滑行艇波浪中運動性能試驗研究

陶 磊，高霄鵬

(海軍工程大學(xué) 艦船與海洋學(xué)院，湖北 武漢 430033)

0 引 言

滑行艇不同于傳統(tǒng)的依靠靜浮力支撐船體重量的排水船，滑行艇所受的浮力成分隨著航速增大發(fā)生變化，在滑行艇高速航行時，艇體重量幾乎全由作用于滑行艇艇底的流動升力支撐。由于艇底壓力分布對滑行艇航行性能影響很大，而且滑行艇排水量較小，受到波浪作用時容易發(fā)生抨擊出水等現(xiàn)象，這使得耐波性成為限制滑行艇使用的重要原因[1]。

滑行艇在波浪中的運動具有強烈的非線性，使得傳統(tǒng)排水船的線性理論不能適用于滑行艇。研究滑行艇在波浪中運動主要有理論方法和模型試驗方法。由于傳統(tǒng)理論預(yù)報存在一定難度，波浪中進行模型試驗仍然是研究滑行艇耐波性能很有效的方法。Fridsma 于1969 年進行了一系列滑行艇靜水及規(guī)則波中的試驗，試驗中探究了縱傾角、自重、傅汝德數(shù)、斜升角等單一參數(shù)對滑行艇靜水阻力性能以及在規(guī)則波中垂向加速度的影響[2]。日本學(xué)者片山等[3]運用小尺度滑行艇模型進行了滑行艇規(guī)則波中迎浪運動試驗，為滑行艇水動力研究提供了大量參考資料。董文才教授等[4]對深V 型滑行艇模型進行了規(guī)則波頂浪縱向運動試驗，證實了相同航速下滑行艇在波浪中航行的縱向運動是相對于靜水浮態(tài)的升沉縱搖運動。

本文對某自主開發(fā)的滑行艇[6-7]進行了模型的頂浪規(guī)則波和不規(guī)則試驗，通過分析試驗數(shù)據(jù)，探究該滑行艇的波浪中運動性能，為進一步研究提供試驗依據(jù)。

1 試驗設(shè)備模型與試驗內(nèi)容

1.1 試驗設(shè)備

本次試驗在中國特種飛行器研究所高速水動力實驗室室內(nèi)拖曳水池進行，該水池拖車速度最高可達(dá)25 m/s，能夠滿足滑行艇試驗高航速要求。水池長度510 m，寬6.5 m，水深5.0 m。水池造波機可造規(guī)則波波長范圍0.5～15 m，波高范圍0.03～0.50 m，可造各類長峰不規(guī)則波。

1.2 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

本次試驗的對象是自主開發(fā)的某新型滑行艇模型，模型主尺度在表1 中給出。模型主體材料為木料，為了使模型表面光滑，模型表面經(jīng)做防水、噴漆處理，符合規(guī)定的允許誤差標(biāo)準(zhǔn)。

表1 模型特征主尺度Tab. 1 Model feature master scale

1.3 試驗工況

首先進行模型靜水阻力試驗，試驗時釋放船體升沉及縱傾的運動自由度，采用角度傳感器測量船?？v傾值，采用位移傳感器測量船模重心處的升沉值，通過與牽引繩連接的阻力傳感器測量船體受到的阻力。為了使水面恢復(fù)足夠平靜，消除殘余船行波的影響，每個試驗工況間隔至少10 min 進行。

規(guī)則波中運動響應(yīng)取試驗速度為Fr=2.652，3.713及4.244，本文中Fr均為排水體積傅氏數(shù)。開展規(guī)則波試驗時，波長范圍為2～20 m。名義波高取60 mm，試驗過程中測量實際波高，誤差在5%以內(nèi)。

表2 規(guī)則波試驗工況Tab. 2 Regular wave test conditions

由于實際上海上的風(fēng)浪是極其不規(guī)則的，研究時一般可將海浪視為平穩(wěn)的隨機過程，可用波浪譜模擬實際波浪運動。為了研究該滑行艇在實際海浪中的運動，在水池中進行模型的不規(guī)則波試驗。不規(guī)則波的波浪譜采用ITTC 推薦雙參數(shù)譜：

其中，H1/3表示三一有義波高，T1表示特征周期，ω為波浪圓頻率。特征波高H1/3與特征周期T取值對應(yīng)實際海況級別，模擬實船從2 級到3 級海況下的耐波性能，具體試驗工況如表3 所示。

表3 不規(guī)則波試驗工況Tab. 3 Irregular wave test condition

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 靜水試驗

圖1～圖3 為阻力、縱傾角及升沉隨航速變化曲線，圖3 為靜水阻力試驗中不同航速下的模型拖曳過程中的圖像。為了方便進行分析比較，試驗中測量所得數(shù)據(jù)均做無因次化處理。

