一種具有傾斜側體的三體船阻力試驗研究

崔 健 文逸彥 陳 鵬 楊松林

江蘇科技大學船舶與海洋工程學院，江蘇鎮江 212003

0 引 言

近年來，高性能船型的研究日趨活躍，如小水線面雙體船、穿浪雙體船和翼滑艇等都是研究和應用較廣的船型。其中，新型的高速三體船更是引起了研究人員的廣泛關注。高速三體船通常由1個主船體、左右2個側船體以及連接主側船體的連接橋組成，其特征是3個船體均為細長片體，主船體的長寬（L/B）比約為13～18，側船體的長度約為主船體長度的1/3，且排水量不超過主船體排水量的10%。與常規單體船相比，這種船型構造使得高速三體船具有興波阻力小、耐波性能優異等特點。由于高速三體船的側體布置方式對三體船的航行性能產生了較大影響，因而研究人員開展了一系列的理論分析與試驗研究［1］。

周廣利等［2］針對高速三體船模型開展了一系列靜水阻力試驗，通過多種設計方案試驗（包括9種側體布局和3種側體排水量變化）發現，在三體船主側體的各種布局中，沒有一種布局方案能在全航速范圍內都優于其他方案。

賈敬蓓等［3］提出了前三體船概念，指出在高航速段將側船體的縱向位置選取在主船體中前位置能明顯改善三體船的阻力性能和運動性能。

郭雷［4］描述了三體船斜側體的概念，并開展了相應的理論分析和試驗研究，得出在低速時，斜側體的阻力要比直側體的阻力略大，而在高速時，斜側體的阻力則比直側體的小的結論。

張雨新［5］在郭雷研究的基礎上探討了帶有攻角的斜側體三體船型阻力等水動力性能的數值模擬，指出適當地傾斜側體并帶有一定的攻角可以使三體船獲得較大的升力及艏傾力矩，有利于改善船體的浮態。與此同時，合理地安排側體傾斜角度和攻角，還可以產生一定的減阻效果，但過大的攻角不僅會使阻力性能惡化，同時也會使側體受到較大的橫向力，威脅船體結構安全。

由此可見，目前相關學者［6-7］研究的重點是三體船側體相對于主船體縱、橫向位置的不同布局對其航行性能的影響，而少見當側體沿其縱中剖面傾斜一定的角度后對三體船剩余阻力的影響，且郭雷也僅給出了一種傾斜角度下的船模阻力試驗分析結果，更多的則是數值模擬分析結果。本文將開展系列三體船模阻力試驗，探討2種排水量、多個傾斜角組合下的不同航速下該三體船船模阻力變化規律，并在試驗傅汝德數范圍內進行分析對比，以探討各種布局對其剩余阻力系數的影響。

1 三體船船模

依據三體船的特征，結合前期的研究工作［8-9］，設計、制作了一艘三體船模，其型線圖和三維效果圖分別如圖1和圖2所示，船模主尺度如表1所示。船模由桐木條、玻璃纖維和環氧樹脂制成。

圖1 三體船船模主船體型線圖Fig.1 The main hull shiplines of trimaran model

圖2 三體船船模三維效果圖Fig.2 The three-dimension graph of trimaran model

表1 三體船船模主尺度Tab.1 Principal dimensions of trimaran model

2 三體船船模試驗方法

2.1 拖曳水池

船模試驗的拖曳水池長100 m，寬6 m，深2.5 m，工作區域水深2 m。裝配在拖車上的測力儀可以測量三體船船模航行時的阻力。實驗中，實驗室的濕度為60%，水溫為11℃。

