雙體小水線面水翼復合型高速船阻力性能研究

王鈺元

摘 要：分析雙體小水線面水翼復合型高速船（HYSWATH）的阻力變化規律，并在此基礎上討論HYSWATH處于翼航狀態時吃水和縱傾角的計算方法，形成了計算HYSWATH翼航狀態阻力的方法。并將計算結果和模型試驗結果比較，分析產生誤差的原因。

關鍵詞：HYSWATH 阻力 翼航狀態 平衡

考慮將不同類型的高速船雜交“取長補短”獲得更佳的性能，走所謂復合型的道路，是現今高速船的一個發展方向。復合船型的概念考慮了水面艦船現有的三種升力源：無動力靜升力（浮力）、有動力靜升力（氣墊升力）和動升力，采用不同的比例進行組合，形成一個全新的船型。

在小水線面雙體船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，就可以相應的減小下體排水體積，理論上能夠減小35%～45%的濕表面積，45%～55%的興波阻力，35%～45%的摩擦阻力，從而提高小水線面雙體船的航速，同時，由兩個水翼所產生的力矩能克服Mank力矩的作用，使小水線面雙體船在高速領域也能保證正常安全航行。這種雙體小水線面水翼復合型高速新船型（HYSWATH），兼備小水線面雙體船和水翼艇的優點，在快速性，耐波性和穩定性方面應能具有更加優良的性能。

雙體小水線面水翼復合型高速船（HYSWATH）的阻力主要由船體的阻力，水翼的阻力和船體與水翼之間的干擾阻力這三部分組成。本文主要研究HYSWATH船進入翼航狀態后的阻力和運動姿態計算方法，并和模型試驗結果進行比較，驗證計算方法的可靠性，同時還初步探討了主要參數對阻力的影響規律。

HYSWATH阻力計算方法

水翼升力的變化導致水翼本身阻力的變化，并改變船體的吃水和縱傾角，同時，翼航姿態（吃水和縱傾角）的變化又導致水翼升力的變化。因此計算HYSWATH船體阻力，要同時考慮其翼航姿態。

HYSWATH船體的阻力比較復雜，包括上體、支柱、主體以及水翼的阻力，而每一部分又可分為興波阻力、粘性阻力和噴濺阻力等幾個部分。低速航行時，水翼的升力較小，上部船體尚未脫離水面，HYSWATH處于體航狀態，支柱和主體所引起的興波阻力在總阻力中的比例很小，可以忽略不計，船體阻力與常規排水型船類似，可用傳統的方法進行計算，本文不作重點研究。

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，船體阻力由主體和支柱的阻力組成，此時HYSWATH阻力的數學模型與小水線面雙體船相似，但翼航吃水是一個未知參變量，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以后，才可以應用小水線面雙體船興波阻力的計算方法計算HYSWATH的興波阻力。

水翼的阻力由翼型阻力、誘導阻力和興波阻力三部分組成。由粘性引起的翼型阻力包括摩擦阻力和形狀阻力；誘導阻力主要是由有限翼展引起的附加阻力；水翼阻力的計算方法已經比較成熟，計算時可參考水翼艇的有關算法。

1、HYSWATH翼航狀態平衡方程

以■作為隨船平移的坐標系，原點o1位于水面上主體中心處，■軸平行于水面，而以oxyz作為與船固結的坐標系，原點o位于設計航速水線上主體中心處，ox軸在縱中剖面內平行于船體基線（見圖1）。

根據HYSWATH翼航狀態時的外力作用情況（圖1），力和力矩的平衡方程式可取如下形式：

式中：

P----- 推進力

■----- 縱傾角

RT和RH ----- 翼航狀態總阻力和船體阻力

Li和Di ----- 第i個水翼的升力和阻力

■ ----- 翼航狀態排水體積

xi和zi----- 水翼設置位置的軸和軸坐標（表示前水翼，表示后水翼）

xc和zc----- 翼航狀態浮心的軸及軸坐標

xg和zg----- 船重心的軸及軸坐標

zp和zH----- 推進力作用點和船體阻力作用點的軸坐標

■----- 縱穩心半徑

假設縱傾角很小，無因次化得如下的方程組：

其中：

S0和L0----- HYSWATH的特征面積和特征長度

CH和S----- HYSWATH船體阻力系數和其濕表面積

2、HYSWATH翼航狀態吃水和縱傾角的計算

式（2）可以看成以速度為參量而吃水和縱傾角為自變量的非線性方程組，用圖解法求解。

將式（2）改寫為：

在翼航狀態范圍內選擇幾個速度值；V1 ，V2 ，… Vn。對一個固定的航速Vi又選擇幾個吃水值；zi1 ，zi2 ，… zim 。對于數據組（Vi，zij）；j=1，2，...m，算出方程組（3）的左邊部分■，并畫出兩個曲線組（見圖2）。方程組的右邊部分在圖2上是一組直線（上圖中為水平線，下圖中為o■軸線）。

在上圖中，求出平行線和曲線組f1（zij，■；vi） 的交點aij（j=1，2，...m）。在下圖中的相應吃水曲線上求出對應于aij的交點bij（j=1，2，...m）。通過點列bij的曲線和o■軸的交點■i就是在航速Vi時的縱傾角。在確定縱傾角■i的情況下，對一個數據組（Vi，■i）應用與數據組（Vi，zij）；j=1，2，...m的同樣方法，求出吃水zi。對于每個速度值Vi（i=1，2，...n）反復利用以上的方法求得HYSWATH船翼航狀態吃水和縱傾角（zi，■i），i=1，2，...n。然后，根據已求出來的吃水和縱傾角就可以按照小水線面雙體船的方法計算HYSWATH船翼航狀態總阻力。

總阻力計算與模型試驗結果的比較

HYSWATH是一種全新的船型，對其各種性能的理論分析計算，尚需通過相應的模型試驗來加以驗證，從而揭示其內在本質，進一步修正、完善理論計算方法。HYSWATH模型試驗采用Froude相似準則和斯羅哈相似準則。根據試驗儀器設備的能力和各方面的條件，實船和模型的縮尺比取λ=20。表1是計算用HYSWATH的實際尺度。

表2及圖3為根據前面討論的方法對在表1列出的HYSWATH的1：20模型理論計算求得的船體阻力及相應的模型試驗結果。

表2和圖3中的阻力系數是用Ri/ρΔ2/3V2來表示的，其中Ri表示各項阻力成分。

從表列數據的比較分析可以看出，當HYSWATH處于體航狀態時兩者之間的差異大于20%，導致這么大誤差的基本原因HYWSWATH低速航行時上體不脫離水面，造成了比較高的船首波，興波阻力增加，同時因船體濕表面積增大，粘性阻力也增大，可是在理論計算時這都不計。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，理論計算與試驗兩者有相當好的一致性，說明本文提出的HYSWATH翼航狀態阻力計算方法，結果可靠，可以在初步設計時估算阻力和主機功率。

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（作者單位：中國船級社）