帶新型冷卻裝置半滑行艇減阻方案探討

莊加海，張懷新，林德群，高雷，文攀

(1.上海交通大學(xué)，上海 200240；2．工程兵科研一所，江蘇 無錫 214035；3．中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 320200)

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帶新型冷卻裝置半滑行艇減阻方案探討

莊加海1,2，張懷新1，林德群2，高雷3，文攀2

(1.上海交通大學(xué)，上海 200240；2．工程兵科研一所，江蘇 無錫 214035；3．中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 320200)

為了降低帶新型冷卻裝置的半滑行艇的阻力，提出在新型冷卻裝置上加半遮擋板、在艇體尾部增加艉壓浪板、楔形塊或攔截器等方案，采用船模試驗方法開展方案對比分析，試驗結(jié)果表明，在新型冷卻裝置上加半遮擋板的減阻效果達(dá)到8%，艉壓浪板和楔形塊的降阻效果達(dá)到15%。

新型冷卻裝置；半滑行艇；船模試驗；阻力

關(guān)于半滑行艇和滑行艇的減阻措施的研究[1]，除了線型優(yōu)化外，針對艇體運動浮態(tài)的研究，如在半滑行艇上加裝艉壓浪板、楔形塊等措施[2-7]的研究比較多，但是對這些減阻措施的對比分析比較少。目前，半滑行艇附體減阻的研究主要集中在防濺條等附體的研究。內(nèi)河小型快艇多采用內(nèi)循環(huán)冷卻系統(tǒng)，艇體水線以下往往會有突出的冷卻水管，突出的水管會增加艇體的阻力，考慮采用的新型冷卻系統(tǒng)是安裝在艇底部中后部的方形凹口內(nèi)，這種做法可以避免附體突出船體，有效降低艇體的阻力，降低冷卻裝置的損壞的幾率，但仍然會帶來較大的阻力。為了減小因增加冷卻裝置而在艇體上開凹口的影響，增加艇體的光順性，提出在凹口上加半遮擋板的方案。半滑行艇在滑行狀態(tài)，艇體會出現(xiàn)較大的艉傾，艇體阻力會增加，通常會采取在艇體艉部增加艉壓浪板、楔形塊或攔截器等方法減小滑行時的艉傾，進而降低艇體滑行時的阻力。針對這3種方法開展試驗，對比分析3種方法的減阻效果，使艇體減阻方案最優(yōu)。

1 半滑行艇的阻力公式

根據(jù)船舶體積弗勞德數(shù)來劃分，船舶可以分成3種，體積弗勞德數(shù)如下式[8]。

(1)

當(dāng)Fr<1時，為排水型船舶；

當(dāng)Fr>3時，為滑行艇船；

當(dāng)1

船舶在滑行狀態(tài)和半滑行狀態(tài)的阻力與排水型船舶的阻力計算不同，通?；袪顟B(tài)和半滑行狀態(tài)船舶的阻力公式可寫成

(2)

式中：Rt為船舶總阻力；Δ為船舶排水量；τ為滑行狀態(tài)的縱傾角；Rf為船舶的摩擦阻力。

艉壓浪板、攔截器或楔形塊等形式的減阻措施主要是調(diào)節(jié)滑行狀態(tài)的縱傾角，減小式(1)中第一項的阻力，進而達(dá)到減阻的目的。但是式(2)并沒有包含附體所引起的漩渦、回流等現(xiàn)場引起的阻力，目前也沒有可靠的理論方法和經(jīng)驗公式來計算，試驗方法是比較可靠的方法。

2 船模試驗

2.1 半滑行艇模型

為能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，就要結(jié)合實際的教學(xué)需要，要能夠真正的了解學(xué)生興趣點，多樣化的途徑運用下激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣點，這是重要基礎(chǔ)，所謂知己知彼才能百戰(zhàn)不殆。教師要和學(xué)生多交流溝通，了解學(xué)生的興趣點后針對性的進行激發(fā)，這樣才能真正有助于促進學(xué)生的學(xué)習(xí)，才能發(fā)揮興趣激發(fā)的作用。

半滑行艇的型線橫剖面圖見圖1。該船型屬于淺V形，底斜升角從船艏向船艉，依次減小，保證較好的耐波性和快速性，該半滑行艇在設(shè)計航速下的Fr為2.49。船模為玻璃鋼材料，縮尺比為1∶4，船長8.5 m、型寬2.6、型深1.3，滿載設(shè)計吃水0.5 m，排水量4.5 t。船模見圖2。

圖1 半滑行艇型線橫剖面示意

圖2 船模外觀

2.2 新型冷卻裝置船模試驗

采用目前比較先進的新型冷卻裝置，該裝置在快艇底部中后部位置開了方形凹口(見圖3)，單個投影面積約0.47 m2，深度40 mm。

圖3 冷卻裝置示意

冷卻裝置增阻的水動力機理主要有：較大的凹坑，產(chǎn)生了很大的漩渦阻力，凹坑內(nèi)的冷卻管路進一步消耗水的動能，增加阻力。針對水動力機理，考慮采用適當(dāng)措施，對漩渦進行“遮斷”，降低漩渦強度；考慮到冷卻裝置在船長方向尺寸大于船寬方向，則漩渦能量圍繞船長方向的漩渦強度超過圍繞船寬方向，因此，考慮從靠近船中向外側(cè)方向進行半遮擋方案，遮蔽面積為一半凹坑開口。不打斷水體凹坑內(nèi)的流動，因此不影響散熱效果，方案見圖4。