2.2 試驗準備

在開展拖曳阻力試驗前，必須進行一系列的試驗準備工作，包括：

1）安裝激流裝置。試驗中，采用粘貼砂紙的方式進行測量，粘貼砂紙條的位置在距離船首（設計水線）5%船長處，寬度為12 mm。

2）稱空船重量。

3）安裝導航支架。

4）船模下水，按設計吃水加載砝碼以調整船模的浮態，使其達到正浮狀態。

5）安裝拖線（圖3），調整拖輪高低。拖點、拖線和前后導航架在同一條直線上，且處于船模中縱剖面內。

6）記錄水池溫度，在進行每組試驗前，都要對傳感器進行一次標定，確定傳感器系數。

7）準備工作完成后，先用中等車速將船模拖行一次，進行破水，使水面形成一定的初始紊流度，之后再進行測量。

圖3 拖線的安裝Fig.3 The towed line installation

2.3 試驗方案

本次試驗中，參考了楊大明等［10］開展的三體船船模試驗，選取了較佳的側體縱向位置（l=950 mm）和橫向位置（b=460 mm）作為三體船船模試驗的主要布局，如圖4所示。詳細的設計方案如表2所示。

圖4 三體船船模布局示意圖Fig.4 Demonstration of the arrangement of trimaran model

表2 三體船船模試驗方案Tab.2 The experimental schemes of trimaran model

3 試驗數據處理

3.1 試驗數據

本文根據設定的三體船船模狀態I1～II5，共采集了10組試驗數據，即船模在不同航速下的總阻力Rt，單位N。試驗采集數據如表3所示。

3.2 試驗數據處理

拖曳試驗直接測得的數據為船模在各個狀態下對應于不同航速的總阻力。依據傅汝德假定，可將總阻力分為摩擦阻力和剩余阻力。對于高速三體船而言，隨著傅汝德數的增加，其剩余阻力所占的比重會越來越大，因而分析各個狀態下的剩余阻力系數至關重要。

表3 三體船船模試驗數據Tab.3 The experimental data of trimaran model

3.2.1 計算三體船船模摩擦阻力

采用1957ITTC公式計算摩擦阻力系數，即

由于三體船船模的主體和側體的雷諾數相差較大，因此本文對三體船模的主體和側體的雷諾數、摩擦阻力系數及摩擦阻力分別進行了計算，最后將二者疊加得到三體船船?？偟哪Σ磷枇?。

式中，下標z，c分別表示主體和側體；V為航速；L為水線長；ρ為11℃時水的密度；S為濕面積。

3.2.2 計算三體船船?？諝庾枇?/p>

船舶在航行中，其船體水線以上部分和上層建筑將受到空氣阻力的作用，包括摩擦阻力和粘壓阻力兩部分。考慮到空氣的密度和粘性系數相對于水小得多，故其摩擦阻力只占極小的一部分。就一般船舶而言，其所受到的空氣阻力主要是粘壓阻力：

式中，Raa為空氣阻力；ρa為空氣密度，取1.226 kg/m3；At為船體水線以上部分在橫剖面上的投影面積；Va為空氣對船的相對速度，考慮到拖曳水池在室內，因而取Va=V。

3.2.3 計算三體船船模剩余阻力及剩余阻力系數

三體船船模剩余阻力為總阻力、摩擦阻力以及空氣阻力的差值，即

當三體船船模的側體傾斜一定角度后，在排水量一定的情況下，船模的濕面積和水線長會有一定的變化。本文采取三維建模的方式，通過Maxsurf軟件建模計算各個狀態下三體船船模的濕面積。通過計算發現，主體的濕面積變化幅度較小，即使在側體傾斜20°的狀態下其變化幅度也小于0.5%，而側體的濕面積變化幅度最大則可達15%。

