被動(dòng)翼復(fù)合船型航行性能模型試驗(yàn)研究

李 鵬，姜治芳，黃衛(wèi)剛

(中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064)

被動(dòng)翼復(fù)合船型航行性能模型試驗(yàn)研究

李 鵬，姜治芳，黃衛(wèi)剛

(中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064)

針對(duì)被動(dòng)翼復(fù)合船型，采用模型試驗(yàn)方法，開展阻力和耐波性模型試驗(yàn)，分析一對(duì)首水翼和一型 T型翼對(duì)阻力和垂向運(yùn)動(dòng)的綜合影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，加裝被動(dòng)翼之后，中低速時(shí)靜水阻力增幅較大，高速時(shí)靜水阻力增幅減緩；在 1 倍波長船長比附近，縱搖、垂蕩、首尾垂向加速度大幅減小；波浪增阻顯著降低。綜合而言，被動(dòng)翼復(fù)合船型在風(fēng)浪中航行時(shí)，快速性與原船型相當(dāng)，耐波性大幅提升，對(duì)改善船員舒適性和船上設(shè)備使用環(huán)境具有有益效果。

首水翼；T型翼；阻力；耐波性；模型試驗(yàn)

0 引 言

船舶在風(fēng)浪中航行時(shí)受海浪影響會(huì)產(chǎn)生六自由度運(yùn)動(dòng)，其中縱搖、橫搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)由于幅度大、周期短，不僅影響船員的舒適性，而且對(duì)船上設(shè)備的使用產(chǎn)生較大的影響，海況惡劣時(shí)甚至?xí)鸫显O(shè)備的損壞或船舶傾覆。對(duì)于橫搖運(yùn)動(dòng)，國內(nèi)外已開展了大量研究，形成了諸如舭龍骨、減搖鰭、減搖水艙等主/被動(dòng)減搖裝置，減搖效果明顯。但對(duì)于大中型水面船舶的縱搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)，目前還沒有形成技術(shù)成熟的抑制裝置。

在抑制垂向運(yùn)動(dòng)方面，國內(nèi)外針對(duì)主/被動(dòng)減搖技術(shù)也開展了一定的研究。丁勇等[1]基于千噸級(jí)船舶，開展了減縱搖試驗(yàn)研究，提出了減橫搖主動(dòng)鰭、船首橢圓形環(huán)翼與縱列片翼綜合減縱搖方法，綜合減縱搖效率令人滿意，且認(rèn)為工程上可以實(shí)現(xiàn)。蔡新功等[2]提出了減縱搖組合附體的概念，采用倒三角翼型和橢圓剖面流線型半潛體，并加裝于單體排水式圓舭導(dǎo)彈護(hù)衛(wèi)艇，開展了快速性和耐波性模型試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明減縱搖組合附體可顯著抑制艦船的縱向運(yùn)動(dòng)，而且經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的組合附體尺度和布局對(duì)艇靜水阻力基本沒有影響。孫樹政等[3]在千噸級(jí)單體深 V 復(fù)合船型構(gòu)型研究中加裝了減縱搖組合附體以及尾壓浪板，經(jīng)多方案優(yōu)選，令復(fù)合船型靜水阻力與同噸級(jí)圓舭船型相當(dāng)，耐波性得到大幅提升。孔衛(wèi)等[4]通過對(duì)某深V型快速渡輪加裝首尾主動(dòng)減搖鰭，比較了 2 種控制策略，分析了鰭擺角對(duì)減搖效果的影響，通過算例分析取得了明顯的減搖效果。李為、黃昊等[5-6]對(duì)一種新型的十字型被動(dòng)式抗縱搖舵在波浪中的減搖效果開展了研究，經(jīng)仿真分析，加裝抗縱搖舵后，迎浪響應(yīng)曲線峰值附近縱搖幅值減小 10%，垂蕩幅值減小6%，取得了一定的減搖效果。J.M. Giron-Sierra 和 S. Esteban 等[7-8]開展了快速渡船上加裝可控尾壓浪板和 T型翼對(duì)耐波性的改善研究，采用數(shù)值仿真和模型試驗(yàn)方法，分析了被動(dòng)狀態(tài)下和主動(dòng)狀態(tài)下的減搖效果，以及對(duì)船員舒適性的影響。

在減縱搖裝置方面的研究雖然取得了一定的成果，但研究對(duì)象以千噸級(jí)以下的船舶為主，而且部分研究未考慮減搖裝置對(duì)船舶的另一個(gè)重要指標(biāo)快速性的影響；另一部分研究雖然考慮了快速性問題，但對(duì)于球鼻首內(nèi)有設(shè)備安裝需求的約束問題沒有考慮。因此在工程應(yīng)用方面仍有待進(jìn)一步研究。

