三體槽道滑行艇阻力模型試驗研究

蘇玉民，王碩，沈海龍

(哈爾濱工程大學水下智能機器人國防重點實驗室，黑龍江哈爾濱150001)

三體槽道滑行艇是結合了常規滑行艇、槽道滑行艇和普通三體滑行艇的特點，再結合高速多體船和氣膜減阻船綜合而成的船型.該船型有1個滑行主體和2個長片體圍壁組成，圍壁的主要作用類似于氣墊登陸艇的圍裙，起著密封的作用.主體、槽道、圍壁和水面組成了2個封閉的通道，船艏入口面積大，艉部出口面積小，如喇叭形狀.在該船型高速航行時，主船體的艇艏部分產生的艏波能量可以將空氣通道中的空氣進行壓縮，鼓入2個通道中間.由于通道已經密封，通道中的空氣在壓力作用下，形成了一個封閉式的空氣氣墊.從而將船體進行抬升，減少了艦艇的艉跡，使艦艇能夠快速平滑地航行.

國外對于三體槽道滑行艇的研究與應用已經日趨成熟.由于該船型概念新穎、性能優越，目前國外公開發表的資料甚少，只限于部分實船和船模圖片以及相關文字介紹.國內方面雖尚無對三體槽道滑行艇的研究，但關于多體槽道艇的研究已有相關學者開展.劉謙等［1-4］通過大量船模和實艇試驗對雙體滑行艇的水動力性能和相關設計參數進行了研究;趙連恩等［5-6］對槽道水翼滑行艇的工作原理、船型特征進行研究;遲云鵬［7］通過試驗研究高速槽道艇水動力性能;孫華偉等［8-10］應用模型試驗對普通三體滑行艇和斷階三體滑行艇的阻力特性進行了研究.

關于槽道三體滑行艇的研究，國內未見公開發表的研究資料.對于新船型的研究，阻力性能是評價新船型總體性能的首要依據，因此本文通過模型試驗方法對該船型進行阻力性能進行研究.通過設置不同排水量和不同重心縱向位置來改變航行姿態，以尋求良好的阻力性能對應的設計參數.并結合試驗結果和現象分析該船型特點.

1 試驗模型及方案

對于高性能船舶水動力性能的研究，鑒于理論計算及數值方法尚未成熟，模型試驗仍然是必不可少的手段之一［11］.

1.1 船模及水池情況

本文設計的三體槽道滑行艇型線圖如圖1所示，主尺度見表1.船模橫剖面呈M型，槽道口呈喇叭狀，主體為滑行平面，船型設計時通過調整兩側片體高度與厚度控制槽道高度和寬度，以達到槽道對氣液兩相來流以及主體興波的控制效果.本文設計的船型槽道自船艏向船艉光滑過渡，槽道高度逐漸降低.槽道寬由船艏向船中逐漸變窄，船中向船艉逐漸變寬.以此將船艏槽道中的空氣在船中后部壓縮成2個扁平狀的氣墊，達到抬升船體，進而降低阻力的作用.與此同時，氣墊的存在也能增加滑行艇在高速航行時的穩定性.由于槽道與片體可改善全船穩性，滑行主體采用較小的斜升角，來獲得更多的滑行動升力，斜升角范圍約 2°～5°，由船艉向船艏逐漸增大.

船模采用木質框架和蒙皮結構制作，整個槽道均采用光滑過渡形式，僅設置主體與槽道連接處的槽道內折角線和連接片體的槽道外折角線.本文采用的模型尺度較大，試驗中涉及的排水量較多，框架蒙皮船模利于減輕空船重量，方便試驗時進行配重.但本船型艏部結構復雜，船模加工過程中需要用木制框架進行加強，以保證船模試驗中船艏不會損壞.因此空船重量較大比例分布在船艏，導致配重時加載主要分布在船艉，轉動慣量較大，可能導致海豚運動提前發生.這是本次試驗無法避免的.

