尾插板對(duì)滑行艇阻力及縱向穩(wěn)定性影響試驗(yàn)分析

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(海軍工程大學(xué) 艦船工程系，武漢 430033)

尾插板通常是垂直安裝在船艉部的一塊具有很大長(zhǎng)寬比的平板，尾插板可以在船舶航行過程中產(chǎn)生的額外的水動(dòng)升力，能夠一定程度上影響船舶的航行姿態(tài)，進(jìn)而改變船底的壓力分布和尾流場(chǎng)的興波特性[1]，選擇合適的尾插板可以在某些航速范圍內(nèi)降低船舶航行阻力，提高航行效率[2]?；型в捎谄涔I(yè)技術(shù)要求較低，發(fā)展最早，所以是當(dāng)前應(yīng)用最為廣范的高性能船[3]，各式新型滑行艇也層出不窮[4- 6]。由于滑行艇航速快、排水量小、起滑前后運(yùn)動(dòng)姿態(tài)差異大，導(dǎo)致其重心、浮心及動(dòng)升力中心三者關(guān)系變化劇烈，極易發(fā)生縱向失穩(wěn)，也就是“海豚運(yùn)動(dòng)”[7]。這些運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性問題是制約滑行艇進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵因素。目前解決縱向運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的方法一般是調(diào)整重心位置[8]，通過減小初始尾傾來壓制海豚運(yùn)動(dòng)，但是重心縱向位置可調(diào)的范圍通常很小，所以該方法僅對(duì)輕微的縱向失穩(wěn)有一定緩解作用，具有很強(qiáng)的局限性。尾插板通過改變來流攻角能夠有效地調(diào)節(jié)滑行艇運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與其重心的匹配關(guān)系，且安裝簡(jiǎn)單快捷，是目前解決運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性問題最有效的手段之一。過短的尾插板無法有效地調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，而過深的尾插板則會(huì)導(dǎo)致高速下發(fā)生埋首以及起滑效率低下等負(fù)面作用，所以選擇適當(dāng)?shù)奈膊灏迨株P(guān)鍵。鑒于理論計(jì)算[9- 10]及數(shù)值方法[11- 12]尚不成熟，模型試驗(yàn)仍然是正確選擇尾插必不可少的手段。為此，以某高速滑行艇為試驗(yàn)對(duì)象，比對(duì)不同深度的尾插板對(duì)滑行艇運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的影響。

1 船型介紹

1.1 船型主尺度

為保證船模在高航速下能夠有較好的強(qiáng)度，船模使用木質(zhì)結(jié)構(gòu)經(jīng)打磨、噴漆、防漏等一系列工序加工而成，無因次主尺度如表1所示。

表1 模型無因次化尺度

注：B- 模型寬度，m；L- 模型長(zhǎng)度，m；H- 型深，m；d- 模型吃水，m；LCB- 浮心距艏部距離，m。

表2所示為滑行艇排水量與阻力的無因次化。

表2 拖曳模量綱一的量化主要參數(shù)

注：Rm- 阻力，N；Δ- 排水量，kg；▽- 排水體積，m3；Vm- 模型拖曳速度，m/s。

1.2 試驗(yàn)方案

通過自由拖曳試驗(yàn)，測(cè)量該船在一定排水體積下的阻力，縱傾角以及升沉的變化，并對(duì)雞尾和飛濺等現(xiàn)象進(jìn)行觀察，通過調(diào)整尾插板深度來測(cè)得該船的最佳運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和阻力性能。拖曳速度從Fr▽=1.0逐漸增大至Fr▽=7.0，若發(fā)生海豚運(yùn)動(dòng)或者橫向失穩(wěn)則停止試驗(yàn)。試驗(yàn)在中航重工605所的拖曳水池內(nèi)進(jìn)行，模型如圖1所示，試驗(yàn)中尾插板加裝如圖2所示。其中尾插板的深度指在滑行艇斷階處安裝的橫向木條突出模型基面的高度,如圖3黑色區(qū)域的高度即為斷階處尾插板深度。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖2 尾插板安裝

圖3 尾插板深度示意

2 不同尾插板的靜水性能對(duì)比

2.1 單位升阻比對(duì)比

通過調(diào)整安裝在斷階尾封板處的尾插板深度，得出3種不同尾插板配置下該船的單位升阻比的變化。

相同體積弗勞德數(shù)下不同深度的尾插板對(duì)滑行艇的阻力性能的影響見圖4。

圖4 不同深度尾插板阻力無因此對(duì)比

當(dāng)Fr▽>5時(shí)，若不加裝尾插板，模型會(huì)產(chǎn)生縱向失穩(wěn)，也就是海豚運(yùn)動(dòng)，無法采集以后的數(shù)據(jù)，且阻力值相對(duì)較大。加裝尾插板以后，海豚運(yùn)動(dòng)得到明顯解決，整體的阻力曲線呈階梯狀分布，在2.04.5的區(qū)間里1.0 mm深的尾插板的阻力曲線最為平緩，均值相對(duì)于其他深度的尾查板減小幅度接近10%，說明尾插板的使用可以起到較好的減阻作用。

