高速輕型穿浪雙體船縱向運動改善措施研究

鄭 義 董文才

海軍工程大學 船舶與動力學院，湖北 武漢430033

高速輕型穿浪雙體船縱向運動改善措施研究

鄭 義 董文才

海軍工程大學 船舶與動力學院，湖北 武漢430033

針對在改善高速輕型穿浪雙體船（WPC）迎浪中波長與船長接近時縱向運動幅度較大的缺點，采用了理論計算與模型試驗相結合的方法，對250 t級穿浪雙體船開展了水翼改善縱向運動的理論和試驗研究，分析了水翼形式、尺度和安裝位置等對縱向運動的影響規律。數值計算和試驗結果的比較表明，計及水翼—船體水動力干擾影響的切片理論可滿足WPC加水翼后波浪中縱向運動計算的需要，但在縱向運動響應峰值處數值計算結果偏高。模型試驗表明，250 t級WPC加裝水翼后，迎浪縱搖和垂蕩有義幅值可減少20%～30%。

穿浪雙體船；縱向運動；水翼；耐波性

1 引言

穿浪雙體船（WPC）綜合了深V型船和小水線面船的優點，具有較好的耐波性、穩性和快速性［1-2］，是目前國際造船界大力開發的新型船舶。該船型在我國也得到了高度重視，我國新研制的用于臺灣海峽的“海峽號”工作船也采用了穿浪雙體船型。然而，由于受到排水量以及船體尺度的限制，輕型WPC在一些海區的縱向運動幅度仍然較大。尤其在海浪波長與船長較為接近的海區航行時，其垂蕩和縱搖幅值將會變大，存在暈船率較高的問題。國內外高速船一般采用帶有自動控制系統的T型水翼和艉板裝置來改善WPC的耐波性［3-5］。考慮到高速輕型WPC在國內批量建造且其縱向運動需要改善的客觀現實，在國家自然科學基金以及相關科研項目的支持下，開展了250 t級高速輕型WPC減搖水翼的理論及試驗研究工作。

2 水翼參數設計

借鑒水翼船和水翼復合船型的水翼設計經驗［6-10］，可利用水翼在波浪中運動時的附加質量和阻尼來減小船的運動響應。圖1所示為250 t級WPC，編號為HG-01。結合此船型的特點，可采用首、中、尾3組水翼的設計形式。為保持WPC原有的穿浪航行特性，應盡量減小水翼對原有航態的影響。在主要航速段，首中尾3組水翼的動升力應基本抵消，這與水翼船或水翼復合船型［6-7］依靠水翼動升力來直接抬升船體是不同的。

圖1 HG-01船型的三維設計圖Fig.1 3D design sketch of the HG-01 WPC

首水翼主要發揮消波減阻的作用，兼有減縱搖和提供縱向平衡力矩的作用。將其安裝在片體穿浪艏內側，從保證結構強度考慮，可采用展弦比1.0～1.5的薄翼。首水翼還可采用帶下反角的安裝形式，以進一步增大平均浸深，從而減少在大浪中出水的概率，并降低出水后下落時水翼受到的沖擊力。注意，首水翼消波減阻的效果還可部分抵消加裝水翼后的增阻。

中水翼主要起到減小船體垂蕩的作用。縱向位置靠近船體重心，貫通兩片體內側，可采用V型且有后掠外形的薄翼。水翼V型結構可以增大水翼平均浸深，還可減小出水后下落引起的沖擊力。而水翼的后掠外形，則可增大水翼投影面積，進而增大附加質量和阻尼。由于中部兩片體間跨度較大，應在中水翼中部加設支柱，并與船體連接橋相接。

尾水翼主要起到減縱搖和提供縱向平衡力矩作用。將其安裝在靠近船尾處，可采用水平貫通片體兩側布置方式。由于船尾部受波浪影響較小，尾水翼外形可使用簡單平面矩形，并在中部加設支柱。

根據以上分析給出的水翼設計參數如表1所示。表中，L為船片體的總長；Δ為全船排水量；為水翼相對厚度；c為水翼弦長。作為對比，中水翼采用A、B 2種方案，水翼安裝如圖2所示。

