半滑行前三體船型模型阻力對比試驗研究

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(大連理工大學 船舶工程學院,遼寧 大連 116024)

三體船相對于常規型單體船，具有甲板面積寬、速度快、耐波性優、穩性好、抗沉性高、生存能力強及改裝余地大等優點。作為一種新型非常規型船舶，三體船是在軍用、民用市場均有廣闊應用前景[1-3]。

三體船主體的L/B大約在12～18之間，側體排水量則不超過主體排水量的10%。

側體布置對阻力性能影響的試驗研究是國內外對三體船性能研究的一個重點[4-8]。

三體船型的最大優勢體現在高速性上，因此目前投入使用的三體船，其Fr多超過0.6。例如，由澳大利亞Austal造船廠建造的Benchijigua Express客/貨滾裝三體渡船，其Fr數達0.62；美國海軍瀕海戰斗艦(LCS-2)“獨立”號，海試中全速航行時Fr達0.70。因此，對處于半滑行狀態的，特別是Fr=0.6～1.0的三體船型的阻力研究具有重要意義。

為了進一步研究側體布局對三體船阻力性能的影響，探究前三體船船型在Fr=0.6～1.0的半滑行狀態的阻力性能優劣，本文選擇兩艘線型互不相同，且均與文獻[9]試驗船模線型不同的高速三體船模型，制定不同的側體位置方案，進行靜水阻力試驗研究。

1 船模試驗

1.1 模型設計

設計兩艘三體船模型，分別簡稱為模型A、B，主要船型參數見表1。

表1 三體船模型的主要船型參數

模型A、B均為方艉、圓舭型，左右側體相對主體的中縱剖面對稱布置。模型A側體排水量占主體排水量的6.2%，為對稱線型。而模型B仿照美國海軍瀕海戰斗艦“獨立”號設計，其側體吃水非常小，為非對稱線型。其橫剖面形狀示意見圖1。

圖1 三體船模型A、B橫剖面示意

1.2 方案設計

試驗的主要目的是探究三體船的阻力特征，尤其是側體位置對阻力性能的影響，而主體與側體之間的相互位置關系有多種。選取直角坐標系見圖2。

圖2 三體船模坐標系示意

坐標原點O為主體中縱剖面、中橫剖面與設計水線面的交點，X軸沿船長方向并且指向船艏為正，Y軸沿船寬方向并且指向左舷為正。側體中心線與主體中心線間的橫向距離用b表示，b始終為正值；側體船舯與主體船舯的縱向距離用a表示，當側體船舯在主體船舯之前時，a為正值，當側體船舯在主體船舯之后時，a為負值。

對于模型A，選擇3個側體橫向位置和3個側體縱向位置。對于船模B，保持橫向位置不變，選擇兩個縱向位置。具體方案見表2。

表2 三體船模型試驗方案

三體船靜水阻力模型試驗在大連理工大學船模拖曳水池中進行，該水池長160 m，寬7 m，水深3.7 m。試驗時水溫為15 ℃。

2 試驗結果及分析

2.1 數據處理方法

試驗得到三體船模型以不同速度在靜水中航行所受總阻力Rt。將總阻力Rt劃分為摩擦阻力Rf和剩余阻力Rr兩部分。

由于三體船主體和側體設計水線長度相差較大，因此雷諾數相差較大，所以在計算時應分別計算主體和側體的雷諾數及摩擦阻力系數，進而計算整體的摩擦阻力系數和總摩擦阻力。

三體船的濕表面積S為

S=Scnt+2Sout

(1)

式中：Scnt——主體濕表面積；

Sout——單個側體濕表面積。

雷諾數Re分別按式(2)、 (3)計算。

(2)

(3)

式中：V——船模航速，m/s；

v——水的運動粘性系數，m2/s，

取v=1.139×10-6m2/s；

Recnt、LWcnt——主體的雷諾數和水線長度；

Reout、LWout——單個側體雷諾數和水線長度。

根據1957ITTC公式計算摩擦阻力系數

(4)

(5)

于是，三體船整體的摩擦阻力系數為

(6)

式中：Cfcnt——主體的摩擦阻力系數；

Cfout——單個側體摩擦阻力系數。

那么，摩擦阻力Rf即為

(7)

式中：ρ——水的密度，kg/m3，取ρ=999 kg/m3。

剩余阻力Rr為

Rr=Rt-Rf

(8)

便可得到剩余阻力系數Cr

(9)

