局部氣墊雙體船試驗方案設計

鄒 勁，韓穎駿，施亞光，孫寒冰

(哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱150001)

0 引 言

局部氣墊雙體船是一種以瘦長型雙體船為基礎，輔以局部氣墊作為支撐的雙體船結構。這種船型的側船體比一般的側壁式氣墊船的側船體要寬，氣墊位于側船體和尾部密封裝置之間，使用時由船上的升力風扇充氣。借助這種寬大的側船體，船只在航行過程中可以擁有較大的浮力和較高的航速，吃水也比較淺，因此該種船型結構在高速運載方面具有很大的應用價值［1］。

在設計上，它以排水型船的剛性結構和“部分墊升”氣墊作為支承，融合了傳統排水型高速船、氣墊船以及滑行型的原理。雖然局部氣墊的氣墊面積較全墊升氣墊船成倍減少，但經過精心設計，運用部分墊升氣墊支承技術，統籌考量排水量與船型結構，局部氣墊雙體船仍然可以依靠高壓空氣，在艇下方形成強有力的氣墊，使它獲得高速機動航行的升力，航速可不亞于全墊升氣墊船［2］。

鑒于局部氣墊雙體船的巨大發展潛力以及國內對該船型的理論研究尚未完善，因此本文對其進行相關研究并開展模型拖曳試驗。

1 試驗方案設計

1.1 船模情況

本試驗的模型橫剖面圖如圖1所示。

圖1 船模橫剖面圖Fig.1 Model sections

模型主體采用木質結構，考慮加工和試驗要求，將船模分成連接橋和左右片體3 個部分。連接橋為一箱型空腔，設有進氣孔和出氣孔，起到穩定流場的作用;左右片體與連接橋用角鐵固定連接，并涂上硅膠密封;首尾氣囊采用柔性復合材料制作，通過熱粘合技術成形。船模結構如圖2所示，其主要參數見表1。

圖2 船模Fig.2 Ship model

表1 船模型主要參數Tab.1 Main dimension of model

1.2 墊升系統

在實際船模拖曳實驗過程中，由于受實驗條件限制，墊升系統在設計過程中，只能按照墊升性理論估算得到流量和壓強范圍值［3］。然后在風機選型時，依照伯努利方程，考慮沿程管道損失下，風機只要滿足能夠提供氣墊所需的流量和壓強即可。本試驗根據理論估算和數值模擬所得的充氣流量和氣墊壓強進行風機選型。

常見的風機有軸流式風機和離心式風機 軸流式風機中的流體不受離心力的作用，所以由于離心力作用而升高的靜壓能為0，因而它所產生的能頭遠低于離心式風機，故一般適用于大流量低揚程的地方，屬于高比轉數范圍。觀察2 種風機的特性曲線，發現軸流風機風壓與流量關系并非成線性趨勢變化，其存在不穩定工作區，在使用前需進行測試試驗以避免工作在不穩定區，相對復雜;而離心式風機特性曲線則成線性趨勢變化。

經綜合考慮，本試驗選取離心式風機，將風機安裝固定在拖車上，通過柔性管道與船模的增壓室連通。柔性管道盡量減少彎曲以減小壓頭損失。在位于拖車上的一段管道安裝數字顯示渦街流量計，用于時時測量通氣流量大小。圖3和圖4 分別是墊升系統示意圖和模型墊升測試。

圖4 墊升測試Fig.4 Cushion test

經過靜水墊升試驗表明，選定的風機能夠滿足試驗所需的流量和壓強，并且運行穩定。

1.3 氣墊壓強監測系統

目前，對于非全墊升式氣墊船水壓場的研究相對較少［4］。為了驗證數值模擬得到的氣墊艙壓強準確性，以及分析氣墊內壓強分布對氣墊興波的影響，需要監測氣墊艙壓強沿船長的分布情況。經過理論值估算和數值模擬得到的氣墊壓強均在1 kPa 以內，相對于大氣壓是小量，因此壓強傳感器選為微壓差傳感器。

本試驗選用西安交大維納儀器公司生產的微壓差傳感器，量程0 ～2 kPa，配合信號放大器可輸出1 ～5 V 電壓信號。將一側片體均勻開5 個孔，安裝壓力傳感器探頭。圖5所示為不同工況下測量的氣墊內壓強分布。

