滑行艇靜水性能試驗(yàn)研究

申云磊 高霄鵬 羅富強(qiáng)

(海軍工程大學(xué)艦船與海洋學(xué)院 武漢 430033)

0 引 言

滑行艇在高速航行時(shí)依靠水動(dòng)升力支撐艇重，將艇體托出水面進(jìn)入滑行狀態(tài)，由于其外形簡單，工業(yè)技術(shù)要求不高，因而得到了廣泛的應(yīng)用[1].隨著無人技術(shù)拓展到海洋空間，水面無人艇作為一種智能艦艇受到人們的廣泛關(guān)注，滑行艇因?yàn)槠鋬?yōu)越的水動(dòng)力性能，成為無人艇應(yīng)用最多的高性能船型[2].

滑行艇在航行過程中隨著航速的提高，會(huì)出現(xiàn)縱向周期性的升沉和縱搖耦合運(yùn)動(dòng)即“海豚運(yùn)動(dòng)”，限制了滑行艇航速的進(jìn)一步提升.重心過于靠后及相應(yīng)的負(fù)荷過分集中在艉部是引起海豚運(yùn)動(dòng)的重要原因[3].因此對于艇型已經(jīng)確定的滑行艇，提高其運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的方法一般是調(diào)節(jié)重心縱向位置，通過降低艇體的艉傾姿態(tài)降低高速滑行過程中的縱傾角，從而提高海豚運(yùn)動(dòng)的臨界速度點(diǎn)，然而考慮到傳統(tǒng)的滑行艇總體布置，重心的調(diào)節(jié)能力非常有限，.為改善滑行艇的性能，除了對艇體本身型線特征進(jìn)行優(yōu)化外，應(yīng)用一些附體，如，阻流板、尾壓浪板等，可以簡單有效的降低滑行艇的阻力，并提高運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性[4-5].

阻流板是一種垂直安裝在艇尾封板處的具有很大長寬比的平板，可以在航行過程中改變艇底壓力分布，影響到尾部的興波情況，降低了雞尾流的高度，減小了航行縱傾角，不僅能夠改善滑行艇的阻力性能，還能改善高航速下的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，是一種簡單高效的附體設(shè)備[6-8].在實(shí)際運(yùn)用中，阻流板的作用長度是影響其效能的關(guān)鍵，過短的阻流板無法有效的調(diào)整滑行艇航行姿態(tài)，過深的阻流板則會(huì)產(chǎn)生過大的埋首力矩，發(fā)生埋首現(xiàn)象，考慮到實(shí)際安裝的需要，阻流板的安裝位置也會(huì)產(chǎn)生不同的效果[9-10].鑒于理論計(jì)算的及數(shù)值方法仍不能精確的計(jì)算滑行艇性能，模型試驗(yàn)仍是必不可少的手段[11-12].本文通過模型試驗(yàn)對加裝阻流板的滑行艇模型進(jìn)行研究，考察不同長度、不同安裝位置以及不同重心位置對滑行艇靜水阻力和縱向運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的影響效果，對阻流板的作用機(jī)制和對滑行艇水動(dòng)力性能的影響進(jìn)行分析.

1 模型試驗(yàn)

1.1 模型主尺度

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、防漏等一系列加工而成，無因次主尺度見表1.滑行艇排水量與阻力的無因次化見表2.

表1 模型無因次化尺度

注：B-模型寬度，m；L-模型長度，m；H-型深，m；d-模型吃水，m；Xg-重心距尾封板距離，m.

表2 拖曳模量綱-的綱化主要參數(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)內(nèi)容

模型試驗(yàn)在中國特種飛行器研究所高速拖曳水池進(jìn)行，試驗(yàn)水池長510 m、寬6.5 m、水深5 m，車速度最高可達(dá)22 m/s.阻力的測量采用BLR-1型拉力傳感器，量程為0 ～40 kg，精度為0.2%.縱傾測量采用傾角傳感器，精度為0.1°.升沉采用拉線式方法測量，誤差小于1%.模型見圖1，阻流板的安裝見圖2.阻流板的作用部分是指超出艇體表面的突出部分，見圖3.

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖2 阻流板安裝

圖3 阻流板作用示意圖

試驗(yàn)過程中采用的兩種阻流板的安裝位置，分別是尾封板基線處和尾封板舭部，共設(shè)計(jì)六種試驗(yàn)工況見表3.

表3 試驗(yàn)工況對應(yīng)參數(shù)

試驗(yàn)過程中，對帶阻流板工況測試時(shí)，先進(jìn)行光體最高航速下的試驗(yàn)，若可以穩(wěn)定運(yùn)行，則從低速到高速分別進(jìn)行拖曳，監(jiān)測滑行艇的阻力、傾角、升沉，并對雞尾流和飛濺進(jìn)行觀察.發(fā)生海豚運(yùn)動(dòng)或者橫向失穩(wěn)則停止試驗(yàn)，調(diào)整模型，繼續(xù)下一工況的試驗(yàn).其中工況三在Fr▽5.64的速度下發(fā)生了失穩(wěn)，原因是阻流板的所產(chǎn)生的埋首力矩過大，屬于危險(xiǎn)工況，且沒有進(jìn)行中低速的拖曳.

