M船型阻力模型試驗研究

唐建飛，黃武剛

1 天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津300072

2 中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

0 引 言

隨著我國經濟的迅速發展，對高性能船舶的需求也越來越迫切。近年來，高性能船舶發展較快，如水翼艇、氣墊雙體船、穿浪艇和滑行艇等。無論是單體滑行艇、氣墊船還是雙體船，均屬動力支撐型船，且雙體船還為靜浮態型船，在特定的航行環境中，它們發揮著各自的優勢，但都無法同時具備速度快、功率低、消波、適航性好、穩性高和經濟效益好的優點。M 船型是常規單體滑行艇、高速雙體船和氣墊船的組合船型，它集中了3 種船型的優點，將流體力學和空氣動力學較好地結合了起來，其在消波性能、有效載荷、操縱性以及在逆風、逆浪中高速航行方面更顯出其優越的性能，是各類船型中最具競爭力的一種新船型［1］。

然而，由于M 船型的概念新穎、性能優越、出現的時間尚短和專利約束等原因，國外有關該船型研究的公開文獻極少，只限于部分實船和船模圖片。國內雖尚無對M 船型的實質性研究，但對類似船型已有相關學者開展研究。劉謙等［2-4］通過大量的船模和實艇試驗，對雙槽道滑行艇的水動力性能和相關設計參數進行了研究；池云鵬等［5］通過試驗對高速槽道艇的阻力及耐波性進行了研究；趙連恩等［6］對槽道水翼滑行艇的工作原理和船型特征進行了研究；孫華偉等［7］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；蘇玉民等［8］應用模型試驗對三體槽道滑行艇的阻力特性進行了研究；陳輝等［9］應用商業FLUENT 軟件對M 船型的阻力進行了數值模擬。

對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［10］。本文將以某M 船型為研究對象，對該新興高性能船型在不同排水量和不同重心縱向位置下的阻力性能進行試驗研究，以找到較優的阻力性能所對應的設計參數，并為后續相關的船型設計提供參考。

1 試驗模型及方案

1.1 試驗船模

某M 船型的橫剖面及艏艉形狀如圖1 所示，主尺度如表1 所示。該型船主要由3 部分組成：字母M 的中間部分為主船體部分，主要用來排水，為船體提供浮力；字母M 的兩個腳則是船體的兩個圍壁，其主要作用類似于氣墊登陸艇的圍裙，起密封的作用；字母M 的中間空白部分則為空氣通道。歸功于其特有的船型，高速航行下，主船體及氣道底部的水動力和氣動力的增升使得船體吃水進一步減少，從而大幅減小了濕表面積；同時，M型船體利用在槽道內做有旋運動的水流，極易吸捕大氣層中的空氣以形成高壓的氣水混合物并被自動壓進槽道，在槽道表面形成一個低粘性的二相流邊界層而使船體得到潤滑，其結果使得摩擦阻力大幅降低。

圖1 M 船型船模橫剖面和艏艉形狀Fig.1 Transversal section，bow and aft form of the M-form hull model

表1 M 船型船模主尺度Tab.1 Main dimensions of the M-form hull model

為保證船模在高航速時擁有較好的強度，船模采用框架式木質結構制作。船模表面經打磨光滑、噴漆處理，船模安裝如圖2 所示。

圖2 M 船型的試驗模型Fig.2 Experimental model of the M-form hull

1.2 試驗目的及方案

本試驗采用自由拖曳法來測量3 個不同排水量和3 個不同重心縱向位置下船模的阻力、航行姿態角和升沉，并對數據進行分析，同時通過對艇艏、艇艉、艇側和氣道等位置處興波、飛濺和尾跡的觀察，得到該船型在該線型下的較優設計參數，并確定該艇型的最佳滑行狀態，以為后續的實艇設計提供參考。模型試驗水池拖車的速度范圍為0.1～22 m/s，車速穩定精度優于0.2%。試驗方案如表2 所示，排水量為125.0～152.8 kg，重心縱向位置在船舯后20%～25%之間變化，拖曳速度從2 m/s 逐漸增大至12 m/s 或出現海豚運動為止，體積傅汝德數FN▽=0.89～5.33。

表2 M 船型船模試驗方案Tab.2 Testing program of the M-form hull model

2 試驗結果分析

2.1 M 船型的阻力特性

通過測定某工況的阻力、航行姿態角和升沉，得到船模阻力、縱傾角和升沉曲線如圖3 所示。圖中：Rm為模型阻力；Δm為模型排水量；θ為縱傾角；h 為升沉值；FN▽為體積傅汝德數。由圖3 可知，該船型具有與常規滑行艇不一樣的阻力特性。該船型擁有2 個高速阻力峰，當航速持續增大越過第1 個高速阻力峰后，阻力值有明顯的回落。這是因為M 船型底部有兩條對稱于縱中剖面并縱向貫通的氣道，其融合了氣墊船的原理，并不完全依靠排水和主船體滑行面的水動升力來航行，因此當其航速持續增大越過第1 個高速阻力峰后，便會擁有較優的阻力性能，并充分借助靜浮力、水動力和空氣動力的增升作用來降低船體水阻力，使航速突破常規船型的極限；當航速繼續增大越過第2 個高速阻力峰后，阻力值基本保持不變。

