高速深V型小艇耐波性試驗研究

孫 云

（海軍駐上海滬東中華造船（集團）有限公司軍代表室 上海200129）

引 言

傳統排水型小艇設計一般采用圓舭型線型，以利于改善阻力性能，但自20世紀80年代以后，世界各國對高速小艇綜合航行性能極為關注，特別重視在惡劣海況下執行任務的高速小艇的耐波性，并不惜以犧牲一定的靜水快速性為代價，來換取耐波性的提高。深V型小艇的出現就是高速排水式單體艇追求優良耐波性的艇型演變結果。高速排水型小艇采用深V型艇的突出優點是在波濤中的耐波性能較常規圓舭艇有很大改善，且在風浪中失速較小［1］。深V型艇通常采用尖舭或折角線型的舭部形狀，因此深V型艇最主要特點之一是其底部橫向斜升角β要比常規尖舭或圓舭艇的底部橫向斜升角大得多（一般艇底橫向斜升角β≥26°），這有利于減少艇體底部所受到的波浪沖擊、減少艇體對波浪縱向和垂向運動的響應，從而有利于改善和提高小艇的耐波性［2］。

1 深V型艇特征

深V型艇的最基本特征是沿艇長整個底部都有較大且幾乎不變的橫向底部斜升角。這種特點決定了深V型艇的艇型參數。此外，深V型艇的龍骨為內龍骨，這也明顯區別于常規艇型。歸納起來，深V型艇的特征如下：

（1）“V”型橫剖面形狀，呈直線狀或近乎直線狀，舭部呈折角尖舭形狀，底部橫向斜升角β≥20°，如圖1所示。

圖1 艇型特征圖

（2）整個后體的橫剖面底部橫向斜升角β設計成不變或近乎不變以增加尾板附近的沉深和浸濕面積。

（3）在水線下設置舭板或楔塊，以進一步改善艇的耐波性和航向穩定性。

2 艇型V度對阻力的影響分析

在艇體主尺度一定的情況下，底部橫向斜升角是影響高速排水型艇流體動力性能的主要參數［3］，實際研究表明，不同航速范圍的深V型艇所選取的底部橫向斜升角的大小是不同的。為具體分析艇型V度對阻力的影響程度，開展在艇體主尺度一定的情況，變更艇型V度的模型試驗研究。3型試驗艇的艇型要素參見表1。

表1 模型艇的艇型要素表

試驗模型的排水體積長度系數為：

底部橫向斜升角β分別為15°、20°、30°，它們的橫截面形狀如圖2所示。根據試驗結果，底部橫向斜升角對總阻力的影響見圖3。

圖2 三型艇橫截面示意圖

圖3 橫向底部斜升角對總阻力的影響圖

從試驗結果可以看出，在低速范圍，底部橫向斜升角大者阻力較低，表明對于載荷較重和航速較低的排水型船采用極深V型艇，可以同時獲得更好的推進性能和耐波性。

3 深V型艇耐波性試驗

通過對8.5 m小艇在珠江口桂山島海域進行實艇試驗，試驗海區海況為4級（有義浪高1.87 m），平均風速10.1 m/s。測試工況見表2。

測試結果如下：

（1）艇體運動測量結果

表3給出了8.5 m小艇在各工況下艇體垂蕩、縱搖、橫搖運動幅度（單幅）及各自的平均周期測量結果，表4給出了小艇首部、中部、尾部垂向運動加速度的最大值和有義值測量結果，下頁表5給出艇體縱搖角速度、橫搖角速度的測量結果。

表2 實艇試驗測試工況表

表3 運動位移（單幅）測量結果

表4 垂向運動加速度測量結果

表5 垂蕩運動速度、縱搖運動角速度、橫搖運動角速度測量結果

（2）船體運動測量結果分析

圖4、圖5和圖6分別給出小艇主機2 000 r/min時，浪向角對艇體垂蕩位移、縱搖角位移和橫搖角位移的影響。從圖中可以看出，本艇的垂蕩位移在橫浪時最大、順浪時最小，有義垂蕩位移的最大值為0.931 m。本艇的縱搖角位移在頂浪時最大、橫浪及順浪時較小，有義縱搖角的最大值為6.89°。本艇的橫搖角位移在首斜浪和橫浪時較大，順浪時最小，有義橫搖角的最大值為7.73°。

圖4 轉速2 000 r/min時，浪向對有義垂蕩位移的影響

圖5 轉速2 000 r/min時，浪向對有義縱蕩搖角位移的影響

圖6 轉速2 000 r/min時，浪向對有義橫搖角位移的影響

圖7和下頁圖8分別給出小艇主機2 000 r/min時浪向角對縱搖角速度、橫搖角速度的影響。從圖中可以看出，本艇的有義縱搖角速度在頂浪和首斜浪時較大、橫浪時最小，有義縱搖角速度的最大值為8.37 °/s。本艇的橫搖角速度在橫浪時較大、順浪時最小，有義橫搖角速度的最大值為9.75 °/s。

圖7 轉速2 000 r/min時，浪向對有義縱搖角速度的影響

圖8 轉速2 000 r/min時，浪向對有義橫搖角速度的影響

圖9給出小艇主機轉速2 000 r/min時艇體有義垂向加速度沿艇體縱向位置的變化。從圖中可以看到，本艇垂直運動加速度在首部處最大、尾部處次之、重心處最小，從總體上看，順浪時本艇的垂向運動加速度最小。

