艉壓浪板與艉垂直板對淺吃水高速船快速性的影響比較

陳 濤，崔 健，陸澤華，陳克強

(1.航運技術與安全國家重點實驗室，上海 200135； 2.武漢理工大學 交通學院，武漢 430063)

0 引 言

近年來，造船界越來越關注艉壓浪板和艉垂直板(也稱艉阻板、艉插板和截流板等)對船舶航行態(tài)勢和阻力性能的影響，開展了諸多研究。在艉壓浪板方面:邵世明等[1]和趙邊恩等[2]對高速艇艉壓浪板的長度和安裝角等進行一系列的試驗研究，給出艉壓浪板長度估算公式；蔣一等[3]對艉壓浪板對滑行艇阻力性能的影響進行試驗研究，驗證合適的艉壓浪板尺寸和安裝角可提升滑行艇的快速性能；趙超[4]通過數(shù)值模擬對艉壓浪板的減阻機理進行研究，初步認定艉壓浪板能改變滑行艇底部的壓力和艉后流場，使摩擦阻力和興波阻力等發(fā)生變化，總阻力減小。在艉垂直板方面:郭春雨等[5]、馬超[6]和周廣禮等[7]分別研究艉垂直板對深V型船和滑行艇等船型的快速性能的影響，在改善航態(tài)和阻力性能等方面得到較為滿意的結(jié)果；黃技[8]通過數(shù)值模擬對艉垂直板的減阻機理進行研究，初步認定船舶高速航行時阻流板的阻礙作用會使艉部流線在阻流板前方發(fā)生偏轉(zhuǎn)、繞過阻流板，導致艉流場發(fā)生改變、虛長度增加，同時阻流板的阻礙作用會導致船舶的升力增大，船體出現(xiàn)抬升，濕表面積減小，船舶的總阻力減小。然而，已有研究基本上局限于對艉壓浪板或艉垂直板進行獨立研究，很少對二者進行比較，本文通過模型試驗探索艉壓浪板與艉垂直板對淺吃水高速船快速性影響的定量差異，研究二者相互替代的可能性，為工程應用提供參考。

1 試驗模型和試驗方案

1.1 試驗模型和附體尺寸

本文選擇的淺吃水高速船模型見圖1，艏部為縱流平頭型，后部為滑行艇型，艉部為方型，其主要要素見表1。邵世明等[1]認為艉壓浪板的長度取船長的1%～2%為宜，本文中艉壓浪板的長度為35 mm,安裝角度分別為0°、4°和6°，艉垂直板的浸深(垂直板垂直向下超過艉封板邊緣的尺寸)分別為4.0 mm、3.5 mm和3.0 mm。

圖1 試驗模型示意

參數(shù)船模艉壓浪板艉垂直板LWL /mB/mT/m長度/mm角度/(°)浸深/mm數(shù)值1.750.500.10350、4、64.0、3.5、3.0

1.2 試驗方案

按照國際拖曳水池會議(International Towing Tank Conference, ITTC)推薦的靜水阻力試驗規(guī)程,依次開展無附體模型靜水阻力試驗、帶艉壓浪板模型靜水阻力試驗和安裝不同浸深(h)艉垂直板模型靜水阻力試驗。在試驗過程中測量船模阻力和縱傾等試驗數(shù)據(jù)，采用弗勞德二因次方法進行數(shù)據(jù)處理，并采用無量綱型式對部分試驗數(shù)據(jù)進行表達，其中：無量綱的航速用Fr表示;無量綱的模型總阻力系數(shù)、摩擦阻力系數(shù)和剩余阻力系數(shù)分別用Ctm、Cfm和Crm表示[9];船模的縱傾角用θ表示。

(1)

(2)

(3)

Crm=Ctm-Cfm

(4)

2 帶不同安裝角度艉壓浪板船模靜水性能比較

首先開展無附體模型靜水阻力試驗;隨后在船模艉部安裝艉壓浪板，并調(diào)節(jié)艉壓浪板的安裝角度，分別開展帶不同安裝角度(0°、4°和6°)艉壓浪板模型靜水阻力試驗；由此得到不同方案在設計航速處(Fr=1.185)的試驗結(jié)果(見表2)。

2.1 模型阻力

帶不同安裝角度艉壓浪板模型與無附體模型的總阻力系數(shù)比較見圖2。

表2 帶不同安裝角度艉壓浪板模型靜水阻力試驗結(jié)果

由圖2可知，在安裝長度為35 mm的艉壓浪板之后，船模的總阻力系數(shù)顯著減小，艉壓浪板安裝角度為0°、4°和6°的船模的總阻力系數(shù)分別減小約15.4%、21.0%和23.2%。由此可知，艉壓浪板的安裝角度越大，其減阻效果越明顯，但隨著艉壓浪板的安裝角度逐漸增大，其減阻幅度逐漸平緩。此外，艉壓浪板的安裝角度增大會對其結(jié)構(gòu)強度等產(chǎn)生影響。因此，艉壓浪板的安裝角度不宜過大，需綜合考慮，設計出合適的艉壓浪板。