2.2 垂蕩幅值對(duì)比

由圖5可以看出，當(dāng)Fr▽<3.0時(shí)，尾插板深度對(duì)升沉和縱搖的影響較小，當(dāng)Fr▽>3.0以后，尾插板深度對(duì)升沉的影響開始不斷變大，相比于阻力曲線在Fr▽>4.5以后才發(fā)生分離，升沉的變化發(fā)生較晚。1.0 mm深尾插板最終的垂蕩幅值比2.0 mm尾插板的垂蕩幅值要小6.7%左右。

圖5 不同深度尾插板模型升沉對(duì)比

升沉是影響滑行艇在滑行過程中濕表面積大小的重要因素之一，若滑行艇在滑行過程中濕表面積過大，會(huì)導(dǎo)致阻力的增長(zhǎng)。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以認(rèn)為，較短的尾插板可以控制模型的升沉在較小的范圍內(nèi)，進(jìn)而起到減阻的作用。

2.3 縱搖幅值對(duì)比

不同尾插板深度模型縱搖幅值對(duì)比見圖6。

圖6 不同深度尾插板模型縱搖幅值對(duì)比

根據(jù)圖6可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Fr▽=2.5時(shí)，縱搖達(dá)到峰值后迅速減小，有著明顯的越峰過程，符合滑行艇縱搖角變化的一般規(guī)律。深度越深的尾插板縱搖角減小的越快。其中深度為2.0 mm的尾插板在高速狀態(tài)下的縱搖最小甚至達(dá)到了負(fù)值，發(fā)生了埋首現(xiàn)象，說明此時(shí)的模型已無進(jìn)一步向高速?zèng)_擊的潛力。這是因?yàn)檫^深的尾插板擋水面積很大，在高速來流的沖擊下產(chǎn)生了較大的埋首力矩。

滑行過程中縱搖角的變化是影響滑行艇運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的重要因素，每條滑行艇都有著各自的最佳縱搖角，由于船體自身有著多方面設(shè)計(jì)限制，所以僅靠滑行艇自身很難達(dá)到最穩(wěn)定狀態(tài)。通過安裝尾插板可以有針對(duì)性地進(jìn)行調(diào)節(jié)縱搖，能夠有效地提升滑行艇的各方面性能。

3 結(jié)論

通過在長(zhǎng)條水池對(duì)帶系列尾插板的滑行艇模型的直航靜水測(cè)試試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

1)加裝合適深度尾插板可以有效地提高滑行艇的縱向運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，延緩海豚運(yùn)動(dòng)的發(fā)生；在4.05.0的超高速滑行階段，微小的尾插板深度變化會(huì)導(dǎo)致阻力的迅速增長(zhǎng)和縱傾角的迅速減小甚至出現(xiàn)埋首現(xiàn)象，需要對(duì)尾插板深度進(jìn)行非常精準(zhǔn)的控制。

2)與目前滑行艇使用較多、功能相似的帶角度安裝的尾壓浪板相比，垂直安裝的尾插板效率更高，總體長(zhǎng)度僅為尾壓浪板的10%左右；對(duì)滑行面影響更小，尾壓浪板一定程度上延伸了滑行面；結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，不需要帶角度安裝；但是對(duì)深度過于敏感，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)1.0 mm左右的深度變化會(huì)對(duì)滑行艇整體的姿態(tài)產(chǎn)生很大影響，試驗(yàn)過程中需要對(duì)深度有準(zhǔn)確的控制。

3)隨著控制技術(shù)的發(fā)展，在航行過程中根據(jù)船舶的航行姿態(tài)實(shí)時(shí)精準(zhǔn)地控制尾插板的深度成為可能，模型試驗(yàn)中對(duì)尾插板性能的測(cè)試是重要的輸入?yún)?shù)，所以該試驗(yàn)具有較大的實(shí)際意義。

4)本試驗(yàn)僅以安裝深度作為變量分析了尾插板對(duì)滑行艇靜水直航的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)及阻力性能的影響，對(duì)于尾插板的安裝寬度及其波浪運(yùn)動(dòng)中調(diào)節(jié)能力的變化仍有進(jìn)一步探索的空間。

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