M型艇與槽道型艇的阻力和耐波性比較

黃武剛

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

M型艇與槽道型艇的阻力和耐波性比較

黃武剛

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

對高速滑行艇M型與槽道型在相同主尺度下的阻力和耐波性能進行對比,根據模型靜水阻力試驗結果得到M型中高速阻力相比槽道型均有所減小，且減小值超過10%,隨著航速增大(Fr▽>4時)，兩者的阻力差值趨增大。不規則波迎浪情況下的耐波性試驗表明，兩種艇型的縱搖、垂蕩、艏舯艉垂蕩加速度均有明顯的差別。如果高速滑行艇采用M型，有望獲得更好的耐波性。

M型；槽道型；高速滑行艇；阻力；耐波性

我國對高性能船舶的需求越來越迫切，近年來高性能船舶發展較快，如水翼艇、氣墊雙體船、穿浪艇、滑行艇等。無論是單體滑行艇、氣墊船還是雙體船，都屬于動力支撐型船，且雙體船為靜浮態型船，在特定的航行環境中，發揮各自的優勢，然而都無法同時具備高速、低功率、消波、適航性好，高穩性和經濟效益好的優點。M型艇則是常規單體滑行艇、高速雙體船和氣墊船的組合船型，它集中3種船型的優勢，將流體力學和空氣動力學較好地組合起來，其消波性能，有效載荷，操縱性以及在逆風逆浪中高速航行的效果更顯出其卓越的性能，是各類船型中最具競爭力的一種新船型[1-4]。然而，由于出現時間尚短和專利約束等原因，國外對M型艇研究公開見報的極少。槽道型艇則具有底部動壓力大、橫搖小、噴濺少、艇重心處和艏部垂向加速度小及甲板寬敞等優點[5-7]。本文以某M型和槽道型高速滑行艇型為研究對象，對兩種不同船型的阻力和耐波性進行比較，為進一步研究M型艇和實艇設計提供有用資料。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[8-10]。

1 兩種不同船型主尺度及試驗方案

為比較M型艇和槽道型高速滑行艇的阻力和耐波性，選取總長、重心縱向位置、排水量相同的兩型艇進行模型試驗。

某M型艇橫剖面及艏艉形狀如圖1a)所示，主尺度如表1。它主要由三部分組成：中間部分是主船體部分，主要用來排水，為船體提供浮力；兩側是船體的圍壁，其主要作用有些類似于氣墊登陸艇的圍裙，起著密封的作用；中間空白部分是空氣通道。歸功于M型艇特有的船型，高速航行下主船體和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小從而大大減小濕表面積，同時，M型船體利用槽道內作有旋運動的水流，很容易吸捕大氣層中的空氣，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，使得船體得到潤滑，其結果使得摩擦阻力降低。

圖1 兩種艇型模型的橫剖面和側視圖

某槽道型艇橫剖面及艏艉形狀見圖1b)，主尺度見表1。它在艇底中央有一縱向貫通的槽道，槽道在艏部稍有外張，并形成一喇叭形開口。

表1 兩種艇型主尺度

由于其艇底有一縱向槽道，并形成了兩個不同高度的滑行面，可以使起滑速度加快，從而能使船迅速越過阻力峰；在高速行駛時，槽道頂部與水表面之間形成一個低粘性的二相流邊界層，進一步減少摩擦阻力，使槽道型艇具有更好的快速性。

為保證船模在高速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，船模安裝見圖2。阻力模型試驗通過自由拖曳法測量兩種艇型在相同排水量和相同重心縱向位置下的船模的阻力、航行姿態角和升沉并對數據進行分析，以及對艇艏、艇艉、艇側和氣道等位置興波、飛濺和尾跡的觀察，拖曳速度從2 m/s逐漸增大到11 m/s或出現海豚運動為止，體積傅汝德數Fr▽為0.89～4.88。耐波性模型試驗通過兩種艇型進行相應于實船三一波高(ξW/3=1.25 m，Fr▽=2.796)，譜心周期(T1=4.32 s)下的耐波性試驗。模型試驗水池拖車速度范圍為0.1～22 m/s，車速穩定精度優于0.2%。