本文以工程上可行的某萬噸級(jí)穿浪內(nèi)傾單體船為對(duì)象，構(gòu)建被動(dòng)翼復(fù)合船型，分別設(shè)計(jì)置于首部的一對(duì)首水翼和一型置于首底部的 T 型翼，并通過模型試驗(yàn)，分析首水翼和 T 型翼對(duì)靜水阻力、垂向運(yùn)動(dòng)以及波浪增阻的綜合影響。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

1.1 船型

船型采用穿浪內(nèi)傾單體船型，排水量達(dá)到萬噸級(jí)，該船型特點(diǎn)為首柱后傾，側(cè)壁內(nèi)傾。船型剖線圖如圖1 所示。

圖1 船型剖線圖Fig. 1 Sections ofmain hull

1.2 被動(dòng)翼

被動(dòng)翼分別為一對(duì)首水翼和一型 T 型翼。首水翼垂向投影為梯形，翼剖面為 NACA0012，安裝在球鼻首后距首垂線 1 站距離的位置，首水翼沉于水線以下6m深處，見（圖2）。

圖2 首水翼圖Fig. 2 Fore foil

T 型翼垂向投影為矩形，支撐臂剖面為 NACA0024，水平翼剖面為 NACA0012，安裝在平板龍骨距首垂線 2站距離的位置，T 型翼沉于水線以下 10m深處（見圖3）。

圖3 T 型翼圖Fig. 3 T-foil

1.3 試驗(yàn)方案

被動(dòng)翼的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 主要參數(shù)Tab. 1 Main parameters

模型試驗(yàn)在哈爾濱工程大學(xué)船模拖曳水池中進(jìn)行，共進(jìn)行了 3 個(gè)方案的阻力和耐波性模型試驗(yàn)，縮尺比為 1∶50，試驗(yàn)方案見表2。

表2 試驗(yàn)方案Tab. 2 Experiment scheme

2 靜水阻力試驗(yàn)

靜水阻力試驗(yàn)測(cè)量的航速范圍為 14 ～36 kn，測(cè)量結(jié)果對(duì)比見表3。

表3 模型靜水阻力結(jié)果對(duì)比Tab. 3 Comparison of experimental resistance in calmwater

從表3 可知，加裝被動(dòng)翼之后，中低速時(shí)靜水阻力增幅約為 10%，高速時(shí)靜水阻力增幅減緩。其中 1對(duì)首水翼由于濕表面積略小，引起的靜水阻力增幅略小于 T 型翼。

圖4 靜水阻力圖Fig. 4 Resistance in calmwater

3 耐波性試驗(yàn)

耐波性試驗(yàn)主要開展了規(guī)則波中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和波浪增阻試驗(yàn)，以及不規(guī)則波中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和耐波性事件試驗(yàn)，測(cè)量了垂蕩、縱搖、首尾垂向加速度、波浪增阻值以及首底部出水頻度。

3.1 規(guī)則波試驗(yàn)

航速 30 kn 時(shí)規(guī)則波中的結(jié)果對(duì)比見圖5～圖9。

圖5 航速 30 kn 下的縱搖Fig. 5 Comparison of pitch at the speed of 30 kn

圖6 航速 30 kn 下的垂蕩Fig. 6 Comparison of heave at the speed of 30 kn

圖7 航速 30 kn 下的首垂向加速度Fig. 7 Comparison of fore vertical acceleration at the speed of 30 kn

圖8 航速 30 kn 下的尾垂向加速度Fig. 8 Comparison of aft vertical acceleration at the speed of 30 kn

試驗(yàn)結(jié)果表明，在 1 倍波長船長比附近，加裝一對(duì)首水翼之后，垂蕩最大降幅達(dá) 35%，縱搖最大降幅達(dá) 45%，首垂向加速度最大降幅達(dá) 40%，尾垂向加速度最大降幅達(dá) 30%，波浪增阻最大降幅達(dá) 70%；加裝T 型翼之后，垂蕩最大降幅達(dá) 25%，縱搖最大降幅達(dá)35%，首垂向加速度最大降幅達(dá) 30%，尾垂向加速度最大降幅達(dá) 20%，波浪增阻最大降幅達(dá) 55%。

由于首水翼與 T 型翼的垂向投影面積一樣，而首水翼的安裝位置更靠近船首，因此首水翼減縱搖的效果更優(yōu)；而且首水翼位于球鼻首后，具有一定的消波效果，令波浪增阻大幅降低。

3.2 不規(guī)則波試驗(yàn)