4 結果分析與討論

針對試驗結果，本文將分析、討論三體船船模的阻力，著重考慮不同傅汝德數和雷諾數下側體傾斜角變化及載重量變化對剩余阻力系數的影響。

4.1 不同傅汝德數和雷諾數下剩余阻力系數

考慮到同一航速下三體船主體和側體的水線長相差較大，因而其相應的傅汝德數和雷諾數相差也較大。本文選取三體船主體的傅汝德數和雷諾數作為分析討論其剩余阻力系數的參照。

圖5和圖6所示為側體橫向間距不變，船模排水量為22.5 kg和32.5 kg（即輕載和重載）下的剩余阻力系數變化曲線圖。由圖6可見，在試驗值范圍內，尤其在0.216＜Fr＜0.413(2.28×106＜Re＜4.36×106)區間內，剩余阻力系數的增長速率較大，在0.443＜Fr＜0.556(4.67×106＜Re＜5.86×106)區間內，剩余阻力系數增長變緩。其中，在Fr=0.413（ Re=4.36×106）和 Fr=0.556（ Re=5.86×106）時出現了拐點，之后，剩余阻力系數便出現了不同程度的下降。此現象表明，在拐點處，三體船船模的主體和側體產生的興波產生了有利的干擾，從而降低了航行中的剩余阻力。該現象可以為相應的實船設計航速選擇提供一定的參考，即認為根據不同的設計要求，實船的傅汝德數可選擇區間為0.413～0.443或0.556～0.586有利于降低實船航行過程中的剩余阻力。與圖5不同，圖6所示為在試驗值范圍內剩余阻力系數呈全局增長的趨勢，沒有局部區域下降的現象。本文將圖6中剩余阻力系數的變化稱作多節變化，即由圖可見每一節的增長速率是依次增加的。其出現的節點位置與圖5中的拐點位置一致，因而上述所選擇的實船傅汝德數區間是可取的。

圖5 三體船船模的剩余阻力系數（Δ=22.5 kg）Fig.5 The residual resistance coefficient of trimaran model（Δ=22.5 kg）

圖6 三體船船模的剩余阻力系數（Δ=32.5 kg）Fig.6 The residual resistance coefficient of trimaran model（Δ=32.5 kg）

4.2 側體不同傾斜角度下剩余阻力系數

為了分析討論側體傾斜后對三體船阻力的影響，圖7和圖8分別給出了三體船船模輕載和重載情況時各個傾斜角度所對應的剩余阻力系數隨傅汝德數變化的曲線。由圖7和圖8可見，當側體傾斜一定角度后，三體船的剩余阻力系數發生了一定的變化。具體分析如下：

1）當側體傾斜一定角度后（無論是向內傾斜還是向外傾斜），其剩余阻力系數隨傅汝德數變化的曲線和0°時較為相似，沒有發生突變。

2）在輕載狀況下，低速時（Fr＜ 0.3），側體傾斜一定角度后，剩余阻力系數略有增加，這與郭雷的研究結果較為一致。隨著航速的增加，剩余阻力系數出現了不同程度的下降（-20°的情況除外）。但是在重載狀況下卻出現了不一樣的現象，當傾斜角度為±20°時，剩余阻力系數出現了一定程度的增加。其原因可能是大傾斜角使得側體和主體的興波干擾發生了變化，產生了不利的干擾。

圖7 不同傾斜角度下剩余阻力系數（Δ=22.5 kg）Fig.7 The residual resistance coefficient at different slant angles（Δ=22.5 kg）

圖8 不同傾斜角度下剩余阻力系數（Δ=32.5 kg）Fig.8 The residual resistance coefficient at different slant angles（Δ=32.5 kg）

3）當傾斜角度為-10°時，剩余阻力系數相對0°時有較為明顯的降低。該現象說明，在此傾角下，側船體和主船體的興波在一定程度上產生了較好的干擾。針對本文所述的三體船，在試驗傅汝德數范圍內建議選擇-10°作為側體傾斜角度的設計參考值，在輕載狀況下，低速時也可考慮將20°作為參考值。

5 結 語

本文介紹了一種具有傾斜側體的三體船船模阻力性能試驗，開展了不同裝載時各個側體傾斜角度下的阻力試驗以及不同側體橫向間距下的阻力試驗，分析討論了不同傅汝德數和雷諾數下側體傾斜角變化以及載重量變化對剩余阻力系數的影響。結果表明，在輕載狀態下，當傅汝德數較小時，側體傾斜一定角度后剩余阻力系數略有增加，隨著航速的增加，剩余阻力系數出現了不同程度的下降。研究表明，設計側體的傾斜角度有利于降低三體船的航行阻力，相關結論可為傾斜側體三體船在工程上的實際應用提供一定的參考。

盡管本文開展了一系列的試驗，在探討具有傾斜側體的三體船阻力性能上邁出了新的一步，但是要得到更多關于側體傾斜角度對三體船阻力特性的一般性結論還需要開展進一步的研究，如增加多組傾斜側體的傾斜角度等。同時，還需要結合側體不同橫向位置和縱向位置進行試驗研究。

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