雙體小水線面水翼復合船浮態及阻力試驗研究

劉亞東

(上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240)

雙體小水線面水翼復合船浮態及阻力試驗研究

劉亞東

(上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240)

對采用非自控組合水翼系統的雙體小水線面水翼復合船(HYSWATH)模型進行了浮態及阻力性能的試驗研究，測量并分析了模型的吃水、縱傾角、阻力隨航速、水翼位置和攻角變化的規律。試驗結果表明HYSWATH模型在體航、過渡和翼航等不同航行狀態時的縱傾角都比較小，說明非自控組合水翼系統可以保證HYSWATH模型在整個航行過程中的浮態；同時，前水翼的位置和攻角的變化對HYSWATH模型的阻力性能和船模進入翼航狀態的速度影響很大，并能改善過渡狀態時船舶的阻力性能。

船舶設計；小水線面雙體船；水翼復合船；模型試驗；阻力

0 引 言

復合船型的概念最早由美國的大衛·泰勒艦船研究發展中心(DTNSRDC)于20世紀70年代提出，并且該中心當時致力于單體小水線面水翼復合艇(HYSWAS)的可行性論證工作[1]。1981年，美國華盛頓大學的研究人員提出了多體水翼船的概念。研究指出，按70%的浮力和30%的水翼動升力組成的“水翼小水線面船”和“大型水翼復合船”，無論在靜水還是波浪中具有相當優良的性能[2]。20世紀80年代中后期，日本東京大學的研究人員設計了一種雙體水翼船(HC)，研究發現HC在阻力及耐波性方面均有很優良的性能[3]。其后，包括南非、挪威、韓國、德國、法國在內的多個國家也分別對水翼復合船型進行了詳細全面的理論分析、模型試驗和小型試驗艇的海上航行試驗，均取得了很大的進展，驗證了水翼復合船型的優良性能[4]。

小水線面雙體船(SWATH)性能方面的最大優點就是它顯著地改善了耐波性，但是SWATH的濕表面積比使用性能相同的單體船也增大了許多，其摩擦阻力隨著航速的提高會迅速增大，限制了SWATH航速的提高[5]。

水翼艇主要是靠高速航行時艇底下面的水翼產生的動升力來支撐全部艇重，將艇體完全托出水面，從而達到減小阻力、提高航速、改善耐波性的目的。但是，當水翼艇的尺度增大到一定程度后，水翼提供的升力將不足以承載艇體的排水量，從而使上部艇體不可能完全脫離水面，因此水翼艇存在無法大型化的問題[6]。

為此，考慮在SWATH兩個片體之間的前后分別設置水翼，并適當選擇前后水翼之間的距離，依靠水翼的動升力來承擔50%～60%的靜水浮力，理論上能夠減小35%～45%的濕表面積，從而提高SWATH的航速，為大型化提供保證，同時，由兩個水翼所產生的力矩能克服Mank力矩的作用，使該船型在高速領域也能正常安全航行。這種雙體小水線面水翼復合船(HYSWATH)應能兼備SWATH和水翼艇的優點[7]。本文對該船型的浮態和阻力性能進行了試驗研究，以驗證其合理性。

1 船型說明

本文結合總布置、結構、建造等方面的要求，確定了靜排水量為400 t的雙體小水線面水翼復合船(HYSWATH-400)的船體線型、支柱與下體的連接形式以及水翼的形式和布置[8-9]，如圖1所示。以此為研究對象，進行了浮態及阻力試驗研究，模型(縮尺比為1∶20)及靜浮狀態如圖2所示。其中，水翼采用非自動控制方式，固定安裝在片體上。

圖1 HYSWATH-400結構示意圖Fig.1 Structural schematic of HYSWATH-400

圖2 HYSWATH-400模型及靜浮狀態Fig.2 Model of HYSWATH-400 at rest

2 模型試驗

試驗在上海交通大學船模拖曳水池進行，主要試驗設備包括：

(1) 拖曳水池,110.0 m(長)×6.0 m(寬)×3.0 m(深)；

(2) 拖車，跨度6.0 m，最大速度6 m/s，配機械式阻力儀；

(3) 陀螺儀，位移傳感器，加速度傳感器。

阻力試驗采用常規的試驗方法，機械式阻力儀通過兩根細鋼絲將船模與阻力儀連接，船模所受阻力通過鋼絲傳遞到阻力儀上。

2.1 模型尺度

HYSWATH-400模型試驗采用Froude相似準則。模型主要參數如表1、表2所示。

表1 HYSWATH-400模型船體主要參數Table 1 Main parameters of the hull of HYSWATH-400 model

表2 HYSWAYH-400模型水翼和水翼支柱主要參數Table 2 Main parameters of the hydrofoil and foil-support of HYSWATH-400 model