不規(guī)則波中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見表4，海浪譜采用 ITTC 雙參數(shù)譜。在有義波高 4m，6m和 9m時(shí)，1 對(duì)首水翼可令垂蕩分別減小 27%，19% 和13%，縱搖分別減小 31%，28% 和 25%，首加速度分別減小 33%，29% 和 26%，尾加速度分別減小 25%， 23% 和 21%。T 型翼可令垂蕩分別減小 18%，12% 和8%，縱搖分別減小 22%、19% 和 17%，首加速度分別減小 25%，24% 和 22%，尾加速度分別減小 17%，17% 和 19%。

隨著有義波高的增加，波浪產(chǎn)生的力和力矩增大，但被動(dòng)翼產(chǎn)生的阻尼力矩等變化不大，因此首水翼和 T 型翼對(duì)垂蕩和縱搖的改善效果逐漸減弱。

不規(guī)則波中的首底部出水測(cè)試顯示，在有義波高9m時(shí)，首水翼出現(xiàn)少量的出水砰擊，而 T 型翼由于安裝位置偏后，且位于平板龍骨以下，即便在惡劣海況下也未發(fā)生出水現(xiàn)象，令其遭受的砰擊載荷明顯低于首水翼。

圖9 航速 30 kn 下的波浪增阻Fig. 9 Comparison of added resistance in waves at the speed of 30 kn

表4 不規(guī)則波中的運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)比Tab. 4 Comparison ofmotions in irregular waves

4 航行性能綜合分析

通過靜水阻力和耐波性試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，1 對(duì)首水翼或 T 型翼均令靜水阻力有所增加，而令波浪增阻有所降低。根據(jù)研究經(jīng)驗(yàn)，在有義波高 6m時(shí)，波浪增阻約占靜水阻力的 20%，因此 1 對(duì)首水翼或 T 型翼導(dǎo)致的靜水阻力增加值與波浪增阻減小值相互抵消，令船舶在風(fēng)浪中航行的總阻力基本不變。

同時(shí)，1 對(duì)首水翼或 T 型翼可令船舶的垂向運(yùn)動(dòng)大幅減小，其中影響船員舒適性和船上設(shè)備使用的縱搖與首尾垂向加速度改善效果明顯。

文獻(xiàn)[5]中指出，一般首鰭垂向投影面積為船體設(shè)計(jì)水線面面積的 2%～4%，不規(guī)則波中減少縱搖的平均效率為 10%～15%，最大達(dá) 17%。而本文設(shè)計(jì)的一對(duì)首水翼或 T 型翼，垂向投影面積僅為船體設(shè)計(jì)水線面面積的 1.5%，但不規(guī)則波中的減縱搖效果為 17%～31%，減搖效果均更優(yōu)。

綜合而言，加裝被動(dòng)翼之后，船舶在風(fēng)浪中的快速性與原船型相當(dāng)，耐波性改善效果明顯，有益于改善船員舒適性和船上設(shè)備使用環(huán)境。

5 結(jié) 語

本文采用模型試驗(yàn)的方法，分析了 2 型被動(dòng)翼對(duì)航行性能的綜合影響，結(jié)果表明，加裝被動(dòng)翼令船舶垂向運(yùn)動(dòng)大幅減小，而且不影響船舶在風(fēng)浪中的快速性，具有工程應(yīng)用前景。

在后續(xù)研究中需關(guān)注工程化應(yīng)用中的被動(dòng)翼強(qiáng)度與振動(dòng)等問題，其中 T 型翼由于沉深大，出水概率低，所受砰擊載荷強(qiáng)度小，是后續(xù)研究的重要方向之一。

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Research on the experiment of navigation performance for hybridmonohull combined with passive foil

LI Peng, JIANG Zhi-fang, HUANG Wei-gang
(China Ship Design and Research Center, Wuhan 430064, China)

Based on themodel experiment, researched on the resistance and seakeeping performances of hybridmonohull combined with passive foil. Then the compositive effects on resistance and verticalmotions induced byapair of fore foils oratype of T-foil were analyzed. The experiment results indicated that when fixed passive foilthe resistance in calmwater increasedalot atmid or low speeds and amplification decreased at high speeds. When wave length-ship length ratio approximated one, the verticalmotions decreased greatly and added resistance in waves also decreased significantly. Inaword, when hybridmonohull combined with passive foil sails in waves, the resistance changesalittle. At the same time, the seakeeping performance improvesalot. So the hybridmonohull combined with passive foil have benefits to comfort and operating environments of shipboard equipments.

fore foil；T-foil；resistance；seakeeping；model experiment

U661.7

：A

1672 - 7619(2016)10 - 0025 - 04

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.010.005

2016 - 03 - 02；

2016 - 05 - 05

國防基金資助項(xiàng)目(51314010103)

李鵬(1985 - )，男，工程師，研究方向?yàn)榕灤傮w研究與設(shè)計(jì)。