2.2 試驗結果及分析

由于各構型的摩擦阻力均相等，所以依靠剩余阻力的大小來判斷三體船總阻力性能。經過換算得到各型三體船剩余阻力系數隨Fr變化。

2.2.1 模型A

為便于分析，將各型剩余阻力系數曲線分組，分別討論側體橫向位置、縱向位置對剩余阻力的影響。

圖3分別給出了：側體縱向位于a=750 mm(舯前)、a=0 mm(船舯)、a=-1 300 mm(舯后)時，側體與主體之間橫向距離變化，對剩余阻力系數的影響。對圖3進行如下分析。

1)總體趨勢上來說，在側體縱向位置相同的前提下，側體與主體之間橫向距離較大的構型剩余阻力更小，尤其是在高速段更是如此。

2)由圖3c)可見，a=-1 300 mm(舯后)時，各構型的剩余阻力受橫向位置影響起伏波動較大，在Fr>0.6區間，側體與主體之間橫向距離居中的構型的剩余阻力反而更高，這是因為，在高速段主體興波對側體直接作用引起噴濺、附加興波噴濺現象，橫向距離居中時側體受主體興波的影響更大，噴濺現象更嚴重。對比發現試驗中觀察到的噴濺現象與上述結論相符，見圖4。

圖3 模型A不同橫向位置剩余阻力系數曲線

圖4 試驗噴濺現象圖片

圖5分別給出了側體橫向位于b=550 mm(窄)、b=690 mm(中)、b=830 mm(寬)時，側體縱向位置變化，對剩余阻力系數的影響。對圖5進行如下分析。

圖5 模型A不同縱向位置剩余阻力曲線

1)在高弗勞德數區域，側體相對于主體的縱向位置越靠前，阻力性能越好。原因是側體位于主體舯后時，噴濺現象嚴重，導致剩余阻力增加嚴重，這一現象在試驗過程中也能清楚地看到，見圖4。驗證了前三體船型在高速段阻力性能更好這一結論。

2)橫向位置越遠離主體，側體縱向位于a=750 mm(舯前)的構型其阻力性能優于另外兩種構型的弗勞德數區域越大。即b=550 mm(窄)時，在Fr>0.67區域，側體位于a=750 mm(舯前)的阻力性能最優，見圖5a)；b=690 mm(中)時，這個區域擴大到Fr>0.57，見圖5b)；b=830 mm(寬)時，這個區域則進一步擴大到Fr>0.52，見圖5c)。因此，對于側體a=750 mm(舯前)的構型，側體與主體的橫向距離越大其阻力性能越好。

3)在Fr<0.51區間，側體縱向位于a=-1 300 mm(舯后)的構型的阻力性能明顯優于側體位于a=0 mm(船舯)和a=750 mm(舯前)。側體與主體之間橫向距離越小，縱向位于a=-1 300 mm(舯后)的構型優于另外兩種構型的弗勞德數區域越大。

2.2.2 模型B

為了進一步驗證前面的觀點，以美國海軍瀕海戰斗艦(LCS-2)“獨立”號為母型設計三體船模型B，進行阻力試驗來對比側體縱向位置對三體船阻力性能的影響。模型B特點是吃水非常小，與模型A在線型和吃水上明顯不同。為了節省試驗費用，只選取兩種方案進行試驗，即側體橫向位置b=450 mm相同，縱向位于a=-1 070 mm(舯后)和a=430 mm(舯前)。

三體船模型B的剩余阻力系數隨Fr變化曲線見圖6。其Fr變化范圍為0.39～1.05。

由圖6可見，在0.39

圖6 模型B不同縱向位置剩余阻力曲線

在0.39

因此，當Fr>0.61時，選擇側體位于主體舯前的構型能夠獲得更好的阻力性能，進一步驗證了“前三體船”概念。

3 結論

1)縱向位置相同時，側體距主體橫向距離較大的三體船構型剩余阻力更小，除了側體縱向位于主體舯后且Fr>0.6時，側體距主體橫向距離居中的三體船構型，由于噴濺現象更嚴重等復雜因素，其剩余阻力更大。

2)側體縱向位置比側體橫向位置對三體船的阻力的影響更大。

3)側體縱向位于主體舯后的三體船構型(后三體船型)，在Fr<0.6時具有較好的阻力性能，且側體和主體之間的橫向距離在適當范圍內以小為好。

4)側體縱向位于主體舯前的三體船構型(前三體船型)，側體和主體之間的橫向距離在適當范圍內以大為好。前三體船型在Fr>0.6時具有較好的阻力性能，可以有效地避免噴濺現象。

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