2.2 試驗方案

為了考察水翼位置及攻角大小對HYSWATH船模浮態和阻力性能的影響，船模試驗采取的方案為排水量、船體重心、后水翼的位置和攻角均保持不變，只改變前水翼的縱向位置和攻角，具體見表3。其中，lf和la分別表示前水翼距主體首端點的距離和后水翼距主體尾端點的距離，αf和αa分別表示前后水翼的攻角。通過改變復合船型前水翼的縱向位置及攻角，分析比較不同方案的阻力性能，優選出阻力性能良好的HYSMATH船型。

表3 HYSWATH-400模型阻力試驗方案Table 3 Schemes of resistance test for HYSWATH-400

3 試驗結果與分析

3.1 船模浮態

HYSWATH在航行過程中，船舶的浮態會發生變化。當航速較低時，水翼還沒有發揮作用，此時船舶處于體航狀態，也就是船舶的主船體還有一部分在水下；隨著航速的增加，水翼產生升力，使得主船體逐漸脫離水面，并最終完全脫離水面，此時船舶的航行狀態可稱為翼航；由體航到翼航的中間過程稱為過渡航態。用KT表示上部船體連接橋底部距基線的高度，吃水小于KT值即意味著模型已進入翼航狀態。

圖3表示模型在不同航速下的吃水?？梢钥闯?，4個方案的HYSWATH進入翼航狀態時的航速有明顯的不同。以對應實船航速22 kn為例，見圖4，方案1中的船模已經進入平穩的翼航狀態中，主船體部分完全脫離了水面，而方案4的船舶正處于過渡航態，在艏部引起了飛濺，直到模型速度達到2.76 m/s時(相當于實船航速24 kn)才進入翼航狀態。由此可以說明，前水翼的縱向位置影響著HYSWATH進入翼航狀態的航速。

圖3 HYSWATH-400模型不同航速下的吃水Fig.3 Draft of HYSWATH-400 model at Different speeds

圖4 HYSWATH-400模型體航狀態Fig.4 Model of HYSWATH-400 on hull borne

當HYSWATH進入穩定翼航狀態之后，水翼位置的變化對吃水的影響就不太明顯了，隨著航速的變化，吃水曲線變得平坦和緩。過渡狀態前后的一定范圍內前水翼縱向位置的變化對吃水的影響還是比較大的。同時，增大前水翼的攻角，也會使HYSWATH的吃水減小。

圖5表示HYSWATH-400在不同航速時縱傾角的變化。航速較低時，船體有比較明顯的艏傾，這是因為后水翼的面積和攻角均大于前水翼；隨著航速的增加，后水翼受船體和前水翼興波的影響，其升力的增加沒有前水翼的快，一定航速以后，前水翼的升力大于后水翼的升力，此時船體呈現艉傾狀態。翼航過程中，縱傾角隨航速的變化沒有規律性，但總的變化幅度不大。同時，從4個方案的比較來看，前水翼的縱向位置變化對船舶航態的影響也沒有很明顯的規律性。

圖5 HYSWATH-400模型不同航速下的縱傾角Fig.5 Trim angle of HYSWATH-400 model at different speeds

總的來說，HYSWATH-400在從體航狀態到翼航狀態的整個過程中，吃水的變化較大，縱傾角的變化幅度較小。這說明HYSWATH-400在不同航行階段均具有良好的浮態，沒有出現過大的艉傾或者艏傾。

3.2 阻力試驗結果

圖6表示HYSWATH模型阻力的試驗結果。由圖中可以看出，前水翼縱向位置的變化對總阻力的影響比較明顯，前水翼靠前的時候，有較明顯的阻力峰；隨著前水翼位置的后移，阻力峰逐步消失，阻力曲線的坡度變得很平坦。同時，所有的方案在高速區域，阻力的增加都比較快，以方案4為例，當船模進入翼航狀態時，由圖7可見，航速30 kn時幾乎沒有飛濺，航速到40 kn時飛濺很厲害，因此高航速區域總阻力的急劇增大應該是由飛濺導致的。

圖6 HYSWATH-400模型阻力試驗結果Fig.6 Resistance of HYSWATH-400 model test

圖7 HYSWATH-400模型翼航狀態Fig.7 The Model of HYSWATH-400 on Foil Borne

由圖3、圖5、圖6可知，在低航速區域，吃水并不隨航速的變化而變化，但由于前后水翼的位置、面積和攻角的不同，縱傾角有明顯的差異，上部船體造成不同的船艏波，導致總阻力隨前水翼位置的變化也有較明顯的變化。