從圖1 可以看出，滑行艇在低速航行階段，阻力值隨航速增大增加較快，隨著航速的進一步增加，阻力值有一段變化緩慢區(qū)域，而繼續(xù)增加航速，阻力曲線又有變陡趨勢。這是因為在低速航行階段，摩擦阻力比重較高，阻力與航速的高次方成正比。進入起滑階段，縱傾角增大，艇體抬升出水，濕表面積和排水量減小，摩擦阻力減小，雖然此時飛濺阻力增大，但抵消后阻力曲線變化緩慢。當(dāng)進入更高航速階段后，航速繼續(xù)增大，而由于較高的航速導(dǎo)致嚴(yán)重的飛濺，飛濺阻力迅速增大，占剩余阻力的比達(dá)90%～95%。

圖1 滑行艇單位排水量阻力曲線Fig. 1 Resistance curve of unit displacement of planing boat

圖3 滑行艇無因次升沉曲線Fig. 3 Dimensionless heave curve of planing boat

從圖3 可以看出，在所研究的航速段內(nèi)，該艇先下沉后上升，隨著航速的增加，該艇進入滑行階段后，升沉大幅增加，從而將大部分艇體抬升至水面以上，降低此時的阻力。

結(jié)合圖2 與圖4，可以明顯看出，隨著航速的增加，滑行艇的縱傾角先增大后減小，與傳統(tǒng)滑行艇的縱傾角變化規(guī)律相同。當(dāng)Fr<3，滑行艇處于排水航行和過渡航行階段，隨著航速增大，縱傾角迅速增大，艇首抬升出水?？v傾角達(dá)到最大值后，航速繼續(xù)增加，滑行艇進入滑行狀態(tài)，縱傾開始緩慢減??；當(dāng)Fr>4，縱傾角不隨航速增加而變化，穩(wěn)定在5.5°左右。

圖4 模型縱傾變化Fig. 4 Trim of different speed

2.2 規(guī)則波試驗

2.2.1 縱向運動響應(yīng)分析

圖5 和圖6 為縱搖，垂蕩響應(yīng)算子隨無因次波長λ/L 和的變化曲線。分析垂蕩和縱搖試驗結(jié)果，不同航速垂蕩和縱搖值隨波長增大，并有峰值出現(xiàn)；當(dāng)波長繼續(xù)增大至大于8 倍船長后，垂蕩和縱搖幅值不再變化，且不同速度下響應(yīng)值基本相等。不同速度下垂蕩和縱搖響應(yīng)峰值出現(xiàn)的波長位置不隨速度變化移動，出現(xiàn)在λ/L=5 時；當(dāng)Fr=3.713 時，λ/L=5 附近波長的垂蕩和縱搖響應(yīng)值明顯高于其他兩個速度，這是因為在試驗過程，以上幾個試驗波長艇體出現(xiàn)劇烈的運動響應(yīng)，有抨擊和出水現(xiàn)象，此時響應(yīng)峰值對應(yīng)的遭遇周期 ωe=6.72。

圖5 縱搖響應(yīng)算子隨λ/L 變化曲線Fig. 5 Curve of trim RAO with λ/L

圖6 垂蕩響應(yīng)算子隨λ/L 變化曲線Fig. 6 Curve of sinkage RAO with λ/L

圖5和圖6 也給出了某典型的帶舭部折角線的深V 型滑行艇不同速度段的運動響應(yīng)[4]。從圖中對比可以看出，新型滑行艇的運動響應(yīng)峰值雖然較深V 型滑行艇的峰值偏大，但出現(xiàn)的波長船長比明顯后移；且在波長船長比小于3 之前，新型滑行艇艇的運動響應(yīng)較常規(guī)深V 型滑行艇小。

圖7 和圖8 為縱搖，垂蕩響應(yīng)算子隨遭遇頻率的變化曲線，隨著速度增加，運動響應(yīng)峰值向高頻方向移動。

2.2.2 加速度響應(yīng)分析

圖9 為不同速度下艇重心處垂向加速度值隨波長的變化曲線?？芍?dāng)Fr=3.713 時的重心處垂向加速度最大幅值比其他2 個速度都大，這與觀察到的該試驗速度下的艇體劇烈運動現(xiàn)象相吻合。圖10 為垂向加速度隨遭遇頻率的變化規(guī)律?？梢钥闯觯皖l段不同速度下垂向加速度值很接近，隨著速度增加垂向加速度峰值向高頻方向移動，越過峰值后的垂向加速度與遭遇頻率呈較好的線性關(guān)系。

