穿浪雙體船的阻力分析與船型優(yōu)化

(青島黃海學(xué)院交通與船舶工程學(xué)院，青島 266427)

20世紀(jì)80年代澳大利亞人赫克斯等提出了穿浪雙體船，它是結(jié)合常規(guī)雙體船和小水線面船的低阻高速和耐波性小的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)出來(lái)的一種復(fù)合船型，兩個(gè)片體的舷部非常尖，加上特殊的線型設(shè)計(jì)，使其能非常平滑地作穿浪運(yùn)動(dòng)，橫搖、垂蕩和縱搖都大大小于常規(guī)船型；特殊的設(shè)計(jì)讓其避免出現(xiàn)埋舶現(xiàn)象，并減少甲板上浪，這種船型具備阻力小、運(yùn)動(dòng)響應(yīng)少，較好的快速性、耐波性等優(yōu)點(diǎn)。此后該船型迅速發(fā)展起來(lái)，隨后澳大利亞、日本等國(guó)相繼開(kāi)展了船型優(yōu)化和實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究[3]，國(guó)內(nèi)對(duì)WPC船的研究開(kāi)始于20世紀(jì)80年代末，哈爾濱工程大學(xué)開(kāi)展了對(duì)WPC船快速性、耐波性等的理論與實(shí)驗(yàn)研究，并開(kāi)發(fā)出多種性能更優(yōu)良的新型穿浪船；90年代，又引進(jìn)了AMD公司有關(guān)WPC船的技術(shù)資料進(jìn)行理論研究，并承接AMD公司委托的WPC船實(shí)驗(yàn)任務(wù)[4]。隨后，大連理工大學(xué)也開(kāi)發(fā)了自己的WPC船型并進(jìn)行了理論研究和一系列的水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)。

雙體船的片體瘦長(zhǎng)，影響雙體船阻力性能的參數(shù)很多，其中片體間距比k/b，和片體長(zhǎng)寬比L/b兩個(gè)參數(shù)的影響最為明顯，本文就這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。

1 主尺度的確定與船型建模

以“海峽號(hào)”高速雙體船為參考船型，按一定比例對(duì)其船型進(jìn)行修改，完成雙體船船型的設(shè)計(jì)，見(jiàn)表1所示。

表1 “海峽號(hào)”雙體船資料

船舶主尺度的選擇必須滿足航道和建造條件的限制，在此基礎(chǔ)上本文選取的船長(zhǎng)L為60ft即18.288m；型深D與船的總縱強(qiáng)度以及儲(chǔ)備浮力有關(guān)，而與航速關(guān)系不大，在滿足最小干舷要求的情況下取2.868m；船寬B主要影響船舶浮力以及艙容的大小，本文選取最大船寬為8.541m。

高速雙體船的基本主尺度如下，船長(zhǎng)L=18.288m，最大船寬B=8.541 m，型深D=2.868m，設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)Lwl=17.506m，設(shè)計(jì)吃水1.0m，片體寬度k=7.792m排水量△=21.9t，Cp=0.76，Cb=0.624，設(shè)計(jì)船型和船型主尺度如圖1和圖2所示。

圖1 設(shè)計(jì)船型

圖2 船型主尺度

2 阻力分析

1991年，因瑟(M.Insel)選用NPL圓舭方艉實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)高速雙體船進(jìn)行波形分析和尾流測(cè)量，證實(shí)了雙體船片體間存在興波干擾和黏性干擾兩種干擾阻力。

雙體船在靜水中航行時(shí)受到的阻力必須考慮干擾阻力[5]，這樣總阻力可以表達(dá)為：

Rt=Rf+Rr+ΔRΔR=ΔRW+ΔRv

(1)

其中：Rt為總阻力；Rf為摩擦阻力；Rr為剩余阻力；ΔR為片體間干擾阻力；ΔRw為興波干擾阻力；ΔRv為黏性干擾阻力。

雙體船的總阻力系數(shù)可以表達(dá)為：

Ctcat=(1+βk)Cf+τCw

(2)

式中：Ctcat為總阻力系數(shù)；Cf為摩擦阻力系數(shù)，按ITTC-1957公式為：Cf=0.075/(1g/Re-2)2；Cw為興波阻力系數(shù)；Re=vL/υ；(1+k)為孤立片體的船型因子；β為黏性干擾因子；τ為興波阻力干擾因子。

粘性阻力采用ITTC-1957摩擦阻力公式：

Rv=1/2(1+k)Cfρv2s

(3)

其中修正因子1+βk=3.03(L/Δ1/3)-0.40=1.328。

興波阻力采用雙體“薄船”阻力公式[6,7]：

(4)

(5)