圖2 兩種艇型的試驗模型

2 靜水阻力性能比較

根據模型的靜水阻力試驗結果，得到兩種艇型在某同一狀態下試驗阻升比數據見表2。

表2 兩種艇型模型阻力試驗阻升比數據

圖3 兩種艇型模型阻力無因次對比

表2中同時給出了相同體積傅汝德數下M型艇阻力較槽道型艇減小的k值，Rm/△m～Fr▽對比曲線見圖3，其中Rm為模型阻力，△m為模型排水量，Fr▽為體積傅汝德數。

由表2和圖3知，除低速情況下，在Fr▽>1.7時，M型艇的靜水阻力性能均優于槽道型艇，且在中高速范圍內阻力減小值均超過10%，在Fr▽=4.883(實船航速約52 kn)時減小值達到21.91%，說明M型艇在高速時充分利用了艦艇高速航行時艇艏產生的能量，形成氣墊，對船體進行抬升。同時，由圖3可知，槽道型艇Fr▽=2.0附近遇到一個阻力峰值，阻力峰后阻力基本保持不變，但在Fr▽>3.0以后阻力一直逐漸上升；而M型艇則存在兩個阻力峰，第一個阻力峰值在Fr▽=1.5附近。阻力峰值也稍較槽道型艇提前，并且在越過第一個阻力峰后隨著航速的持續增大阻力值發生明顯回落，直到第二個阻力峰值的臨近。這是由于M型艇底部有兩條對稱于縱中剖面并縱向貫通的氣道，并融合了氣墊船的原理，其并不完全依靠排水和主船體滑行面水動升力來航行，因而它當航速持續增大越過第一個高速阻力峰時后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，使船體水阻力降低，航速突破常規船型的極限。特別的，隨著航速持續增大(Fr▽>4.0時)，兩者的阻力差值也越來越大。因此，如果設計航速更高時，M型艇較槽道型艇會有更優的阻力性能。

3 不規則波上迎浪試驗

迎浪是船舶在航行中經常遇到的航態，在這種航態下，船的縱搖、垂蕩、垂向加速度、甲板上浪及砰擊等則是影響船舶作業的主要因素。由于出現時間尚短和專利約束等原因，目前關于M型艇的耐波性研究的公開報道極少，本試驗內容主要是兩個船型不規則波中有航速迎浪縱向運動試驗，試驗采用第十一屆國際船模水池會議(ITTC)和國際船舶結構會議(ISSC)先后推薦的雙參數波譜，它的一般形式為

(1)

式中：ξW/3——三一平均波高，m;

T1——譜心周期,s;

ω——波頻,rad/s。

對于雙參數波譜，它不僅適用于充分發展的海浪，也適用于成長中的海浪或含有涌浪成分的海浪，并在波頻ω=4.849T-1處達到最大值。本試驗主要測定相應于實際海況在ξW/3=1.25 m，T1=4.32 s下的兩種船型的船模阻力、航行姿態角和升沉等參數。