圖4 冷卻裝置半遮擋方案

無冷卻裝置方案(無開槽的光順體)和有冷卻裝置無遮擋方案的試驗阻力對比見圖5，從圖5可以看出，阻力在所有航速段都會增加，阻力最高增加36%。凹坑的出現(xiàn)，低速時增加了濕表面積，引起摩擦力增加，高速時凹坑引起的漩渦阻力增加，引起總阻力的增加。

圖5 有、無冷卻裝置的模型阻力對比

有冷卻裝置無遮擋和半遮擋方案的試驗阻力對比見圖6。

圖6 冷卻裝置減阻措施模型試驗驗證

通過圖6可知，在低速區(qū)域阻力有所增加，中高速區(qū)域減阻明顯，最高減阻35%。在低速時，增加的擋板，增加了與水接觸的表面積，摩擦阻力增加，總阻力增加，當(dāng)Fr=1時，航速為14.4 km/h，此時艇體開始滑行，凹坑引起的漩渦阻力開始增大，擋板能夠使水流更光順，有效降低由于凹坑引起的漩渦阻力，因此高速時，半遮擋方案阻力迅速降低。

2.3 水動力減阻措施船模試驗

艉壓浪板是快艇領(lǐng)域常用的一種水動力減阻手段。設(shè)計良好的艉壓浪板能夠在較高航速段通過調(diào)整快艇航行姿態(tài)來降低阻力，較低航速段通過增加艉部“虛長度”，改善艉部流場，某些情況下也能起到一定減阻作用。尾部楔形體安裝在船艉、底部，其形狀從艏向艉逐漸翹起，有一定下壓角。其水動力機理與艉壓浪板類似，即增大船艉底部壓力，調(diào)節(jié)航行姿態(tài)。攔截器近些年來越來越多使用在高速船領(lǐng)域，并且從縱傾角調(diào)節(jié)，逐步擴展功能，增加自控系統(tǒng)和執(zhí)行結(jié)構(gòu)，用以改善高速船的耐波性。本文針對艉壓浪板、攔截器和艉部楔形塊這3種水動力減阻裝置進行船模試驗，3種水動力部件示意于圖7。

艉壓浪板方案延伸長度為3%Lpp，其寬度為200 mm。壓浪板不同角度方案的船模試驗結(jié)果見圖8。由圖8可見，相比艉壓浪板0°方案，下壓角5°和12°這2個方案，在中高速區(qū)域分別獲得了8%和15%的阻力降低比例。

艉部楔形塊方案與壓浪板方案的船模試驗結(jié)果見圖9。艉部楔形板下壓角為12°，其寬度與艉壓浪板一致。與艉壓浪板優(yōu)選角度方案(12°下壓角)相比，2者阻力基本一致，但是航速超過32 km/h之后，艉楔形塊方案阻力將超過壓浪板方案。

攔截器不同伸出長度方案的船模試驗結(jié)果見圖10，在航速30 km/h附近獲得了5%的阻力降低；在低速和高速區(qū)域航速沒有降低，反而有所增加。

圖10 不同攔截器伸出長度方案實艇阻力對比

3 結(jié)論

1)艇體底部開凹口會破壞艇體表面的光順性，引起阻力的增加，通過增加遮擋板的方式最大程度保證艇體的光順，盡可能減小阻力的增加。

2)攔截器方案在低速區(qū)和高速區(qū)阻力增加明顯，航速30 km/h時的減阻效果不大，不適用于排水型艇和滑行艇的減阻。

3)艉壓浪板、楔形塊和攔截器減阻的原理是調(diào)整艇體滑行時的姿態(tài)，降低艉傾，達(dá)到減阻的效果，艉壓浪板和楔形塊沒有破壞艇體的光順性，減阻效果優(yōu)于攔截器。

4)艉壓浪板和楔形塊減阻原理和減阻效果基本一致，在選用時，可根據(jù)具體需要選擇。

5)艉壓浪板、楔形塊和攔截器的角度和長度進一步增加后對艇體阻力的影響，需要開展研究。

[1] 董祖舜. 我國對滑行艇、半滑行艇流體動力性能方面的研究及其進展[J].武漢造船，1995，1(2):1-6.

[2] 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):1209-1215.

[3] 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.

[4] 王文江,宗智,倪少玲，等.半滑行艇阻流板阻力試驗研究[J].中國艦船研究,2012,1(7):18-22.

[5] 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.

[6] Sverre Steen. Experimental investigation of interceptor performance[C]. 9thInternational Conference on Fast Sea Transportation FAST 2007.Shanghai,China:FAST,2007.

[7] BRIZZOLARA S.. Hydrodynamic analysis of interceptors with CFD methods[C]. 7thInternational Conference on Fast Sea Transportation.Naples:FAST,2003.

Model Tests on Resistance Reduction Measures of a Semi-planing Ship with New Style Cooling Device

ZHUANG Jia-hai1,2, ZHANG Huai-xin1, LIN De-qun2, GAO Lei3, WEN Pan2

(1.Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China;2.The First Engineers Scientific Research Institute, Wuxi Jiangsu 214035, China;3.China Ship Science Research Center, Wuxi Jiangsu 320200, China)

In order to reduce the resistance of semi-planing ship with new style cooling device, the resistance reduction measure of half-covering plate on cooling device, spray strip or interceptor or wedge block installed in the stern were applied. Experimental results showed that in the new style cooling device with half-covering plate the drag reduction effect reaches 8%, the resistance reducing effect of spray strip and wedge block to reach 15%, the drag reduction schemes obtained obvious improvement.

new style cooling device; semi-planing ship; ship model test; resistance

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.003

2016-12-19

國家自然科學(xué)基金(11272213；51479116)

莊加海(1979—)，男，碩士，工程師

研究方向：船舶水動力學(xué)

U661.3

A

1671-7953(2017)04-0012-04

修回日期：2016-12-27