三體船縱向減搖附體設計及減搖效果分析*

原 新 張 欣

(哈爾濱工程大學自動化學院 哈爾濱 150001)

三體船縱向減搖附體設計及減搖效果分析*

原 新 張 欣

(哈爾濱工程大學自動化學院 哈爾濱 150001)

三體船由于其快速性好、效率高、穩定性優良而備受青睞.為了減小由于側體存在帶來的縱搖和垂蕩對船體運動性能的影響，在船底部四個位置安裝三種水平翼距船底基線高度以及四種翼面迎流攻角共11種工況進行模型仿真；在主體船尾安裝三種弦長、三種下反角共六種工況的壓浪板.經研究，通過比較安裝兩種減搖附體前后三體船的水動力性能，得到T型翼較佳的安裝位置和迎流攻角以及壓浪板的最佳弦長和下反角.

三體船；T型翼；壓浪板；縱向減搖；模型仿真

三體船是在工業、軍事上都很有發展前景的新興高速船，由于其快速、靈活、穩定的特點，逐漸成為了現今研究的熱點.但是細長的船體帶來的縱搖和垂蕩問題對其適航性帶來很大影響.為了解決這一問題，上世紀90年代，T型翼作為新型減搖附體逐漸成為一種有效的減搖工具.由于側體使得三體船橫搖力矩增大，所以一般無需考慮橫搖運動，而縱搖則一直是研究人員關心的熱點問題.楊強等[1]對T型翼進行了水動力系數進行了分析，使用面元法進行仿真得到不同安裝位置對于垂蕩的影響，但是并未對T型翼迎流攻角進行討論；劉英和等[2]對尾壓浪板的升力及耐波性進行了分析，但并沒有給出壓浪板的最佳迎流角度和弦長.針對以上問題，本文分析了T型翼不同安裝位置、不同攻角共11種情況、壓浪板不同弦長、不同下反角共6種情況進行簡要效果仿真分析，比較安裝不同參數減搖附體和壓浪板參數.

1 計算模型

1.1 三體船建模

本文只對三體船縱向運動進行分析，所以只考慮垂蕩和縱搖兩個方向的運動效果.仿真所用三體船的參數數據見表1.

表1 三體船模型主要參數

對于上述三體船使用CAD建立三體船三維模型，模型見圖1.

圖1 三體船三維模型

1.2 T型翼建模

僅在垂蕩和縱搖兩個方向上用伯努利方程計算T型翼的升力系數Cl和阻力系數Cd.為了方便計算和分析，對于由于運動產生的T型翼慣性力不進行討論.T型翼升力為

(1)

式中：S為翼的表面積，m2；Cl為實驗得到的翼的升力系數；αf(l)為翼攻角，rad.

由于攻角對于實驗結果的影響很小，在此將按照如下公式計算并檢驗實驗結果.

(2)

運動時T型翼受到的水的粘滯阻力為

(3)

由傅里葉變換知：

(4)

再取：

(5)

則阻力：

(6)

式中：Cd為阻力系數.

使用NACA0012翼型，T型翼的具體參數見表2，建立的三維模型見圖2.

表2 T型翼模型主要參數

圖2 T型翼三維模型

1.3 壓浪板建模

壓浪板是固定安裝在三體船中體船尾處的減搖附體，國內對于壓浪板的一些研究表明[3-4]：壓浪板的主要作用是使“雞尾流”長度增加、高度減小，減小尾浪和碎波，減小尾波能量損耗；加裝壓浪板相當于增加船舶虛長度，降低興波阻力；加裝壓浪板有助于調整船舶航行姿態改善縱傾；壓浪板改變了船舶后體流場，降低尾部流體速度，增加了尾部壓力從而產生推進船舶前進的推力.

本文所使用的壓浪板有3×3共九種情況，表3為壓浪板的基本參數.圖3是壓浪板的三維模型.

表3 壓浪板模型主要參數

圖3 壓浪板三維模型

2 計算域及參數設置

2.1 網格劃分

分析減搖附體升力系數時使用網格劃分，使用Fluent16.0的工作平臺進行網格劃分，其好處是給用戶提供了主要CAD軟件的雙向連接功能以及ANSYS Meshing 先進的網格劃分技術，僅需要簡單的拖放操作就可以實現不同模塊之間的數據共享，大大的提高了工作效率[5].利用Fluent軟件進行流體仿真的過程可以可以分為階段：計算前處理，計算求解和計算后處理.兩個減搖附體的網格劃分結果見圖4～6.AQWA前處理使用ANSYS工作工作平臺進行操作，處理的主要目的是將升力阻力、網格特性、遭遇角頻率等信息整合生成.DAT文件；在AQWA后處理中將.DAT文件拉入Aqwa16.0中，導入成功后將窗口關閉.接著打開AqwaGS，在其中打開.RES文件，再結合MATLAB得到縱向水動力特性.

圖4 T型翼網格劃分結果

圖5 壓浪板網格劃分結果

圖6 AQWA中三體船網格模型(帶壓浪板)

2.2 數值求解

討論3+4+4=11種T型翼工況，3+3=6種壓浪板工況，分別將不同的減搖裝置安裝在三體船上，在Workbench平臺上進行仿真，由于減搖附體的設計初衷是降低三體船高速運動下的縱向運動，所以本實驗中船舶航速固定為40 kn(Fr=0.744,V=4.26 m/s)，得到不同參數附體的減搖效果，通過比較得到最優的附體尺寸.兩種附體尺寸見表4～5.