表3～6給出了不規則波中M型艇和槽道型艇迎浪航行各項運動幅值的相對百分數kp(M型艇/槽道艇)，及不規則波中模型阻力增值kRW(kRW=△RW/R)。

3.1 縱搖運動

模型不規則波縱搖雙幅值比較見表3。

表3 兩種艇型模型不規則波縱搖雙幅值比較

3.2 垂蕩運動

模型不規則波垂蕩雙幅值比較見表4。

表4 兩種艇型模型不規則波垂蕩雙幅值比較

3.3 垂向加速度

模型不規則波耐波性試驗數據見表5。

表5中槽道型艇在不規則波試驗中由于運動過于激烈以至于拖車中途停車，艇舯部和艉部垂向加速度沒有采集到。

3.4 波浪增阻

兩種艇型模型不規則波波浪增阻數據對比見表6。

表5 兩種艇型模型不規則波耐波性試驗數據

表6 兩種艇型模型不規則波耐波性試驗數據

顯然可見，不規則波的三一波高ξW/3=210 mm，Fr▽=2.796時，M型艇的各項運動幅值均較槽道型艇有所減小。從波浪中兩者阻力平均值結果來看，M型艇減小20%，這與靜水阻力模型試驗中兩者的比較結果是一致的，且M型艇在不規則波中阻力增值較槽道型艇要小。從縱搖雙幅值和垂蕩雙幅值來看，M型艇分別減小70.4%和34.5%，這說明M型艇對于改善高速艇的縱搖和垂蕩有較明顯的效果。從艏、舯、艉的垂向加速度來看，試驗過程中由于槽道型艇船模運動較為激烈，整個不規則波試驗行程中前半段船模運動較為激烈，后半段船模運動特別激烈，以致中途停車，槽道型艇則只采集到了艏部垂向加速度，而M型艇順利采集到了艏、舯、艉的垂向加速度，M型艇艏部垂向加速度較前者減小59.3%，這說明M型艇對于改善升沉加速度也有較明顯的作用，同時由此可以進一步說明M型艇在惡劣海況下更有利于保持其高速的特性。

4 結論

1)M型艇與槽道型艇相比，中高速阻力的減小值超過10%。特別是隨著航速增大(Fr▽>4.0時)，兩者阻力差值趨增大，M型艇阻力性能更優。

2)M型艇的各種耐波性參數優于槽道型艇，特別是波浪中的縱搖和垂蕩運動有所減小，以及加速度的改善比較明顯。如果高速滑行艇采用M型艇，有望獲得更好的耐波性。

[1] 王慶旭，岳 蕾．M型船的船型特點及無網格數值模擬[C]∥第十八屆中國國際船艇及其技術設備展覽會暨高性能船學術報告會論文集，2013：E12，1-5.

[2] 黃武剛，沈小紅．M船型線型優化研究[C]∥第十九屆中國國際船艇展暨高性能船學術報告會論文集.上海：中國造船工程學會船舶設計委員會，等，2014：C07，1-4.

[3] 唐建飛，黃武剛.M船型阻力模型試驗研究[J].中國艦船研究，2014，9(5)：49-52.

[4] 劉 謙，龐立國，雷韻鴻.三體消波滑行艇工作原理及技術特點研究[J].江蘇船舶，2000，17(1)：6-7.

[5] 劉 謙，王振濤．高速雙體滑行艇的特點、用途及發展動向[J]．江蘇船舶，1998，15(1)：12-45．

[6] 池云鵬，孟憲欽．高速槽道艇阻力及耐波性性能試驗

研究[J]．船舶工程，1995(3)：27-31．

[7] 趙連恩，李積德，何 義．槽道水翼滑行艇快速性能研究[J]．中國造船，1997(3)：1-8．

[8] 邵世明，王云才，梁永超，等.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，1996，30(12)：53-57．

[9] 蘇玉民，王 碩，沈海龍.三體槽道滑行艇阻力模型試驗研究[J]．哈爾濱工程大學學報，2013，34(7)：832-836．

[10] ODD M F. Hydrodynamics of high-speed marine vehicles[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 2005.

Comparison of Resistance and Sea-keeping between M and Channel-type Hull Forms

HUANG Wu-gang

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

A comparative study between M and channel-type hull forms for high speed planing craft under the same particulars is carried out. Based on the results of model resistance tests, the resistance of M hull form in calm water has decreased 10% or more compared with the channel-type hull form for the same displacement in medium and high speeds. The resistance difference between two hull forms will be increased as the speed increased while FN▽>4. The seakeeping tests in irregular head seas show that there is a great difference between M and channel-type hull forms, in the term of pitch, heave, vertical acceleration in bow, midship and stern. The better seakeeping qualities may be expected, if M hull form is adopted in high speed planing craft.

M hull form; channel-type hull form; high speed planing craft; resistance; seakeeping

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.01.014

2014-09-26

中國艦船研究設計中心研發基金 (02011004)

黃武剛(1987- )，男，碩士，工程師

U661.312

A

1671-7953(2015)01-0056-04

修回日期：2014-10-23

研究方向:船舶總體研究設計

E-mail:pzhuangwg@163.com