2 結(jié)果與分析

2.1 單位升阻比對比

通過調(diào)整模型的阻流板狀態(tài)和重心位置得到不同工況下的滑行艇單位升阻比變化，圖4為阻力性能的變化規(guī)律.

圖4 不同工況下的模型無因次阻力對比

工況一到六的最高航速對應(yīng)體積弗勞德數(shù)依次為Fr▽=5.64、5.84、5.97、5.64、5.64.最高速度即在試驗(yàn)中再想進(jìn)一步提速時(shí)，模型縱向失穩(wěn)，發(fā)生了海豚運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致停車.由圖4可知，加裝阻流板舭部1 mm與底部0.3 mm下的滑行艇性能最優(yōu)，不論是舭部還是底部，加裝阻流板后均可以延遲海豚運(yùn)動(dòng)的發(fā)生，提高模型的最高航速.重心位置的后移，理論上會(huì)提前海豚運(yùn)動(dòng)發(fā)生的臨界點(diǎn)，試驗(yàn)中在加裝阻流板的情況下，重心位置的后移并沒有改變模型的最高航速(與光體對比)，也進(jìn)一步說明阻流板對于抑制海豚運(yùn)動(dòng)的發(fā)生有積極作用.

圖4中阻力曲線整體的呈階梯狀分布，在2.54以后，阻力明顯增加，舭部與底部阻流板同時(shí)加裝的情況下，降低幅度均值接近10%.重心位置的向后移動(dòng)與加裝阻流板的情況相同，說明不同安裝位置的阻流板組合均可以有效降低高速情況下的升阻比，1°范圍內(nèi)的艉傾不會(huì)對阻流板性能產(chǎn)生影響.

2.2 縱傾角對比

對比不同工況下的縱傾角見圖5.

圖5 不同工況下的模型縱傾角對比

根據(jù)圖5可知在Fr▽=2.6時(shí)，縱傾角達(dá)到最大值，然后迅速降低，存在著明顯的越峰現(xiàn)象，符合滑行艇的縱傾角變化規(guī)律.阻流板可以明顯降低整個(gè)航行過程中的縱傾角，在Fr▽>4的范圍內(nèi)這種作用更加明顯，最大降低幅度達(dá)到5°.不同的安裝位置均能起到相似的效果，并且重心位置的移動(dòng)不影響阻流板對傾角的抑制作用.

縱傾角是影響滑行艇靜水性能的重要因素，在航行過程中，降低航行縱傾角，有利于縱向運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，并降低航行阻力.考慮到實(shí)際總體上的諸多限制，除了改變艇體本身型線特征以外，通過安裝不同位置以及不同深度的阻流板，可以有效的調(diào)節(jié)航行姿態(tài)，獲得最優(yōu)的滑行艇阻力性能.

2.3 升沉值對比

對比不同工況下的升沉值見圖6.隨著航速的提高，艇體抬升，動(dòng)升力逐漸代替靜浮力成為艇體的支撐力.在Fr▽<4.6之前，不同工況下的升沉值沒有明顯差別.在Fr▽>4.6以后，阻流板對升沉的影響比較明顯，最大變化幅值為15 mm，艉傾狀態(tài)對阻流板的作用影響較小.

圖6 不同工況下的模型升沉值對比

滑行艇的升沉值反映了其航行過程中濕表面積的大小進(jìn)而影響摩擦阻力值.從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，阻流板會(huì)降低升沉值，導(dǎo)致濕表面積增加.實(shí)際上滑行艇的阻力與傾角和升沉密切相關(guān)，結(jié)合總阻力、傾角與升沉的變化規(guī)律，傾角對阻力的影響更為明顯，應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注.

3 結(jié) 論

1) 長度合適的阻流板可以提高滑行艇水動(dòng)力性能，降低靜水阻力和提高滑行艇的海豚運(yùn)動(dòng)臨界速度點(diǎn)，在4.5

2) 阻流板在尾封板舭部與底部安裝均能起到提升滑行艇性能的效果，在實(shí)際工程運(yùn)用中可以考慮總體布置，選擇不同的位置進(jìn)行安裝.重心位置的改變導(dǎo)致艇體小于1°內(nèi)的艉傾姿態(tài)不會(huì)對阻流板的作用效果產(chǎn)生明顯影響.

3) 阻流板對于改善滑行艇中高速航行性能有積極的作用，隨著控制技術(shù)的發(fā)展，根據(jù)艇體狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)判斷最優(yōu)的阻流板參數(shù)并進(jìn)行控制，可以使得滑行艇在不喪失運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的情況下以最優(yōu)攻角姿態(tài)航行，獲得最優(yōu)的快速性.根據(jù)加裝阻流板的模型試驗(yàn)可以為阻流板參數(shù)的最優(yōu)配置提供參考，有較大的實(shí)際意義.

4) 一般來說，滑行艇均是在風(fēng)浪環(huán)境中運(yùn)行，但靜水阻力性能決定了其阻力性能的基本特點(diǎn)，對于整體性能的優(yōu)化有一定的幫助.對于阻流板對滑行艇在波浪中的性能影響，以及航行過程中阻流板不對稱配置下對橫穩(wěn)性和航向的影響有進(jìn)一步的探索空間.