高速雙體船的興波阻力Rwcat=Rw0+ΔRt,Rw0為兩片體興波阻力，ΔRt為片體間干擾阻力。

(6)

3 阻力仿真分析

MAXSURF軟件是澳大利亞的Formation Design Systems公司開(kāi)發(fā)的一套非常完美的適用于各種軍用或者民用船舶的專用設(shè)計(jì)軟件。目前，這款軟件無(wú)論在中國(guó)、日本還是歐洲的造船國(guó)家都得到非常廣泛的應(yīng)用。和其他的船舶設(shè)計(jì)軟件比起來(lái)MAXSURF簡(jiǎn)單易學(xué)、上手快、效率高，絕大多數(shù)船舶院校，比如上海交通大學(xué)、江蘇科技大學(xué)、武漢理工大學(xué)、青島科技大學(xué)等高校和很多船舶設(shè)計(jì)公司都用到了這款軟件，比如湖南太陽(yáng)鳥有限公司、青島恒安達(dá)船舶設(shè)計(jì)公司、青島昊運(yùn)游艇有限公司、上海佳豪游艇運(yùn)營(yíng)有限公司。MAXSURF可以很融洽的和CAD進(jìn)行文件轉(zhuǎn)換，在知道型值的情況下可以將型值導(dǎo)入表格文件，通過(guò)MAXSURF打開(kāi)文件，輕松地建立船體三維模型，并對(duì)其曲面進(jìn)行光順優(yōu)化。MAXSURF被大多數(shù)船舶設(shè)計(jì)者認(rèn)為是最強(qiáng)的一款船舶設(shè)計(jì)軟件。

模型導(dǎo)入Maxsurf軟件進(jìn)行阻力仿真分析，計(jì)算方法采用瘦體解析法，并考慮黏性干擾，片體間的興波干擾因子為(1+βk)=1.328，摩擦阻力選用ITTC-1957公式，航速范圍取0-33kn以便能夠監(jiān)測(cè)到全船速范圍內(nèi)的阻力變化。

通過(guò)選取適當(dāng)?shù)腖/b和k/b，觀察其阻力變化，并分析對(duì)比其干擾強(qiáng)弱，以便得到更好的船型參數(shù)。

3.1 片體間距比k/b對(duì)比分析

片體間距比k/b受附加興波干擾阻力的影響比較大。低速時(shí)，k/b的變化對(duì)穿浪雙體船的干擾阻力影響不明顯，k/b的選擇可以根據(jù)布置要求來(lái)定，取k/b>2比較合理，當(dāng)過(guò)大時(shí)(k/b>6)，片體間的干擾阻力接近為0?？紤]到雙體船操縱性、耐波性、總布置等的影響，分別選取k/b=2.0、2.4、2.8、3.2、3.6、4.0、4.4、4.8，進(jìn)行對(duì)比分析，獲得興波阻力系數(shù)Cw隨傅汝德數(shù)Fr變化曲線，如圖3所示。

圖3 不同k/b下興波阻力系數(shù)變化曲線圖

由圖3可以看出：當(dāng)傅汝德數(shù)Fr在0.4到0.5之間時(shí)，雙體船興波干擾嚴(yán)重，出現(xiàn)劇烈波動(dòng)的波峰和波谷點(diǎn)，當(dāng)Fr=Frc時(shí)雙體船興波干擾最嚴(yán)重，在上面圖譜上出現(xiàn)最大的峰值。當(dāng)Fr>Frc，雙體船進(jìn)入超臨界區(qū)，興波阻力隨航速的增加而減小片體橫波的干擾始終處于有利狀態(tài)，此時(shí)興波干擾因子η小于零。

同時(shí)結(jié)果顯示k/b越大，其對(duì)應(yīng)的Frc越小，且出現(xiàn)有利興波干擾的無(wú)干擾傅汝德數(shù)Fr0越小，當(dāng)Fr>Fr0，片體中心距對(duì)片體間的興波干擾幾乎可以忽略不計(jì)。所以在設(shè)計(jì)航速時(shí)，應(yīng)盡量使Fr處于有利條件，即η為負(fù)。

進(jìn)一步分析在一定傅汝德數(shù)Fr下，不同興波阻力系數(shù)(y軸)隨片體中心距k/b(x軸)的變化，分別取Fr=0.6、0.7、0.8、0.9、1.1，k/b=2.0、2.4、2.8、3.2、3.6、4.0、4.4、4.8。所得數(shù)據(jù)整合成圖4曲線圖。

圖4 不同下興波阻力系數(shù)變化曲線圖

根據(jù)圖4可以看出：傅汝德數(shù)越小，改變k/b對(duì)興波阻力影響越明顯，當(dāng)k/b>3.0時(shí)，繼續(xù)增大k/b對(duì)興波阻力的影響不明顯。所以適合的k/b范圍在3.0到4之間，若繼續(xù)增大k/b值，對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、總體布置將會(huì)產(chǎn)生不利影響。