本試驗在中國特種飛行器研究所(中國航空工業第605研究所)拖曳水池進行的.圖2為拖曳試驗中安裝完畢的三體槽道滑行艇模型.高速水池長510 m，池寬6.5m，池深6.8m，水深5.0m.要求船模寬度小于1.2 m，長度小于6 m.拖車速度范圍:0.1～22 m/s，車速穩定精度優于0.2%.水池測試儀器設備包括:阻力儀、適航儀、陀螺儀、浪高儀、六分力天平、角度傳感器、壓力頭傳感器、加速度計、照相機、攝像機.該水池未給出其阻力拖曳試驗固有測量誤差范圍.

圖1 船模型線型Fig.1 Hull lines of the test model

表1 船模主尺度Table 1 Main dimensions of the ship model

1.2 試驗目的及方案

本試驗通過對三體槽道滑行艇船模阻力、縱傾、升沉等物理量的試驗測量，以及對船艏、船艉、船側、槽道等位置的興波、飛濺和艉跡的觀察，考察該船型的阻力性能和船型機理特點.通過調整該船的排水量與重心位置研究此船型的最佳設計參數，確定該模型的最佳航行狀態，為后期的艇型優化布局與定型設計提供支撐和參考.

試驗方案的制定是以調整船模重心縱向位置和排水量為目的，設定多個工況.船模重心位置調整區間為舯后14% ～26%，船模排水量為99～168 kg，調整區間均較大，以尋求新船型的最佳航態.拖曳速度從3 m/s逐漸增大直至出現海豚運動結束該工況.體積弗勞德數 Fr▽在1.5 ～6［12］.

圖2 三體槽道滑行艇模型Fig.2 Experimental model of the channel type planing tramaran

2 試驗結果分析

本試驗所用船模為木質框架結構，在配載以及調節重心縱向位置時，某些排水量對應的重心位置的工況無法配重，但不影響試驗整體對三體槽道滑行艇阻力性能的討論和研究.本文進行結果分析時將無法配重的工況進行篩除處理，以便清晰地得出結論.

2.1 三體槽道滑行艇航行特征

圖3給出了排水量為168 kg，重心距艉板748mm的工況下船模的阻力、縱傾和升沉曲線.由圖3可見，該船型的阻力曲線和普通三體滑行艇一致，包含低速和高速2個阻力峰，與普通三體滑行艇不同的是三體槽道艇的阻力峰峰值更為明顯和突出，越過阻力峰時阻力值有明顯下降.這由于本艇型槽道內氣墊在該航速下形成，為船模提供了部分動升力，在空氣動力與水動力共同作用將船體抬升，使吃水減小，吃水減小后全船阻力發生明顯的降低.船模的縱傾角變化值(艉傾為正向)與普通滑行艇一致，起滑后隨速度增加先減小，然后緩慢增大.可見該艇型氣墊對動升力的貢獻較大，但對全船縱傾力矩影響較弱.

圖4給出了Fr▽=4.3時三體船航行時艏部及艉部情況，槽道入口處呈喇叭狀，主滑行體、片體與水面形成封閉，氣體進入槽道后被壓縮，與興波混合形成高壓區，支撐船體上升，并從槽道艉部噴射而出.降低船艉興波是槽道艇的優勢之一，但由于拖曳水池寬度較窄，無法準確監測三體槽道滑行的艉跡，僅能從圖4(a)中做定性分析.艉部槽道出口處水流高速噴射而出，滑行主體興波被槽道及兩側片體吸收，片體向船外興波較少.

圖3 某一工況下阻力、縱傾角和重心升沉Fig.3 The curves of resistance，pitch angles and heave motions

圖4 Fr▽=4.3時三體槽道滑行艇艏、艇艉部情況Fig.4 Bow and aft of the channel type planing trimaran ，Fr▽=4.3

2.2 不同排水量下的阻力性能

由于關于三體槽道滑行艇的研究資料很少，因此本文船型設計過程中，許多船型參數的確定都需要大量試驗驗證.其中排水量的確定是本次試驗的重點.三體槽道滑行艇因其槽道的支撐作用較普通滑行艇有載重量優勢，但具體承載范圍尚未明確.因此本文對不同排水量下的該船型阻力性能進行研究，排水量取值范圍較大.

