一種新型多效能減阻船的設(shè)計(jì)研究

巨浩天 陸昊 曲志超

一、研究背景

隨著時(shí)代的發(fā)展，民用高速客運(yùn)的發(fā)展趨勢(shì)是希望有較高的航速。而用于海關(guān)緝私艇，應(yīng)能迅速反應(yīng)，高速攔截，因此需要高航速。如用于巡邏，須具備較高航速，但更著重要求適航性和居住條件好；在民用方面，如用于救援，時(shí)間就是生命，對(duì)船舶快速性以及穩(wěn)性的要求較高。所以研究一種快速性好、穩(wěn)性優(yōu)良、適航范圍廣的船舶具有十分重要的意義。高速滑行艇具有體積小、航速快、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，在未來(lái)海洋開(kāi)發(fā)以及海軍軍事裝備領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景?；型У呐潘恳话阍?00噸以內(nèi)，航速可達(dá)40～50節(jié)，盡管其航速比一般排水型船舶高，但適航性能卻較差。傳統(tǒng)的單體滑行艇在風(fēng)浪中失速較大、航行拍擊較重、限制了航行區(qū)域，特別是對(duì)軍用滑行艇的發(fā)展受到了較大的限制。

槽道滑行艇是在滑行艇基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種高性能新船型，它具有起滑快、縱傾小、航態(tài)平穩(wěn)、興波飛濺小、速度快、操縱靈活、耐波性好等特點(diǎn)。它比常規(guī)滑行艇有較大的優(yōu)越性，在風(fēng)浪中可保持較高的航速，顯示出高水平的綜合航行能力。 因而，在近海水域中，可作為新一代的巡邏艇、偵察艇、導(dǎo)彈艇、救生艇和交通艇。由于其吃水淺，興波飛濺小，也可在內(nèi)河和港灣中使用。槽道滑行艇不論在軍用或民用上都具有廣泛的發(fā)展前途。研究意義：能源是整個(gè)世界發(fā)展和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的最基本的驅(qū)動(dòng)力，是人類賴以生存的基礎(chǔ)。伴隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口的迅速增長(zhǎng)、能源消耗大幅增加、化石能源資源卻在日益耗盡。發(fā)展綠色船舶成為當(dāng)今造船界的熱點(diǎn)，減小船舶所受的阻力可以大大降低主機(jī)功率，符合節(jié)能減排的要求。隨著時(shí)代的發(fā)展，對(duì)高性能船舶的需求量只增不減，本項(xiàng)目研究的新型減阻多效能滑行艇具有快速性和穩(wěn)性好、適用范圍廣、操縱性靈活、起滑快、所受阻力小等優(yōu)良特點(diǎn)，不僅適合于民用而且在軍事上有廣泛應(yīng)用前景。用于海關(guān)緝私艇，本船可以迅速反應(yīng)，高速攔截。如用于巡邏，具備較高航速，適航性和居住條件好；在民用方面，用于救援，時(shí)間就是身命，船舶快速性以及穩(wěn)性較高。綜上，該船符合未來(lái)高速船舶的發(fā)展需求。

二、設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)

2.1倒V型槽道的設(shè)計(jì)引用

如圖1、2，我們?cè)O(shè)計(jì)了這種擁有倒V式槽道滑行艇，在艇體底部的內(nèi)折角線處設(shè)有縱向上貫穿全艇的引氣槽，我們?yōu)榱颂岣呋行?，設(shè)計(jì)了艇底斷階形式。艇底采用斷階后，水流流經(jīng)斷階時(shí)離開(kāi)艇底，在斷階后形成一空穴，經(jīng)一定距離后與第二斷階的艇底接觸，直至尾緣，在艇底斷階前后形成兩個(gè)滑行面，每個(gè)滑行面的長(zhǎng)度較短，由機(jī)翼理論知有較大的展弦比，從而可提高滑行艇的效率。

2.2水翼板的設(shè)計(jì)

水翼板部分設(shè)計(jì)如圖3所示，為了改善滑行艇高速時(shí)的“隨浪橫甩”、“急停埋首”現(xiàn)象，本產(chǎn)品在船體兩側(cè)配以類似于可收放減搖鰭的可控水翼裝置，該裝置可實(shí)現(xiàn)水翼收放、縱向位置以及水翼攻角的調(diào)節(jié)?？煽厮砉ソ羌翱v向位置在不同航速不同海況下調(diào)節(jié)到最佳位置，可以給船體提供升力并且增大滑行艇的適航性。類似于減搖鰭的水翼也能起到一定的減搖作用?？紤]到兩側(cè)水翼的設(shè)置會(huì)增大船寬，容易觸礁和刮到漁網(wǎng)等雜物，所以將其設(shè)計(jì)成可收放式。