1.4 氣墊內波形攝像系統

氣墊內波形對船體興波阻力有重大影響，研究氣墊內波形以及其與氣墊內壓強的關系有很大意義;此外，船模靜水阻力試驗結束后，需換算得到實船有效馬力曲線，我國習慣沿用二因次法［5］。二因次法換算過程中，船模濕表面積的準確與否將直接影響實船有效馬力換算的準確性。由于局部氣墊支撐雙體船的船形特點，其氣墊內外吃水有較大的不同，外吃水可根據升沉和縱搖數據進行估算，而氣墊內船體的吃水情況目前還沒有較準確的經驗公式可依，因此最直接的辦法就是通過采集氣墊內吃水的波形圖像，經測量后得出其濕表面積。這樣，在進行實船有效馬力換算時才有可能更精確。

攝像頭需安裝在一側片體上，其可能工作在水下、湍流界面、震動等惡劣環境下，因此攝像頭的選擇要考慮圖像清晰度、防震、防抖、防水、寬視角等因素。經調研發現，車載倒車攝像頭具有體積小、能防水、像素高等特點，滿足試驗要求。

經測試，氣墊艙內均勻安裝4 個攝像頭即可拍攝到氣墊艙全部，將另一側片體畫上邊長2 cm 的黑白相間的正方形格子，安裝照明燈后拍攝效果清晰，安裝方式和拍攝效果如圖6和圖7所示。

圖6 攝像頭安裝位置Fig.6 Camera location

圖7 氣墊內波形Fig.7 Waveform in the cushion

1.5 拖航試驗

本試驗在中國特種飛行器研究所拖曳水池進行。該高速水池長510 m，池寬6.5 m，池深6.8 m，水深5.0 m。拖車速度范圍:0.1 ～22 m/s，車速穩定精度優于0.2%。本試驗采用自由拖曳法進行，實驗儀器有拖線式阻力儀、陀螺儀、拉線式線位移傳感器等。某工況下靜水阻力試驗如圖8所示。

圖8 拖航試驗Fig.8 Towing test

2 實船有效功率換算

2.1 二因次法

模型阻力換算采用二因次法，即將總阻力Rt分為摩擦阻力Rf和剩余阻力Rr［6］。

模型的總阻力系數:

式中:Rtm為船模阻力;Sm為船模浸濕面積;下標m 代表模型，s 代表實船，以下同。

剩余阻力系數:

實船總阻力系數:

式中:Cfm和CfS分別為船模與實船的摩擦阻力系數，按照ITTC-1957 公式計算。

實船在相應速度下的總阻力:

實船有效功率:

2.2 船模濕表面積及實船有效功率計算

根據船模拖航時縱傾角和升沉的變化，通過Catia 三維建模軟件，可測量出船模的外浸濕面積，如圖9所示。

圖9 Catia 測量船模外濕表面積Fig.9 Measure outer wet surface by catia

氣墊內濕表面積根據安裝在片體上的攝像頭拍攝到的圖像經處理后得到。處理方法為:將四個攝像頭同時截取圖像，經Photoshop 圖像處理軟件消除魚眼效應，然后將4 個圖像剪切拼接在一起，以背景格子線為參照，將波形圖像處理成CAD 樣條曲線，然后用CAD 軟件計算出面積。在CAD 軟件中繪出與船體片體上相同的格子線，然后參照拍攝到的氣墊內波形情況，用樣條曲線命令繪出濕表面積形狀，生成面域后即可計算出面積，如圖10所示。

圖10 CAD 測量船模內濕表面積Fig.10 Measure inner wet surface by CAD

將測得的船模內外濕表面積相加即可獲得此工況下船模的總濕表面積，用二因次法即可換算得出實船的有效功率曲線，如圖11所示。

圖11 實船有效功率曲線Fig.11 Effective power curve

4 結 語

通過試驗結果表明:本文設計的局部氣墊雙體船模型拖曳試驗的試驗方案，能夠順利完成靜水阻力試驗。試驗除測量了船模的阻力、縱傾角、重心處升沉外，還監測了氣墊內壓強的分布以及波形，并根據船模內外吃水情況，計算出濕表面積，采用二因次法換算出實船的有效功率，對局部氣墊雙體船理論研究和船型優化有很大意義。

［1］李莉，石玉林.世界海軍新型氣墊登陸艇縱覽［J］.當代海軍，2007(4):53-55.

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［4］SWAAN W A，WAHAB R.The behaviour of a ground effectmachine over smooth waves［J］.Hovering Craft and Hydrofoil，1965，4(11).

［5］李云波.船舶阻力［M］.哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社，2005.

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［6］周廣利，黃德波，鄧銳.600 t 級深V 艇阻力性能試驗研究［J］.哈爾濱工程大學學報，2010，31(1):59-63.

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