表1 水翼設計參數Tab.1 Hydrofoil design parameters

圖2 水翼安裝形式示意圖Fig.2 Profile of the hydrofoils

3 耐波性理論計算方法

3.1 理論計算方法概述

基于S.T.F法的切片理論，并計及船體和水翼的粘性及水翼升力的影響，建立了縱向運動理論計算方法。假設航行區域水深無限，船以恒定速度作直線航行，入射波為規則波，波幅相等。采用右手直角隨船坐標系OXYZ，其以船的平均速度隨船平移前進。坐標原點O位于未受擾動的靜水表面上，X軸指向船的前進運動方向，Y軸指向船左舷，Z軸通過船的重心垂直向上，XOY平面與靜水面重合，XOZ平面與船的中縱剖面重合。經過簡化后的縱向運動（縱搖與升沉）方程可以表達為［8］：

勢流部分數值計算的關鍵是二維剖面振蕩速度勢和水動力系數的求解，本文采用弗蘭克精確擬合源分布法來求解水動力系數［8］。

3.2 水翼對船體水動力的影響

WPC加裝水翼后，水翼對其水動力系數及波浪擾動力和力矩有較大影響。從理論上進行分析，水翼對WPC水動力的影響主要包括：翼升力的影響；水翼粘性力的影響；水翼和船體之間的干擾效應等。

文獻［8］對小水線面雙體船鰭的計算給出了經驗公式，文獻［9］采用勢流理論對常規船舶加裝水翼（或鰭）進行了數值計算模擬。對水翼與船體之間的粘性影響，目前有效的計算方法是基于有限體積法的CFD方法等。

3.2.1 水翼升力系數的計算

表2 水翼升力系數計算結果比較Tab.2 Lift coefficient of the hydrofoils

3.2.2 附加質量的計算

本文采用附連水質量手冊法［13］和Sarpkaya法［14-15］計算水翼的附加質量。這2種方法也是“理論計算+試驗修正”的計算公式和圖表。作為簡化計算方法，忽略了振蕩頻率的影響。取附加質量系數為：

表3 水翼附加質量系數計算結果比較Tab.3 Added mass coefficient of the hydrofoils

4 理論計算方法的考核

4.1 試驗模型

為考核本文所提出的WPC加水翼縱向運動理論計算方法，并從試驗的角度來分析加水翼對WPC縱向運動的影響規律，在中國特種飛行器研究所高速拖曳水池中進行了模型試驗。試驗水池長 510 m，寬 6.5 m，水深 5 m。根據 HG-01線型建造縮尺模型，如圖3所示。模型總長3.0 m，重量為68.5 kg。分別進行了不加裝水翼、加裝水翼A方案和水翼B方案共3種狀態的迎浪規則波試驗。3種狀態下重心縱向位置、重心高度和縱向慣性矩保持不變。

圖3 HG-01試驗模型照片Fig.3 Test model of the HG-01 light WPC

4.2 理論計算與模型試驗結果比較

根據前文建立的計算方法，通過計算得到了水翼穿浪船的迎浪縱搖和垂蕩計算值。加裝水翼前后，垂蕩與縱搖響應算子（RAO）的計算值與試驗結果值的對比如圖4、圖5所示。由圖4、圖5可見，在有水翼及無水翼狀態下，計算值與試驗值相比，在運動響應峰值處計算值高于試驗值；而在長波范圍內（λ／L≥2.5）計算值則低于試驗值。 當在RAO相應曲線的變化規律上，試驗值與計算值總體相同。在水翼作用的影響上，試驗值與計算值也表現了相同的規律， 即在 λ ／L=1.0～2.5 范圍內，加裝水翼使垂蕩減小；在 λ／L=1.0～4.0 范圍內，加裝水翼使縱搖減小；垂蕩和縱搖的響應峰值減小在30%以上。

圖4 迎浪垂蕩RAO計算值與試驗值比較Fig.4 Heaving RAO Cal.vs.Test

圖5 迎浪縱搖RAO計算值與試驗值比較Fig.5 Pitch RAO Cal.vs.Test

5 水翼參數變化對縱向運動的影響

5.1 中水翼參數的影響

對表1提出的A、B 2種中水翼方案，計算和試驗得到的RAO如圖6和圖7所示。數值計算和試驗結果均表明，2種方案RAO結果相近，垂蕩RAO 差別較小，而在 λ／L=1.8～3.2 時內 B 方案縱搖RAO小于A方案。

圖6 2種方案迎浪垂蕩RAO計算值比較Fig.6 Calculated heaving RAO foil A vs.B

圖7 2種方案迎浪縱搖RAO計算值比較Fig.7 Calculated pitch RAO foil A vs.B

5.2 首水翼和尾水翼參數的影響

只安裝首、中、尾水翼3組水翼中的一組時，計算得到WPC迎浪縱向運動RAO如圖9和圖10所示。比較可知3組水翼中，中水翼減垂蕩效果顯著，而尾水翼減縱搖效果顯著。常規WPC多采用T型水翼和自控艉板進行縱向運動控制。相比而言，本文尾水翼的減搖效果與艉板相近，而中水翼的減垂蕩效果在輕型WPC上的減垂蕩效果更為明顯。