2.3氣泡減阻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

氣泡減阻系統(tǒng)又名“空氣潤(rùn)滑法”通過(guò)氣泡覆蓋船底進(jìn)而減少船舶與水面的接觸阻力，提高船體的速度，使能源利用率大大提高。我們將其引用在滑行艇上，進(jìn)一步達(dá)到節(jié)能減排的目的。

2.4設(shè)計(jì)時(shí)考慮的主要問(wèn)題

a.滑行面的摩擦阻力過(guò)大；b.水翼板兩側(cè)興波和飛濺所導(dǎo)致的壓差阻力過(guò)大；c.導(dǎo)流管安裝不合理，氣泡減阻效果不好，氣泡無(wú)法完全覆蓋船底；d.槽道結(jié)構(gòu)以及斷級(jí)設(shè)計(jì)；e.通過(guò)上述的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少無(wú)用功的輸出，能源利用率提高相較于傳統(tǒng)船體30%～35%，在未來(lái)綠色船舶的世界里，會(huì)有很大的利用空間，做到節(jié)能減排的最終目的。

三、理論計(jì)算

3.1靜水阻力實(shí)驗(yàn)

首先驗(yàn)證船模的正浮情況，然后在不同流速下，進(jìn)行靜水拖航實(shí)驗(yàn)，測(cè)量船體在以下幾種不同航行姿態(tài)下的阻力，對(duì)比分析加裝水翼前后對(duì)船體阻力的影響。

3.2通過(guò)軟件模擬流場(chǎng)

通過(guò)軟件FLUNENT、CFX等模擬流場(chǎng)，對(duì)流速的控制，對(duì)船體的阻力及升力進(jìn)行分析以及各種船體情況模擬計(jì)算結(jié)果得出相比與傳統(tǒng)的滑行艇，倒V型槽道船的確有其優(yōu)良之處，下表為測(cè)量數(shù)據(jù)表。

3.3驗(yàn)證快速性

在傳統(tǒng)船體，普通槽道船體、加裝兩側(cè)可控水翼船體、完整滑行艇的狀態(tài)下，保持一定的主機(jī)功率測(cè)試船體航行相同距離所需要的時(shí)間，對(duì)比分析其性能。

3.4操縱性實(shí)驗(yàn)

將船模制作完畢以后，安裝相應(yīng)的控制機(jī)構(gòu)、動(dòng)力裝置分別在靜水和有波浪擾動(dòng)狀態(tài)下，進(jìn)行直航和回轉(zhuǎn)性實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)其直線穩(wěn)定性及回轉(zhuǎn)半徑。我們對(duì)所設(shè)計(jì)的新型滑行艇進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算分析，利用三維建模軟件CATIA對(duì)船體總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并將其細(xì)化，通過(guò)軟件FLUNENT、CFX等模擬流場(chǎng)對(duì)不同航行姿態(tài)下船體的阻力及升力進(jìn)行分析結(jié)果得出相比與傳統(tǒng)的滑行艇，該類滑行艇確實(shí)可以在航行過(guò)程中減少興波阻力與摩擦阻力，可行性較好。如圖5所示。

3.5滑行艇阻力與升力計(jì)算以及不同水翼的升阻力計(jì)算

首先，最簡(jiǎn)單的滑行艇是一塊半浸濕的矩形平板，沿著水面以小沖角α運(yùn)動(dòng)，前進(jìn)速度為v，其載荷為G，此時(shí)平板上作用有垂直于平板的水動(dòng)壓力P和平行于平板表面的水粘性摩擦力Rf。此外，作用于平板的還有平板排開(kāi)水的浮力D。將水動(dòng)壓力P和摩擦力Rf的合力Q分解成垂直于水平面的升力L和平行于水平面的阻力R，有：

在垂直于水平面的z軸上有力的平衡方程：G = L + D此等式表明，艇的載荷G （相當(dāng)于艇在靜止吃水時(shí)的排水量Δ）被流體動(dòng)升力和小部分浮力所平衡。正如前面所說(shuō)，艇達(dá)到起飛速度后，浮力所占的比例很小。其次，假設(shè)流體為無(wú)粘、無(wú)旋、不可壓縮，水翼的翼端效應(yīng)很小，將水翼簡(jiǎn)化為二維。應(yīng)用邊界元模擬水翼周圍外部流場(chǎng)，通過(guò)求解格林第二公式獲得水翼周圍速度勢(shì)分布，進(jìn)而求得水翼受力，計(jì)算分析水翼推進(jìn)性能。