圖7 縱搖響應(yīng)算子隨遭遇頻率 ωe變 化曲線Fig. 7 Curve of trim RAO with ωe

圖8 垂蕩響應(yīng)算子隨遭遇頻率 ωe變 化曲線Fig. 8 Curve of sinkage RAO with ωe

圖9 船重心垂向加速度隨λ/L 變化曲線Fig. 9 Curve of aG with λ/L

圖10 船重心垂向加速度隨遭遇頻率 ωe變 化曲線Fig. 10 Curve of aG with ωe

2.2.3 波浪阻力增值結(jié)果分析

滑行艇在波浪中航行時，艇體在波浪作用下，產(chǎn)生周期性的搖蕩運動，導(dǎo)致滑行艇所受力情況比靜水復(fù)雜得多。作用在艇體上的波浪力可分為繞射力和因艇體搖蕩而產(chǎn)生的輻射力。在相同航速下，艇體波浪中航行所受的平均阻力較靜水阻力有所增大。阻力增幅的計算方法為：相同速度下，波浪中平均阻力與靜水阻力之差除以靜水阻力，即

式中：η為阻力增幅；Rtav為波浪平均阻力；Rtjs為靜水阻力。

圖10 與圖11 給出了不同航速下阻力平均值和波浪阻力增幅隨著波長的變化曲線。分析發(fā)現(xiàn)，在船體運動響應(yīng)較大時，阻力平均值和阻力增幅也會相應(yīng)有峰值，這是因為阻力增值的主要由繞射增阻以及輻射增阻組成，船體運動響應(yīng)較大時對應(yīng)的輻射增阻也會相應(yīng)增加。從圖中可以看出，不同速度下阻力平均值隨波長變化趨勢相近，阻力均值與速度呈線性關(guān)系。同一速度下，試驗波長的增大，阻力先減小后迅速增大達(dá)到阻力峰值后減小，但當(dāng)波長增大到大于7 倍船長后，繼續(xù)增大波長對阻力平均值影響不大。

圖11 波浪平均阻力曲線Fig. 11 Curve of average wave resistance

圖11同時給出了某典型的帶舭部折角線的深V 型滑行艇的波浪阻力增幅曲線，對比可以發(fā)現(xiàn)，開發(fā)的新型滑行艇的阻力增值較常規(guī)深V 型滑行艇小，阻力增值的優(yōu)勢尤其體現(xiàn)在：當(dāng)Fr>3 滑行艇進入滑行階段后，阻力增幅不隨速度增大而增大；當(dāng)滑行艇在長波中高速滑行時，阻力增幅比在低速航行更小，因此該艇在波浪中航行時相較常規(guī)滑行艇有更好的阻力性能。

表4 規(guī)則波中的阻力增幅Tab. 4 Rate of added resistance in regular waves

2.3 不規(guī)則波試驗

圖12～圖15 為不同速度下縱搖和垂蕩響應(yīng)隨體積傅氏數(shù)和有義波高的變化曲線。分析發(fā)現(xiàn)，垂蕩響應(yīng)和縱搖響應(yīng)隨航速和有義波高增大而增加，垂蕩響應(yīng)與航速與波高具有較好的線性關(guān)系，縱搖響應(yīng)航速與波高具有弱非線性。

圖12 阻力增幅曲線Fig. 12 Rate Curve of added resistance

圖13 垂蕩響應(yīng)隨體積傅氏數(shù)變化曲線Fig. 13 Curve of heave response with Fr

圖14 垂蕩響應(yīng)隨有義波高變化曲線Fig. 14 Curve of heave response with significant wave height

圖15 縱搖響應(yīng)隨體積傅氏數(shù)變化曲線Fig. 15 Curve of trim response with Fr

圖16 縱搖響應(yīng)有義波高變化曲線Fig. 16 Curve of trim response with significant wave height

3 結(jié) 語

本文通過分析滑行艇在波浪中的運動的試驗數(shù)據(jù)和試驗現(xiàn)象，得到以下結(jié)論：

1）λ/L=5（遭遇周期ωe=6.72）時艇體出現(xiàn)劇烈的運動響應(yīng)，有抨擊和出水現(xiàn)象，在航行過程中應(yīng)該盡快加速避過該頻率段。

2）與傳統(tǒng)深V 滑行艇運動對比后發(fā)現(xiàn)，短波中，該滑行艇具有更小的運動響應(yīng)；滑行艇阻力增值相較于深V 滑行艇有所減小，在高速航行時和長波中阻力性能更好；隨著速度增加垂蕩響應(yīng)峰值、縱搖響應(yīng)峰值和垂向加速度峰值都向高頻方向移動；高頻時，加速度與遭遇頻率呈較好的線性關(guān)系。

3）不規(guī)則波試驗中，垂蕩響應(yīng)和縱搖響應(yīng)隨航速和有義波高增大而增加，垂蕩響應(yīng)與航速與波高具有較好的線性關(guān)系，縱搖響應(yīng)航速與波高具有弱非線性。