3.2 長(zhǎng)寬比L/b對(duì)比分析

穿浪雙體船低速航行時(shí)，摩擦阻力占主要部分，此時(shí)興波阻力比重較小，所以一般研究Fr>0.3時(shí)的航速較低，即Fr<0.3時(shí)興波阻力在總阻力中所占比重小，這時(shí)選擇雙體船L/b主要關(guān)注在減少造價(jià)和濕表面積上，此時(shí)一般取L/b=6-8；中高速雙體船，即Fr>0.3剩余阻力占的比重大，可以通過(guò)選擇較大船長(zhǎng)并注意降低空船重量，可從剩余阻力獲得好的經(jīng)濟(jì)效益。但是當(dāng)L/b>15時(shí)，L/b對(duì)剩余阻力的影響開(kāi)始緩和，濕表面積和空船重量急劇上升，經(jīng)濟(jì)價(jià)值迅速下降，當(dāng)L/b達(dá)到18時(shí)，完全失去經(jīng)濟(jì)意義。

本文選取k/b=3.2分別建立片體長(zhǎng)寬比L/b=9-15的模型，分別獲取L/b=9.0、10.0、11.0、12.0、13.0、14.0、15.0的剩余阻力系數(shù)Cr隨傅汝德數(shù)變化曲線如圖5所示。

圖5 不同L/b下剩余阻力系數(shù)變化曲線圖

由圖5可以看出：在片體間距比相同時(shí)，片體長(zhǎng)寬比對(duì)剩余阻力系數(shù)影響還是比較明顯的。從數(shù)值上看，在Fr=Frc為前提，L/b=9時(shí)Cr=6.9×10-3，L/b=15時(shí)Cr=3.8×10-3，變化較為明顯，從整個(gè)航速范圍來(lái)看，在Fr=4.5-5.5之間時(shí)，片體長(zhǎng)寬比對(duì)于剩余阻力系數(shù)的影響最為明顯，由此可知，在這個(gè)航速范圍內(nèi)，改變片體長(zhǎng)寬比對(duì)于減小阻力是最為有效的，但是隨著航速的增加，曲線間距減小，說(shuō)明改變片體長(zhǎng)寬比對(duì)阻力系數(shù)影響越來(lái)越小。

同樣的方法分析在一定傅汝德數(shù)Fr下，不同剩余阻力系數(shù)(y軸)隨片體中心距k/b(x軸)的變化，取Fr=0.53、0.62、0.78、0.95、1.10，L/b=10.0、11.0、12.0、13.0、14.0、15.0，分別求得相應(yīng)的剩余阻力系數(shù)Cr，所得數(shù)據(jù)整合成圖6曲線。

圖6 不同F(xiàn)r下剩余阻力系數(shù)變化曲線圖

由圖6可以得知，航速越小，改變L/b對(duì)剩余阻力系數(shù)影響越明顯，F(xiàn)r=0.95和Fr=1.1兩個(gè)參數(shù)數(shù)值比較接近，可以看出隨著Fr的不斷增加，如此船型當(dāng)大于1時(shí)，不管L/b取值如何，Cr的值變化不大，綜合考慮，L/b的取值在12～14之間比較合適。

4 結(jié) 論

在Fr=[0.5，0.6]之間，興波干擾嚴(yán)重，阻力系數(shù)最大，此時(shí)通過(guò)改變L/b和k/b來(lái)降低阻力最有效果；隨著L/b和k/b的增大，阻力變化越來(lái)越小，此時(shí)通過(guò)改變L/b和k/b來(lái)減小阻力不明顯。

航行時(shí)要盡量避開(kāi)在Fr=[0.5，0.6]這一臨界區(qū)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，超過(guò)這一區(qū)域，片體干擾越來(lái)越小，興波阻力隨航速的增加呈下降趨勢(shì)。

由于篇幅限制，沒(méi)有考慮方形系數(shù)、棱形系數(shù)等參數(shù)對(duì)于船舶阻力性能的影響，且沒(méi)有考慮片體的角度，如：內(nèi)傾角、縱傾角等變化對(duì)于阻力性能的影響，以對(duì)該船型進(jìn)行全面分析，以后會(huì)進(jìn)一步增加研究參數(shù)的數(shù)量，以進(jìn)行更全面的分析；此外，沒(méi)有考慮船舶航行姿態(tài)對(duì)于船舶阻力性能的影響，且沒(méi)有相關(guān)的船模試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，以后會(huì)加強(qiáng)這方面的研究。