蕩和縱搖時 2 個前水翼同時增加或減少入水比例，對應增加或減少相對升力指數(shù)，增強回復力，使得垂蕩及縱搖回復性能得到明顯改善。對于橫搖，在高頻波段水翼五體船響應因子明顯低于五體船，但在低中頻波段改善情況不顯著，這可能是由于橫傾時左右水翼出水不一致，導致低頻波周期與船體自身橫搖周期相接近，引起共振效應抵消了水翼帶來的回復力增加值，而高頻波周期遠小于船體橫搖周期，共振效應不明顯，回復力增加減小橫搖幅值?？傮w來說，加裝水翼構造的水翼五體船相對五體船耐波性可以得到明顯提高。

3.2 水翼五體船最優(yōu)攻角分析

據(jù)長周期統(tǒng)計，波浪周期在 11 s 以下的概率為96.17%，其中波浪周期在 7～9 s 范圍內出現(xiàn)頻率最高，可達 35.87%[13]。這里對選取 0.15 rad/s 波浪下為分析對象，進行最優(yōu)攻角分析，計算結果如圖 5 所示。

由圖 5 可看出，在攻角 -2°～14° 范圍內，不同攻角對垂蕩、縱搖和橫搖的影響走勢相同。總體來看，攻角角度較小時隨著攻角的增大各響應幅值呈減小趨勢，但在 10° 以后，隨著攻角的增大，各響應幅值又隨之增加。水翼對耐波性的影響由其產生的升力造成，在 -2°～14° 攻角范圍內升力系數(shù)隨攻角增大而增大[12]，升力系數(shù)增加直接致使水翼升力對耐波性的改善力度增加，垂蕩、縱搖及橫搖時回復力矩增大，響應幅值減??；但 NACA4415 翼型的失速攻角為 14°，在靜浮攻角接近失速角時，隨船舶在波浪中姿態(tài)的改變，實際攻角有可能會超過失速角，致使整體升力期望值下降，對耐波性的改善程度亦會隨之減小。另外，在不同浪向下不同攻角對耐波性的改善情況走勢一致，這是由于水翼所產生的升力變化僅與船舶姿態(tài)及攻角直接相關，而與外部波浪情況相關度不大。綜合來看，計算結果與理論預期相吻合，對于NACA4415 翼型水翼五體船最優(yōu)攻角在 10° 左右。

4 結 語

本文基于 HydroSTAR 軟件通過數(shù)值模擬的方法對比分析了加裝水翼構造水翼五體船對耐波性的改善情況，并通過不同水翼攻角的對比分析得出了NACA4415 翼型水翼五體船最優(yōu)攻角。通過計算分析發(fā)現(xiàn)，加裝水翼可以明顯降低垂蕩、縱搖及橫搖的響應幅值，在低頻波段 NACA4415 翼型水翼五體船最優(yōu)攻角在 10° 左右。

本文是對水翼五體船耐波性優(yōu)化的初步研究，基于經(jīng)典 Wigley 船型及水翼船通用 NACA4415 翼型，對于不同船型及不同翼型的組合最優(yōu)攻角可能會有所差別，對此有待進一步研究。

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Research on seakeeping performance of hydrofoil-pentamaran by HydroSTAR

KUANG Pei-qin1,2, LIU Cun-gen1,2, WANG Xue-feng1,2, ZHOU Chong-jian1,2
(1. Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration, Shanghai 200240, China; 2. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

To improve the seakeeping in small waves and no-load conditions, a new Hydrofoil-Pentamaran with four hydrofoils between main hull and accessory hulls is put forward in the paper. The seakeeping indexes of normal Petamaran and the Hydrofoil-Pentamaran with different hydrofoil angles are analyzed by HydroSTAR software. We can find from the analysis that the pitch, roll, heave will be reduced by the hydrofoil between main hull and accessory hull and the best performance angle of NACA4415 hydrofoil is about 10°.

hydrofoil；pentamaran；seakeeping

U661.32

A

1672 - 7619(2017)02 - 0037 - 05

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2017.02.007

2016 - 05 - 27；

2016 - 06 - 14

國家重點基礎研究發(fā)展計劃資助項目（2013CB036103）

匡培欽(1992 - )，男，碩士研究生，研究方向為五體船性能優(yōu)化。