圖9 只安裝單組水翼時的垂蕩RAO計算值Fig.9 Heaving RAO with only one set of hydrofoils

圖10 只安裝單組水翼時的縱搖RAO計算值Fig.10 Pitch RAO with only one set of hydrofoils

在只裝有首水翼的情況下，變化首水翼縱向位置（選取30%L、24%L和20%L），計算得到的縱搖RAO如圖11所示。由圖中數據可知，首水翼越靠近船首（即越遠離重心）減搖效果越好，同理易推知對于尾水翼是越靠近船尾 （同樣是越遠離重心）減搖效果越好。但必須注意，首水翼消波減阻要求的安裝位置與船體興波特性相關，這也是本文設計中選取現有首水翼位置的原因。此方面內容主要涉及阻力和船體波形的計算，本文不贅述。

圖11 首水翼縱向位置對縱搖RAO的影響Fig.11 Pitch RAO of different bow foil position

6 加裝水翼后耐波性的改進

圖12 安裝水翼前后迎浪有義垂蕩值之比Fig.12 Relative significant heaving in seaway

圖13 安裝水翼前后迎浪有義縱搖值之比Fig.13 Relative significant pitch in seaway

理論計算結果與模型試驗預報值相比，減垂蕩效果與試驗結果較為接近，相差在10%以內。減縱搖效果在Fn＝0.61和0.71時與試驗結果相差10～15%，但預報減搖效果要大于試驗所得減搖結果；而在Fn＝0.91時，計算結果與試驗結果相差達30～40%。總體上說，前文所建立的理論計算方法有一定指導意義，但還需進一步改進。

7 結論

1）為改善迎浪縱向運動特性，對250 t級輕型穿浪雙體船加裝首、中、尾3組水翼，迎浪縱向運動減小幅度可達20%～30%。首水翼采用小展弦比梯形翼，安裝在片體內側中前部；中水翼采用大展弦比后掠翼，縱向安裝位置靠近船體重心，橫跨于2個片體之間；尾水翼采用大展弦比矩形翼，靠近片體尾部，同樣橫跨于2個片體之間；

2）基于S.F.T切片法，采用實用工程算法計算水翼升力系數和附加質量，得到適用于加裝減搖水翼的雙體穿浪船迎浪縱向運動理論計算方法。計算結果與試驗結果比較接近，可用于該船型初步設計階段耐波性的計算預報。

穿浪雙體船加裝水翼后，雖然迎浪縱向運動有顯著改進，但中低航速下的靜水阻力有所增大。后續研究將開展對翼型和水翼裝置進行精細設計，以進一步減小阻力。此外，還需進一步完善耐波性理論預報方法，更充分地考慮水翼與船體間的相互干擾作用和非線性影響因素，以進一步提升高航速段下預報精度。

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Improvement of Longitudinal Motion Performance of High Speed Light Wave－Piercing Catamaran by Hydrofoils

Zheng YiDong Wen－cai

College of Naval Architecture and Power， Naval University of Engineering， Wuhan 430033， China

The pitch and heave motion range of high speed light wave-piercing catamaran （WPC） in head sea would become much higher while wave length near the ship length.Theoretical approaches together with model test were induced to provide a longitudinal motion performance improvement for a 250 t WPC using hydrofoils.The influence of the hydrofoils parameters， such as the shape， size and mounting locations， were investigated.A comparison of numerical calculation results and test data suggests that the strip method， with hydrodynamic interactions between hydrofoil and the hull taken into account， is applicable to the longitudinal motion prediction of WPC with hydrofoils，though the calculated RAO is a little bigger which near the RAO peak value.Based on the model test data， the significant amplitude of heave and pitch of the tested model in head sea reduced 20%～30%with the hydrofoils installed.

Wave-Piercing Catamaran； longitudinal motion； hydrofoil； seakeeping

U661.32

A

1673-3185（2012）02-14-06

10.3969/j.issn.1673-3185.2012.02.003

2011-09-09

國家自然科學基金資助項目（50879090）

鄭 義（1981-），男，博士研究生。 研究方向：高性能船。E-mail：samcool10102＠yahoo.com.cn

董文才（1967- ） ，男，博士，教授。 研究方向：船舶流體力學。 E-mail：haigongdwc＠163.com

董文才。

［責任編輯：饒亦楠］