小水線面雙體船興波阻力特性研究

劉 軍 易 宏

(上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院 上海 200240)

0 引 言

小水線面雙體船SWATH又稱為半潛式雙體船(semisubmerged catemaran,SSC),是一種排水型高性能船型,它由深淺于水下的2個(gè)魚類狀主體、高出水面的上層建筑,以及連接水下主體和上層建筑的小展弦比薄翼狀支柱組成.從上世紀(jì)70年代開始,許多國家對小水線面雙體船的性能及應(yīng)用前途展開了廣泛的研究,實(shí)船也投入到使用中.而到目前為止,小水線面雙體船基本為直支柱式,關(guān)于斜支柱式的研究國內(nèi)很少涉及,世界上也只有美國SeaShadow一條斜支柱式小水線面雙體船實(shí)船.斜支柱 SWATH除具備常規(guī)SWATH優(yōu)異的阻力及耐波性能以外,還具有優(yōu)良的隱身性能,從目前發(fā)表的關(guān)于SWA TH阻力性能研究的文獻(xiàn)來看[1-3],研究對象主要是直支柱SWATH.文獻(xiàn)[4]中雖然采用Noblesse的新細(xì)長船興波阻力理論對斜支柱SWATH興波阻力,但沒有分析斜支柱傾角對SWATH船型興興波阻力的影響.

本文利用線性興波理論,采用數(shù)值計(jì)算方法對斜支柱SWATH興波阻力性能進(jìn)行研究,重點(diǎn)分析了支柱間距、支柱傾角對興波阻力的影響,同時(shí),將一部分結(jié)果與模型試驗(yàn)進(jìn)行了對比分析,二者擬合比較好,也表明線性興波計(jì)算方法,能夠在斜支柱SWATH設(shè)計(jì)之初及模型試驗(yàn)之前,對船型進(jìn)行初步分析研究,有助于減少設(shè)計(jì)費(fèi)用,提高設(shè)計(jì)效率.

1 小水線面雙體船興波阻力計(jì)算基本理論

小水線面雙體船興波阻力計(jì)算可以通過擴(kuò)展米切爾(M ichell)瘦船理論得到.即通過在船體中縱剖面布置一系列點(diǎn)源σi,在船體表面布置一系列偶極子μi,來模擬船體周圍流場,然后運(yùn)用勢流理論,即可得到船體所受到的興波阻力.

船體流場勢流函數(shù)可以由格林函數(shù)得到

偶極子強(qiáng)度可表示為

運(yùn)用運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)以及船體表面和水底條件等邊界條件,可以得到作用在船體表面的興波阻力為

式中:k0=g/U2;Si為船體表面在中縱剖面上的投影 ;σi(ξi,ζi)為在(ξi,ζi)處的點(diǎn)源強(qiáng)度;μi(ξi,)為在處的偶極子強(qiáng)度.

為了能夠?qū)κ?2)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,船體表面形式必須以函數(shù)形式給出,而通常情況船體表面形狀是以型線值的形式給出的,如何通過型線值近似得到船體表面的函數(shù)表示,下節(jié)將給出具體的計(jì)算方法.

4）加強(qiáng)輿論宣傳。要利用廣播、電視、網(wǎng)絡(luò)、宣傳欄和標(biāo)語等多種方式廣泛宣傳，使4類重點(diǎn)對象農(nóng)村危房改造政策深入人心，引導(dǎo)社會各界積極參與、大力支持農(nóng)村危房改造工作，形成良好的社會氛圍。

2 數(shù)值計(jì)算方法

運(yùn)用帳篷函數(shù),可近似得到船體表面的函數(shù)表現(xiàn)形式,其中,帳篷函數(shù)是船體型線值的線性函數(shù),以(xm,zn)作為網(wǎng)格中心點(diǎn),帳篷函數(shù)表述為

于是可以得到船體表面近似的函數(shù)表達(dá)式

式(3)計(jì)算 ,即可得到 Piσ ,Qiσ .

對于偶極子 μi強(qiáng)度的計(jì)算,可參照文獻(xiàn)[1]中 ,代入式(4)即可得到 Piμ,Qiμ.

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 計(jì)算船型

本文計(jì)算基本船型以為一直支柱SWATH為基本船型,首尾均為橢球型,取右手坐標(biāo)系oxyz,坐標(biāo)原點(diǎn)o位于主體中軸線的中部,x軸指向船首為正,x軸垂直向上為正,y軸指向右舷為正.直支柱半寬水線由下式確定主體的平行中體為一圓主體.首尾兩端各為半個(gè)橢球,其oxyz截面曲線方程分別為

如圖1所示

圖 1 直支柱SWATH船型(橢球首部)示意圖

3.2 計(jì)算條件

計(jì)算區(qū)域?qū)挾葹?.7倍船寬,長度方向首部以外0.5倍船長,尾部以外1倍船長,水深為無限水深.船型數(shù)據(jù)由T ribon導(dǎo)出,并統(tǒng)一除以船長L,進(jìn)行無量綱化,三維建模中調(diào)整傾角、支柱中心間距變化,并用T ribon導(dǎo)出.自由面元數(shù)量以計(jì)算結(jié)果收斂為準(zhǔn).保持SWATH排水體積不變,對不同支柱中心間距、不同支柱傾角的興波阻力系數(shù)對比分析,其中,支柱中心間距變化范圍0.2～ 0.6倍船長,傾角變化范圍 0～ 50°,具體計(jì)算結(jié)果見下節(jié).

