基于數值模擬的水翼五體船耐波性分析

匡培欽，柳存根，汪學鋒，周翀劍

基于數值模擬的水翼五體船耐波性分析

匡培欽，柳存根，汪學鋒，周翀劍

為改善五體船在小搖蕩時的耐波性，提出在側體和主船體之間加裝水翼構造水翼五體船，借助HydroStar水動力學軟件，依托Wigley片體五體船進行水翼五體船耐波性計算對比。結果表明，由于水翼的減搖減震及升力作用，在側體和主船體之間加裝水翼可以明顯降低五體船的縱搖幅值、橫搖幅值及垂蕩幅值，提高五體船的耐波性。

五體船；水翼；縱搖穩性；垂蕩；橫搖穩性

隨著高性能船舶設計研發熱度的增加，五體船以其在快速性、耐波性及節能減排方面的出色表現，逐漸引起國內外多方學者的關注[1-4]。經過多年的船型優化，五體船在側體分布方面已經相對比較成熟，2個后側體保證了其快速前進時的橫搖穩定性，而在發生縱搖或垂蕩運動時，2個前側體入水，大大減小其縱搖和垂蕩幅值[5]。

在空載或小搖蕩時由于2個前側體在水線之上，則五體船各性能與三體船無異[6]，抗風浪性能相應削弱。1981年美國華盛頓大學的Calkins首次提出多體水翼船的概念[7-8]，多體水翼船是水翼船與多體船的融合船型，兼具多體船和水翼船的優點。基于此，提出水翼五體船的船型，以Wigley片體五體船為依托，通過在側體與主船體之間加裝水翼構造水翼五體船；并借助耐波性通用軟件HydroStar計算在波浪中的縱搖、垂蕩、橫搖等運動，以此研究加裝水翼對五體船耐波性的改善情況。

1 數值模擬基本理論

1.1 橫搖運動方程

(1)

由am=am0sin (ωt)可將式(1)改寫為

(2)

得到橫搖運動方程：

(3)

1.2 縱搖、垂蕩耦合運動方程

根據切片法思想，某處垂向相對位置為

(4)

式中：X為縱向位置；θ為縱搖角。

等效波面方程為

則可得切片所受流體動力如下。

流體靜力：

(6)

興波阻力：

(7)

附加慣性力：

(8)

式中：NH為阻尼系數；MH為附加質量；V為船速。

沿船長積分可得垂蕩力及縱搖力矩：

(9)

根據牛頓第二定律可得船體垂蕩和縱搖運動方程為

(10)

式中：D為排水量；IYY為縱向慣性矩。

2 模型參數及計算設置

2.1 模型參數

主要對比研究加裝水翼對五體船耐波性的改善問題，采用Wigley船型作為主船體及側體船型進行研究。Wigley船型瘦長，符合線性理論小擾動假定[9]。船型參數見表1。

表1 船型參數

模型水翼采用NACA 4位數字標準翼型。NACA 4位數字翼型是美國NACA最早建立的一個低速翼型系列，有較高的最大升力系數和較低的阻力系數，適合用于快速艇水翼[10]。當相對低速時，NACA4415翼型的失速攻角為14°，且在-4°～14°范圍內升力系數隨攻角增大而增大[11]。保守起見，采用水翼攻角10°。水翼參數見表2。

表2 翼型NACA4415水翼參數

2.2 計算設置

五體船的側體布局優化基本朝同一趨勢發展，前側體縱向位置基本穩定在主船體船舯附近，后側體縱向位置則主要集中于主船體艉部，若假定前后側體的橫向坐標一致，則其大致分布于距船舯縱剖面1.5倍半船寬位置[12]。據此將前側體置于主船體船舯稍前位置，后側體置于船艉，前后側體橫向位置一致，位于1.5倍船寬處。見圖1。

水翼均置于側體中間部分，用于連接4個側體和主船體。后水翼橫向水平，前水翼從前側體向下斜插入水中。

不同海域海況不同，以北大西洋為例，波高在5 m以下出現的概率為90.42%，其中2～3 m波高出現頻率最高為30.10%；波浪周期在11 s以下的概率為96.17%，其中波浪周期在7～9 s范圍內出現頻率最高，可達35.87%[13]。選取周期為1～10 s有義波高為3 m的非規則波作為計算海況，分別計算迎浪、斜浪和橫浪3種情況下有無水翼2種五體船型耐波性指標，進行對比研究。

3 計算結果及分析

由于后水翼橫向水平，前水翼向中間橫向斜插入水面以下，因此前后水翼主要對縱搖、垂蕩，以及橫搖產生較大影響。

3.1 縱搖分析

為了便于不同波幅下對比分析，引入標準化變量縱搖響應因子HP。

(11)