圖5給出了重心位置距艉板Gx=961，748 mm的2種情況下，多種排水量下的阻力曲線，阻力以阻升比的形式給出，可以直接衡量其阻力性能優劣.重心較靠前的961 mm位置處，并未出現低速阻力峰，當重心后移至748 mm時，高速阻力明顯下降，但低速阻力增大，這個規律與常規單體滑行艇保持一致，可見三體槽道滑行艇總體上仍然保留了普通滑行艇的阻力特性.

由圖5可知，在越過高速阻力峰之前，Fr▽在2.5～4時，阻升比隨排水量增大而降低;Fr▽＞4后，阻升比隨排水量的增大而升高.表明大排水量工況適合中速(2.5＜Fr▽＜4)航行，而較小排水量適合高速(Fr▽＞4)航行.高速阻力峰出現的位置隨排水量的增大而后移，越過阻力峰后，阻升值明顯降低.如果將設計航速設置為越過阻力峰后的速度區間，意味著更大的排水量對應著更高的設計航速.

圖5 Gx=961，748 mm時的不同排水量阻力曲線Fig.5 Resistance curves of different displacements with Gx=961，748 mm

2.3 重心縱向位置對阻力性能的影響

與常規滑行艇一樣，縱傾角對三體槽道滑行艇的阻力性能有較大影響.在不考慮縱傾調整艉板的前提下，重心縱向位置的布置，直接影響到滑行艇航行中的縱傾角和重心升沉.對本文設計的三體槽道滑行艇的重心縱向位置對阻力性能的影響進行討論是必要的.

圖6給出了排水量為99 kg和131 kg時的不同重心位置處的阻力曲線，由于是較新船型的模型阻力試驗，布置重心縱向位置時取值范圍較大.與常規滑行艇的規律一致，當重心位置后移時，阻力性能提高，此船型的阻力下降很明顯.在重心后移時，低速阻力略微升高，中高速阻力大幅下降，與此同時，高速阻力峰值發生前移.

總體看來，重心位置的后移可以大幅降低阻力，但后移可能導致的問題如海豚運動、穩性下降以及耐波性降低都是設計者需要綜合考慮的.對于本船型特有的高速阻力峰值問題，阻力峰值的出現與重心縱向位置和排水量均有關系，但排水量對其出現航速的影響更為明顯.

綜合所有工況的阻力曲線可知，該船型的高速阻力峰出現在5＜Fr▽＜6之間，越過阻力峰后總阻力下降，表明該船型具有優異的高速阻力性能.在實船設計中，應將設計航速控制在越過阻力峰后阻力值較低的航速范圍內.

圖6 排水量為99，131 kg時，不同重心位置阻力曲線Fig.6 Resistance curves of different center of gravity locations with displacement 99，131 kg

3 結論

本文通過對自行設計的三體槽道滑行艇的阻力性能與特性進行試驗研究，得到以下結論:

1)三體槽道滑行艇在航行時通過主體、槽道、兩側片體圍壁以及水面形成了2個喇叭狀通氣槽道，高速時槽道內形成氣墊，船體在水動和氣動共同影響下被抬升，主體興波和噴濺被槽道和兩側片體遮蔽;

2)該船型具有2個阻力峰，低速阻力峰在重心位置靠后時較明顯，高速阻力峰始終存在且峰值很明顯，越過高速阻力峰峰值時，船體出現明顯抬升，阻力值大幅下降，此特點為該船型特有的阻力特性;

3)本文討論了不同排水量下該船型的阻力性能，三體槽道滑行艇的承載能力較強，隨著排水量的增大，其中速阻升比減小，高速阻升比增大，高速阻力峰在不同排水量下均明顯存在，峰值隨排水量增大而后移(出現在更高航速);

4)對于不同重心縱向位置下三體槽道滑行艇的阻力性能，與普通滑行艇相同，當重心位置后移(靠近艉部)時該艇的阻力值下降明顯，與此同時，阻力峰值也發生前移，實船設計時，可以根據設計航速與載重量來布置重心位置.

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