圖9 轉速2 000 r/min時，浪對有義垂向加速度沿艇體縱向位置的變化

表6給出本艇運動有義單幅值與有義浪高的比值。在表6中，Z13、φ13和θ13分別是有義垂蕩單幅值、有義縱搖單幅值、有義橫搖單幅值；（A1）13、（AG）13和（A19）13分別表示尾部、重心處和首部的有義垂向運動加速度；H13是有義浪高。

表6 運動有義單幅值與有義浪高的比值

4 橫剖面形狀對耐波性的影響

深V型艇的橫剖面按折角線分為可有單折角和雙折角兩種基本線型。按底部的線型又可分為：深凸V型、深V型和深凹V型三種線型。

艇在縱搖時，艇首向下運動時的初期，雖然深凸V型橫剖面具有較大阻力，但這時向下速度并不很大，因此艇首不會產生大的垂向加速度。當艇首繼續下降時，雖然下降速度增大，但深凸V型剖面的入水阻力增加緩慢，因此艇首下降運動的整個過程中，艇體受到的是幾乎不變的向上作用力，向上加速度不會達到很大的峰值。對于深凹V型橫剖面的情況則不同，在艇首下降運動的過程中，向下速度和入水阻力可能會同時達到最大，特別是在舭部附近的入水阻力將急劇增大，因此深凹V型艇的沖擊加速度要比深凸V型艇略大［4］，通常很少采用。

對8.5 m小艇進行的耐波性試驗結果顯示，深V型艇的吃水較深，尖舭的折角線無論是對橫搖運動還是對縱搖運動都會產生更大的阻力，因此在同等情況下，橫搖幅度和縱搖幅度均比深凸V型和深凹V型艇要小，同時由于底部橫向斜升角越大吃水越深，對減小縱橫搖幅度有利。深V型艇的后體均保持有較大的底部橫向斜升角，從而使其縱搖軸更接近于艇的重心縱向位置，因此縱搖固有周期更短，在海浪中更容易引起諧振。但由于縱搖軸移到中部，故不僅轉動慣性半徑減小而且轉動力矩也減小。認為這是深V型艇首部沖擊加速度明顯減小的主要原因［5］，表7根據艇內典型乘員座位實測數據顯示，艇在運動時對乘員的影響。

表7 深V型艇運動加速度計算表

表7中：Ax、Ay和Az分別為在X、Y、Z方向所測得的加速度，gx、gy、gz分別為因座位角度產生的在X、Y、Z方向的修正值。根據SOLAS公約，Gx=15、Gy=7、Gz=7，a為加速力極限系數，具體參數計算見式（2）至式（5）［6］。

按SOLAS要求，加速力a不能大于1。根據上述計算可知，加速力的評定（沖擊影響頻譜系列）最大值為0.21，低于SOLAS公約規定值（≤1），所以深V型線型對乘員因承受加速度損傷潛勢較小，對乘員幾乎無影響。

5 結 論

本文在艇體主尺度一定的情況下，系統分析了艇型V度對阻力的影響。在相同負荷條件下，較大底部橫向斜升角β的滑行面具有較大的浸濕長度及阻力，因為隨著底部橫向斜升角β增大、水動升力減小，滑行面吃水增加導致濕面積增加，摩擦阻力增大，同時使全艇重心升高、靜橫穩性復原力臂及其復原力矩減小。在合理的底部橫向斜升角β（20°～25°之間）和半滑行狀態下，艇首抬起，此時阻力明顯增大（在17%～20%之間）；而進入滑行狀態后，則阻力減小。當航行縱傾角在3°～5°之間時，阻力最小，所以小艇的最佳艇行縱傾角也是減小阻力提高航速的主要途徑。

通過耐波性試驗，得出了深V型艇在各工況下艇體垂蕩、縱搖、橫搖運動幅度（單幅）、首部、中部、尾部垂向運動加速度的最大值和有義值以及縱搖角速度、橫搖角速度的測量結果。通過對試驗結果進行分析可知耐波性品級指標與六個最有影響的船型參數之間的關系，即其主要與首、尾的垂向棱形系數和水線面積系數（即首、尾端的形狀），以及艇長與吃水比L/d等系數有關；長寬比L/B的變化對運動和加速度影響不顯著；長吃水比L/d的增大和在一定范圍內方形系數Cb的增大會使縱搖和升沉運動得到改善，但過大的Cb是不利的，也就是說吃水深的艇比吃水淺的艇運動幅度要大，因為吃水淺的艇具有較大的興波阻尼；垂向棱形系數和較大的方形系數可以獲取較大的水線面系數，這些都有利于增加艇的搖蕩阻尼、減小運動幅值。實際上，通過權衡這些主要艇型因素對艇耐波性和快速性能的利弊并作出合理的選擇，可有效解決上述矛盾，得出深V艇的吃水較深，尖舭的折角線無論對橫搖運動或縱搖運動都有較大的阻力作用，且具有較好的耐波性能。

［1］ 許蘊蕾.調幅速滑行艇的縱向運動分析與仿真研究［J］.船舶，2011（1）：21-25.

［2］ 夏翔，岳國強，楊帥.提高深V型滑行艇航速的綜合研究［J］.中國艦船研究，2007（1）：77-80.

［3］ 姚朝幫，董文才，許勇.深V型艇系列模型縱向運動試驗研究［J］.哈爾濱工程大學學報，2010（9）：1138-1143.

［4］ 盧曉平，酈云，董祖舜.幾種排水型高性能船阻力性能對比研究［J］.海軍工程大學學報，2006（1）：34-41.

［5］ 邵世明，王云才.深V型艇與圓舭型艇的阻力和耐波性比較［J］.上海交通大學學報，1996（12）：53-57.

［6］ 朱珉虎.高速艇與游艇設計手冊［M］.珠海：珠海出版社，2008：28-30.