式中：H為縱搖角度幅值，(°)；A為有義波高，m。

縱搖主要受迎浪或斜浪的縱向分量影響，因此對于縱搖這里僅對斜浪和迎浪情況進行對比分析。在斜浪和迎浪2種浪向下，有無水翼兩種五體船縱搖狀態見圖2。

由圖2可以看出，在低頻波段和高頻波段加裝水翼的水翼五體船縱搖響應因子整體要高于無水翼的五體船，但在中頻波段，水翼五體船的縱搖響應因子要明顯低于五體船。且無論是斜浪還是迎浪浪向，水翼五體船縱搖響應因子的最大值總要小于五體船。按縱搖響應因子最大值分析，斜浪下五體船加裝水翼使得減縱搖效果高達21.8%，而迎浪下減縱搖效果可達26.6%。水翼五體船后水翼橫向水平，在縱搖運動時除提供升力外還起到了減搖鰭的作用；而前水翼由于半出水，在艏揚時出水增加，所提供升力減小，在艏沉時，出水減少，所提供升力增加，從而增加了縱搖運動時的回復力矩，使得水翼五體船的縱搖穩定性要優于無水翼的五體船。

3.2 垂蕩分析

引入標準化變量垂蕩響應因子PP。

(12)

式中：P為垂蕩，m；A為有義波高，m。

在斜浪和迎浪2種浪向下，有無水翼2種五體船垂蕩狀態見圖3。

由圖3可見，無論斜浪還是迎浪情況下，在低、中頻波段，加裝水翼的水翼五體船和無水翼的五體船垂蕩響應因子隨波頻的增加急劇下降，且水翼五體船的垂蕩響應因子一直低于五體船。在高頻波段，2種船型的垂蕩響應因子均趨于平穩，但水翼五體船的垂蕩響應因子要略高于五體船。在垂蕩運動時，同縱搖運動相似，水翼五體船后水翼橫向水平，增加其垂向運動的運動阻尼；前水翼除了可以增加運動阻尼意外，通過升沉時增減出水部分還使得所提供升力改變從而增加升沉回復力。因而總體上水翼五體船垂蕩性能總體要優于五體船。

3.3 橫搖分析

引入一個標準化變量，橫搖響應因子RP。

(13)

式中：R為橫搖角度幅值，(°)；A為有義波高，m。

橫搖主要受橫浪和斜浪的橫向分量影響，因此對于橫搖這里僅對斜浪和橫浪2種情況進行對比分析。在斜浪和橫浪兩種浪向下，有無水翼兩種五體船橫搖狀態見圖4。

根據圖4可得，在斜浪和橫浪兩種浪向下，低頻波段加裝水翼的水翼五體船橫搖響應因子要高于無水翼的五體船，但中、高頻波段水翼五體船橫搖響應因子要明顯低于五體船。另外，在2種浪向下，水翼五體船橫搖響應因子的最大值要遠低于五體船，按橫搖響應因子的最大值分析，斜浪情況下水翼五體船橫搖穩定性要優于五體船36.3%，而橫浪情況下水翼五體船橫搖穩定性要優于五體船50.3%。在橫搖運動時，水翼五體船前后水翼相當于4個長減搖鰭，大大增加了橫搖回復力矩，同時前水翼左右兩側進出水配合改變左右兩側的升力，進一步增大橫搖回復力矩。

4 結論

通過在五體船主船體與側體間加裝水翼，創新性提出水翼五體船的概念，并借助數值模擬對水翼五體船耐波性進行比較分析。在小搖蕩情況下，主船體與側體間水翼通過姿態變化，可以增大搖蕩回復力矩，彌補常規五體船前側體出水帶來的耐波性損失。水翼五體船借助其水翼升力作用及搖蕩阻尼作用，縱搖穩定性、垂蕩穩定性及橫搖穩定性較常規五體船得到顯著提高。

另外，分析發現水翼五體船的縱搖響應因子及橫搖響應因子隨波頻變化異于常規五體船，出現2次明顯波峰，這可能由于水翼諧振頻率異于船體固有頻率所致，對此將展開進一步研究。

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(上海交通大學 a.高新船舶與深海開發裝備協同創新中心；b.船舶與海洋工程國家重點實驗室，上海 200240)

Numerical Research on Seakeeping of Hydrofoil-Pentamaran

KUANG Pei-qin, LIU Cun-gen, WANG Xue-feng, ZHOU Chong-jian

(a.Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration;b.State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

To improve the seakeeping performance of the pentamaran in small waves, a new pentamaran with four hydrofoil between main hull and accessory hulls was put forward. Its seakeeping was analyzed by HydroStar software and contrasted with normal pentamaran. It was found from the analysis that the amplitude of pitch, roll and heave of the pentamaran can be reduced by the hydrofoil between main hull and accessory hull.

pentamaran; hydrofoil; pitch; heave; roll stability

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.009

2016-05-07

國家重點基礎研究發展計劃(2013CB036103)

匡培欽(1992—)，男，碩士生研究方向:五體船性能優化

U661.32

A

1671-7953(2017)01-0037-04

修回日期：2016-06-13