2.2 模型縱傾

帶不同安裝角度艉壓浪板模型與無附體模型的縱傾角結(jié)果見圖3。

圖2 帶不同安裝角度艉壓浪板模型與無附體模型的總阻力系數(shù)比較

圖3 帶不同安裝角度艉壓浪板模型與無附體模型的縱傾角比較

由圖3可知，安裝艉壓浪板之后，模型的縱傾角大幅減小，艉壓浪板的安裝角度越大，模型的縱傾角越小。當艉壓浪板的安裝角度為6°時，模型的縱傾角為2.5°，恰好達到最佳縱傾角[2]，說明通過安裝合適的艉壓浪板，可使船舶按期望的縱傾角航行。試驗結(jié)果表明,在本文研究的船模艉部安裝長度為35 mm、角度為6°的艉壓浪板較為合適。

3 不同艉垂直板的比選

艉垂直板的浸深參照艉壓浪板的浸深設計，艉壓浪板的長度與安裝角度之間的幾何關系可估算為

h=l×tanθ

(5)

式(5)中:l為艉壓浪板長度；h為垂直板高度；θ為艉壓浪板安裝角。根據(jù)上述艉壓浪板的試驗結(jié)果，選擇安裝長度為35 mm、安裝角度為6°，將其代入式(5)，估算得到艉垂直板的浸深約為3.7 mm。參照艉垂直板最佳方案對應的浸深結(jié)果，選擇4.0 mm、3.5 mm和3.0 mm等3種浸深的艉垂直板開展模型試驗，得到設計航速處(Fr=1.185)不同方案的試驗結(jié)果見表3。

表3 安裝不同艉垂直板的模型靜水阻力試驗

3.1 阻力比較

帶不同浸深艉垂直板模型與無附體模型的總阻力系數(shù)比較見圖4。

由圖4可知：加裝浸深為4.0 mm的艉垂直板之后，模型的總阻力系數(shù)減幅不明顯，約為5.3%；當逐漸減小艉垂直板浸深到3.0 mm時，模型的總阻力系數(shù)迅速減小，幅度達到20%以上，說明安裝合適尺寸的艉垂直板可很好地改善船模的阻力性能。

3.2 縱傾角比較

帶不同浸深艉垂直板模型與無附體模型的縱傾角比較見圖5。

圖4 帶不同浸深艉垂直板模型與無附體模型的總阻力系數(shù)比較

圖5 帶不同浸深艉垂直板模型與無附體模型的縱傾角比較

由圖5可知：加裝4.0 mm的艉垂直板之后，模型的縱傾角減小到1°左右;當逐漸調(diào)節(jié)艉垂直板的浸深到3.0 mm時，模型的縱傾角隨之增大到2.2°左右，與最佳縱傾角接近。這說明通過安裝合適浸深的艉垂直板可使船舶達到期望的縱傾角。本文研究的船模安裝浸深為3.0 mm的艉垂直板較為合適。此外，艉垂直板的最佳浸深與艉垂直板幾何關系的普適性有待進一步研究，需針對特定船型開展深入研究。

4 艉壓浪板與艉垂直板靜水性能對比

下面對上述性能較好的艉垂直板(浸深為3.0 mm)與艉壓浪板(安裝角度為6°)的靜水性能進行比較。

4.1 阻力比較

帶艉壓浪板模型與帶艉垂直板模型的阻力性能比較見表4和圖6。

表4 帶艉壓浪板模型與帶艉垂直板模型的阻力性能比較

圖6 帶艉壓浪板模型與帶艉垂直板模型的阻力性能比較

從圖6中可看出，2種方案(艉垂直板方案和艉壓浪板方案)在Fr=1.12附近相交:當Fr<1.12時，艉壓浪板的減阻效果較好；當Fr>1.12時，艉垂直板的減阻效果較好。2種方案的減阻效果相差3%左右，說明二者的減阻機理雖然不同，但都可獲得良好的減阻效果，比較而言艉垂直板對速度變化較為敏感。

4.2 縱傾比較

帶艉壓浪板模型與帶艉垂直板模型的縱傾比較見表5和圖7。

表5 帶艉壓浪板模型與帶艉垂直板模型的縱傾比較

從表5和圖7中可看出，無論是艉壓浪板方案還是艉垂直板方案，縱傾角隨速度的變化均較小，在2.5°(或2.3°)左右，這說明2種方案的作用原理雖然不同，但改善船舶航態(tài)的效果相差不大。

5 結(jié) 語

通過在拖曳水池對安裝系列艉壓浪板和艉垂直板的淺吃水高速船模型進行靜水拖曳試驗，主要得到以下結(jié)論:

1) 在艉部加裝合適尺寸的艉壓浪板可有效解決船?？v傾過大的問題，并能改善船模的阻力性能。隨著艉壓浪板的安裝角增大，當縱傾角接近最佳縱傾角時，減阻效果更好，但隨著艉壓浪板安裝角度增大，其減阻幅度逐漸平緩。

2) 在艉部加裝合適浸深的艉垂直板可有效改善船?？v傾過大的問題，并能提升船模的阻力性能。艉垂直板浸深尺度只有艉壓浪板長度的10%左右，為毫米量級，對船?？傮w性能的影響更加敏感，在試驗過程中需加以重視。

3) 安裝尺寸合適艉壓浪板和艉垂直板的船模都可獲得比較好的減阻效果和航態(tài)改善效果，雖然艉壓浪板和艉垂直板的減阻機理可能不太一樣，但二者的減阻差異并不是十分明顯。

4) 本文僅研究艉壓浪板和艉垂直板的靜水性能，二者在波浪中的性能差異仍需進一步探討。