圖3 某工況下M 船型的阻升比、縱傾角和升沉Fig.3 The drag lift ratio，pitch angles and heave motions curves of M-form hull

圖4 給出了M 船型在FN▽=4.88 時，艇艏部和艉部的興波情況。由圖4（a）可知，艇艏部有2 個對稱布置的喇叭口進氣道，主艇體滑行面和兩側片體均與水面接觸并形成封閉的氣道。在艇高速滑行時，空氣從艏部喇叭口進入并被壓縮，從而在氣道內產生空氣動升力抬升艇體以使艇的吃水進一步減少，從而減小阻力。由圖4（b）可知，由于M船型兩側片體的封閉作用，可以看到由主艇體滑行產生的興波幾乎完全被片體和氣道所吸收，片體以外的興波較少。

2.2 不同排水量對阻力性能的影響

由于有關M 船型的研究資料很少，因此在本文的研究設計過程中，M 船型的很多參數都需要通過大量的試驗來進行驗證，其中排水量就是影響M 船型阻力性能的重要影響因素之一。圖5 所示為船模重心縱向位置在Xg=920 mm 時不同排水量下的阻升比曲線，從圖中可以較容易地得到不同排水量下的阻力性能。由圖5 可知，當1.0＜FN▽＜3.0 時，阻升比隨著排水量的增加而升高，表明小排水量比較適合中速（1.0＜FN▽＜3.0）航行，這是與常規滑行艇和三體滑行艇的阻力性能不一致的地方。值得注意的是，當FN▽＞3.0 時，阻升比隨著排水量的增加而有增有減，但總體上呈現降低的趨勢，表明大排水量比較適合高速（FN▽＞3.0）航行。基于這一點，如果將設計航速的設計點設置在FN▽＞3.0 的速度區間內，較大的排水量反而會得到更大的設計航速。

圖4 FN▽=4.88 時M 船型艇艏和艇艉情況Fig.4 Bow and aft of the M-form hull at FN▽=4.88

圖5 Xg=920 mm 時不同排水量下的阻升比曲線Fig.5 The drag lift ratio curves of different displacements with Xg=920 mm

2.3 不同重心縱向位置對阻力性能的影響

除排水量外，與常規滑行艇一樣，重心縱向位置也是影響M 船型阻力性能的重要影響因素之一。重心縱向位置的調整將直接影響到船在航行過程中的縱傾角和垂向運動，進而影響整船的阻力性能。圖6 所示為船模排水量在Δm=138.9 kg 時不同重心縱向位置下的阻升比曲線。由圖6 可知:當1.0＜FN▽＜2.2 時，阻升比會隨著重心縱向位置的后移而升高；當FN▽＞2.2 時，阻升比隨著重心縱向位置的后移而降低。這種變化趨勢與常規滑行艇一致，即隨著重心縱向位置的后移，中、低速阻力增加，中、高速阻力顯著降低。值得注意的是，重心縱向位置后移時，船模阻力雖然有所降低，但船模同時也會遭遇海豚運動和初穩性高降低等不利因素的影響，導致耐波性較差，故選擇一個合適的重心縱向位置對船的設計至關重要。

圖6 Δm=138.9 kg 時不同重心縱向位置下的阻升比曲線Fig.6 The drag lift ratio curves of different longitudinal centers of gravity with Δm=138.9 kg

綜合以上5 種工況的阻升比曲線可以看出，M船型擁有2 個高速阻力峰，第1 個高速阻力峰在FN▽=1.5 附近，第2 個高速阻力峰在FN▽=4.5～5.0之間，并且高速阻力峰出現的航速與排水量大小和重心縱向位置的相關性不大。基于這種阻力特性，實船設計時，可盡量將設計航速的設計點設置在FN▽＞5.0 區間內，以獲得最優的阻力性能。

3 結 論

通過對某M 船型的阻力特性進行模型試驗研究，得到如下結論：

1）M 船型擁有2 個高速阻力峰，當航速持續增大越過第1 個高速阻力峰后，阻力值有明顯的回落，當航速繼續增大越過第2 個高速阻力峰后，阻力值基本保持不變。

2）從不同排水量和重心縱向位置下的阻升比曲線可以得到，M 船型2 個高速阻力峰出現的航速與排水量大小和重心縱向位置的相關性不大。

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