3.3 結(jié)果分析

通過計(jì)算分析,發(fā)現(xiàn)SWATH支柱中心間距、傾斜角度的變化都對 C w有一定的影響,同時(shí),Fr的變化對不同SWATH的C w呈現(xiàn)幾乎相同的曲線走勢,具體計(jì)算結(jié)果分析如下.

1)由圖2不難發(fā)現(xiàn),直支柱SWATH片體間距對Cw產(chǎn)生較大的影響,尤其是當(dāng)片體間距約小于0.16倍船長時(shí),C w發(fā)生急劇變化,且在Fr=0.5附近,C w急劇增加.

圖2 直支柱SWATH不同支柱間距興波阻力系數(shù)對比

圖3 2b=0.4L,Fr=0.5時(shí),直支柱SWATH波浪高度分布

2)由圖4可以看出,當(dāng)SWATH片體間距約大于0.3倍船長時(shí),由計(jì)算所得,C w在所計(jì)算Fr范圍內(nèi),都小于同樣船型單體船的Cw,并且當(dāng)0.3＜Fr＜0.6時(shí),片體間距越大,C w越小,當(dāng)Fr＜0.3時(shí),片體間距對C w的影響很小,而當(dāng)Fr＜0.6時(shí),片體間距越大,Cw越大.

圖4 直支柱SW ATH與單體船興波阻力系數(shù)對比(有利片體干擾)

圖5 Fr=0.5時(shí),單體船型波浪高度分布

3)由圖6可知,當(dāng)片體間距約小于0.16倍船長,在所計(jì)算大多數(shù) Fr范圍內(nèi),直支柱SWATH的C w大于同船型單體船的C w,說明在此范圍內(nèi)的片體間距,SWATH片體之間將產(chǎn)生不利的興波干擾,尤其是當(dāng)Fr在0.5左右時(shí),Cw急劇增加;當(dāng)0.3＜Fr＜0.4,0.6＜Fr＜0.7時(shí),直支柱SWATH的C w小于同船型單體船的C w,說明片體間產(chǎn)生了有利的興波干擾;當(dāng)Fr＜0.1或Fr＞0.8時(shí),直支柱SWATH與同船型單體船的C w十分接近.

圖6 直支柱SW ATH與單體船興波阻力系數(shù)對比(不利片體干擾)

4)由圖7不難發(fā)現(xiàn),同一支柱間距,支柱傾角的變化,對C w有一定影響,尤其是Fr在0.5附近,Cw變化較大,同一支柱間距下,當(dāng)傾角小于20°時(shí),斜支柱SWATH與直支柱C w幾乎相等,而當(dāng)傾角大于20時(shí),斜支柱SWATH的C w大于直支柱C w,這也可以很直觀理解為當(dāng)傾角增大到一定程度時(shí),兩船體間的波浪干擾更趨不利,從而導(dǎo)致Cw增大.

圖7 直支柱與斜支柱SWATH(2b=0.4L)興波阻力系數(shù)對比

5)如圖8,9可知,直支柱/斜支柱SWA TH的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本吻合,而如圖所示測試結(jié)果總體上稍大于數(shù)值計(jì)算結(jié)果,分析可能主要因?yàn)閷?shí)驗(yàn)結(jié)果Cr還包括一部粘壓阻力和模型附體影響等組合成份.

4 結(jié) 束 語

圖8 SWATH(2b=0.4L,直支柱)興波阻力系數(shù)理論與實(shí)驗(yàn)值對比

圖 9 斜SW ATH(2b=0.4L,傾角20°)興波阻力系數(shù)理論與實(shí)驗(yàn)值對比

文中數(shù)值計(jì)算結(jié)果較好地反映了SWATH興波阻力系數(shù)C w隨Fr的變化規(guī)律,并且與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好,可以作為SWATH設(shè)計(jì)處理階段,作為評價(jià)設(shè)計(jì)方案好壞的重要標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合適當(dāng)?shù)拇w拖模,可以大大提高設(shè)計(jì)效率、節(jié)省研制經(jīng)費(fèi).另外,文中沒有分析SWATH船體首尾部線型、片體線型以及相關(guān)附體對興波阻力的影響,下一步將深入開展研究工作.

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