工作原理及性能分析：槽道滑行艇具有優(yōu)良的水動(dòng)力性能，無(wú)論在快速性，或者是適航性等方面都明顯優(yōu)于常規(guī)船型以及一些其它類型的高性能船舶，首部呈喇叭狀的槽道口在高速航行時(shí)導(dǎo)引、捕捉空氣和首興波等，在槽道中形成螺旋狀的氣水二相流，產(chǎn)生動(dòng)升力，能迅速越過(guò)阻力峰，使艇體大大抬高，滑行狀態(tài)下吃水非常小，因而可大幅度地減小阻力，且縱傾角小，此外槽道內(nèi)的氣水二相流可減緩波浪對(duì)艇底部的砰擊，改善其耐波性能。槽道內(nèi)空氣貫通，在頂部形成了一個(gè)沖壓空氣層，起到空氣潤(rùn)滑作用。在尾部，水流以噴柱形式射出，這種現(xiàn)象可稱之為“槽道效應(yīng)”。我們?cè)O(shè)計(jì)的艇體底部的滑行面是橫向斜升型，在艇體底部的內(nèi)折角線處設(shè)有縱向上貫穿全艇的引氣槽，運(yùn)用槽道效應(yīng)原理，所述艇體底部、在中央槽道的兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置有斷級(jí)，每個(gè)斷級(jí)后均設(shè)置有凹槽，且斷級(jí)始于引氣槽，并向艇艉方向延伸至舭部。在航行過(guò)程中能夠充分利用沖壓空氣進(jìn)行減阻和支撐艇重，并具有較小興波和飛濺，使得航速較常規(guī)槽道滑行艇有了大幅提高。高速航行時(shí)，來(lái)流越過(guò)斷級(jí)后將與艇底滑行面脫離，導(dǎo)致壓力分布產(chǎn)生突變，并在斷級(jí)后部形成低壓區(qū)域，由于斷級(jí)前段開(kāi)槽處位于艇體舯前，因此當(dāng)艇體前方空氣經(jīng)由槽道和引氣槽進(jìn)入艇底后，受斷級(jí)后低壓區(qū)的影響將被吸入凹槽，并順著一斷級(jí)的方向向艇艉流動(dòng)，在此過(guò)程中空氣持續(xù)進(jìn)入斷級(jí)后部，逐漸形成穩(wěn)定的氣穴覆蓋于艇底，從而減少了艇底的浸濕面積。使興波阻力和飛濺阻力大大減少，提高了滑行艇的運(yùn)行速度和平穩(wěn)程度。性能顯著提高。如圖6是常規(guī)艦艇與槽道艇的曲線。

圖6完成制作后，作品實(shí)物外形照片見(jiàn)圖7

四、優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用前景

1）能夠充分利用沖壓空氣進(jìn)行減阻和支撐艇重，并具有較小興波和飛濺，使得航速較常規(guī)槽道滑行艇有了大幅提高。2）充分將能源產(chǎn)生的動(dòng)力用于船體的推進(jìn)，使能源利用率顯著提高，達(dá)到了節(jié)能減排的目的，符合綠色船舶設(shè)計(jì)的理念。3）運(yùn)用槽道效應(yīng)和在艇體底部的內(nèi)折角線處設(shè)有縱向上貫穿全艇的引氣槽，所述艇體底部、在中央槽道的兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置有斷級(jí)，每個(gè)斷級(jí)后均設(shè)置有凹槽，且斷級(jí)始于引氣槽，并向艇艉方向延伸至舭部。使船體的穩(wěn)定性和速度都有顯著地提升。 槽道滑行艇是在滑行艇基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種高性能新船型，它具有起滑快、縱傾小、航態(tài)平穩(wěn)、興波飛濺小、速度快、操縱靈活、耐波性好等特點(diǎn)。它比常規(guī)滑行艇有較大的優(yōu)越性，在風(fēng)浪中可保持較高的航速，顯示出高水平的綜合航行能力。 因而，在近海水域中，可作為新一代的巡邏艇、偵察艇、導(dǎo)彈艇、救生艇和交通艇。由于其吃水淺，興波飛濺小，也可在內(nèi)河和港灣中使用。槽道滑行艇不論在軍用或民用上都具有廣泛的發(fā)展前途。我們?cè)O(shè)計(jì)的新型減阻多效能節(jié)能滑行艇，不僅具備了普通速滑艇速度快的優(yōu)點(diǎn)，而且在穩(wěn)定性上有了很大的提高，在未來(lái)船舶以綠色船舶，在社會(huì)提倡節(jié)能減排的大主題下，我們?cè)O(shè)計(jì)的新型減阻多效能減阻滑行艇將有很大的市場(chǎng)價(jià)值。不僅適合于民用而且在軍事上有廣泛應(yīng)用前景。用于海關(guān)緝私艇，本船可以迅速反應(yīng)，高速攔截。如用于巡邏，具備較高航速，適航性和居住條件好；在民用方面，用于救援，時(shí)間就是身命，船舶快速性以及穩(wěn)性較高。保證了救援的安全，綜上新型減阻多效能滑行艇應(yīng)用范圍很廣，實(shí)用性非常強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)：

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