3.3 試驗與理論計算結果的比較與分析

HYSWATH的總阻力可分為船體阻力及水翼阻力，其中船體阻力包括上部船體、支柱和片體阻力。低速航行時，船體阻力與常規排水型船類似，可用傳統的方法進行計算。隨著航速的提高，水翼升力增大，上部船體離開水面，水線位于支柱處，HYSWATH處于翼航狀態，此時翼航吃水是位置參變量，需要通過求解作用于船體上的力和力矩的平衡方程式得到翼航姿態的吃水和縱傾角，再應用計算SWATH阻力的方法計算HYSWATH的阻力。水翼阻力的計算方法可參考水翼艇的有關算法。

據此，在SWATH和水翼艇阻力計算方法的基礎上，結合HYSWATH的運動特征，給出了HYSWATH翼航姿態及阻力的計算方法。以方案4為例，將理論計算結果與模型試驗結果進行了比較，見表4及圖8，一方面驗證了理論計算方法的可靠性，另一方面還進一步驗證了HYSWATH良好的浮態及阻力性能。

表4 HYSWATH船體阻力理論計算及模型試驗結果Table 4 The Theoretical Calculation and Test Results of Hull Resistance of HYSWATH

從表4所列數據的比較分析可以看出，當HYSWATH處于體航狀態時，理論計算與模型試驗結果之間的差異大于20%，其主要原因在于HYSWATH低速航行時上部船體不脫離水面，并形成較高的船艏波，興波阻力增加，同時也導致船體濕表面積增大， 粘性阻力增大，這兩點在理論計算時沒有考慮。該船進入翼航狀態后到運營速度的大多數航速下誤差很小，理論計算與試驗結果有相當好的一致性，說明本文提出的HYSWATH翼航狀態阻力計算方法能得到可靠的結果，可以在初步設計時用于估算阻力和主機功率。

4 結 語

根據以上研究和分析,可以得出以下幾點結論：

(1) 前水翼的位置往前移，可以使HYSWATH模型開始進入翼航狀態的航速降低，并能很快度過過渡狀態。阻力曲線的峰谷較為明顯，有利于在整個速度范圍內，尤其是在過渡狀態附近改善該船的阻力性能。

圖8 HYSWATH阻力系數曲線Fig.8 Resistance coefficient curves of HYSWATH

(2) 前水翼的攻角減小時，在高航速區域總阻力下降，但度過過渡狀態比較慢。

(3) HYSWATH模型從體航到翼航以及在翼航不同航行狀態的縱傾角比較小，說明采用非自控組合水翼系統可以保證HYSWATH船型整個航行過程的浮態。

(4) 該船在高航速區域飛濺很大，總阻力急劇增大，且與水翼的位置和攻角的變化無關。在高航速區域減小飛濺是改善HYSWATH阻力性能的重要措施。

總體而言，高速HYSWATH是水翼艇和SWATH的有機組合，兼具這兩種船型的優點。此項技術不僅可用于民用的海洋科學考察船、打撈救生、海峽渡船、沿海觀光旅游等，還可用于軍用海洋水聲監聽、獵雷掃雷及反潛巡邏。因此，研究HYSWATH船型的設計和水動力性能有著十分重要的意義。

[1] Meyer J R.A comparison of several hybrid surface ship concepts[J].Naval Engineers Journal，1977,86(4):183.

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[3] 李俐 譯.國際新船型發展動態[J].國外艦船工程，1997(12):33.

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[6] 林建國，許維德.多體水翼船綜述[J].船舶工程，1995(2)：19.

[7] 董祖舜.快艇動力學[M].武漢：華中理工大學出版社，1991:19.

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[9] 柳衛東.單體小水線面水翼復合型高速船(HYSWAS)性能及概念設計研究[D].上海：上海交通大學， 2000.

BuoyanceandResistanceStudyonHYSWATHModelTest

LIU Ya-dong

(SchoolofNavalArchitecture,QceanandCivilEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240,China)

The model test of hydrofoil small waterplane area twin-hull ship (HYSWATH) scheme developed in this paper is carried out to get the buoyance and resistance performances.Various characteristics of the total resistance,draft and trim with different ship speeds,locations of hydrofoils,attack angles of foils and locations of the center of gravity of ship have been measured and analyzed.The results of the model test prove that the buoyance and resistance performances of HYSWATH model are very good.The location of hydrofoils,attack angles of foils and location of the center of gravity of ship influence the resistance and velaity of the HYSWATH,and improve the resistance pertormance of HYSWATH in transitive state.

ship design; SWATH; hovercraft hybrid ship; model test; resistance

U674.951

A

2095-7297(2014)03-0234-06

2014-08-19

劉亞東(1972—)，女，副教授，主要從事船舶水動力學研究。