表4 T型翼工況

表5 壓浪板工況

3 試驗結果比較和分析

3.1 裸船在規則波中的運動響應

為了簡化仿真過程，假設海浪輸入是規則的正弦波.討論某三體船加裝減搖附體前后的運動響應，來研究減搖附體對于三體船縱向運動的抑制作用，實驗中三體船模型參數見表1.在規則波中設定船舶航速為40 kn(Fr=0.744)，波高h選擇0.1 m.

波長計算公式為

(7)

式中：ω為圓頻率，相應的遭遇角頻率為0.5～2.8 rad/s.λ為23.009～345.319 m.當1≤λ/L≤3時三體船與海浪的頻率擬合，易發生共振使得在這個區間船舶縱向運動幅度過大，實驗效果失真，而本實驗中對應λ值的λ/L為7.669 8～115.11，滿足上面要求.得到裸船垂蕩和縱搖的運動響應曲線見圖7.

圖7 裸船運動響應曲線

裸船運動響應垂蕩最大值1.029 1 m，縱搖角最大值為6.947°，且在船速固定時，迎浪航行時隨著遭遇角頻率ω的增大，三體船縱向運動響應嚴重.

3.2 加裝減搖附體后的運動響應

3.2.1 T型翼減搖效果分析

保證三體船迎浪航進，且航速固定為40 kn，即Fr=0.744,分別比較影響T型翼減搖效果的三個因素:距船底高度、迎流攻角、安裝位置，有以下三種分析方案.

1) 比較不同翼桿長度時要保證迎流攻角α、安裝位置固定(選定α=0°，距船頭300 mm處)，仿真得到縱向運動響應見圖8.

2) 固定變量距船底高度、安裝位置(0.1 m，距船頭300 mm)，只改變T型翼迎流攻角α，仿真得縱搖、升沉結果見圖9.

3) 保持距船底高度和迎流攻角固定(翼桿0.1 m，α=3°)，改變T型翼的安裝位置，得到三體船縱搖和升沉運動響應見圖10.

圖8 三體船垂蕩、縱搖極值(α=0°，距船頭300 mm)

由圖8可知，三種距船底距離的情況中，距船底0.1 m的縱搖減搖效果最好，在實際作業中如何選擇T型翼連桿長度要結合實際情況綜合考慮，一般的實際船體設計中都會將連桿長度選擇離船底越近越好.

圖9 三體船縱搖、升力(翼桿0.1 m，距船頭0.3 m)

由圖9可知，不同迎流攻角時為三體船所提供的升力和減搖效果不同，其中減搖效果最佳的迎流攻角是3°，且隨著迎流攻角的增加T型翼提供的升力和阻力也會增大，所以綜合考慮后選擇最佳的角度為0°～5°.

圖10 三體船縱搖、升力(翼桿0.1 mm，α=3°)

由圖10可知，T型翼的安裝位置越靠前，減搖效果越好，對于本實驗所選數據距船頭300 mm的位置對于三體船的縱向運動減搖效果最好.

同時使用Fluent仿真得到T型翼可為三體船提供的升力和阻力值見表6.

表6 T型翼提供的升力、阻力

由表6可知：

1) T型翼桿長度為船舶提供的阻力影響不大，對船舶升力有一定影響，但是在實際工程中要綜合考慮升力、阻力的影響，同時要結合實際工況，考慮港口水深的限制，應盡量減小距船底高度.綜合以上，在本文所討論的三種翼桿長度中選擇0.05 m桿長為最佳.

2) 隨著迎流攻角的增大，為船舶提供的升力增大，但同時也會導致船舶受到的阻力增加，當迎流攻角為0°和3°時的阻力性能優于其他方案.T型翼可提供的迎流攻角在(-15°,+15°)，但是由經驗可知，在±10°左右會由于雷諾系數過低導致失速現象，所以只控制T型翼工作在迎流攻角(-10°，+10°).

3.2.2 壓浪板減搖效果分析

由于壓浪板固定安裝在三體船中體尾部，所以影響其減搖效果的因素只有弦長和壓浪板下反角β，對結果進行比較分析：

1) 首先保持下反角為β=6°，討論弦長分別為30，60，100 mm(工程上弦長選為0.01～0.02Lw1，Lw1為船體水線長[6-7])時的三體船縱搖、升沉效果.仿真結果見圖11.

2) 固定弦長為60 mm，分別對下反角為3°，6°，9°的壓浪板在Fluent和AQWA中分析，得到運動縱搖和升沉響應曲線見圖12～13和表7.

圖11 三體船垂蕩、縱搖(β=6°)

圖12 三體船垂蕩、縱搖(弦長為60 mm)

圖13 加裝壓浪板浪高等值線(6°/600 mm)

弦長(β=6°)/m0．030．060．10升力/N-9．0226-25．991-7．5699尾浪高/m0．88360．87970．8647下反角(弦長=0．06m)/(°)369升力/N-8．1491-25．991-20．031尾浪高/m0．87970．87980．8799

由圖13～14及表7可得如下結論：

1) 三體船加裝壓浪板對降低縱向垂蕩有一定作用，但是對縱搖角度的改善作用不大.在遭遇角頻率為1.2 rad/s時三體船縱搖角度效果最差，0.8 rad/s時垂蕩最大；隨著遭遇角頻率的增加，三體船垂蕩和縱搖值都有下降，且會趨于平穩.

2) 壓浪板的主要作用是增加船體虛長度，減小尾浪和碎波.表7給出加裝壓浪板后三體船尾浪高(輸入浪高為1 m).

3) 壓浪板減小三體船尾部下方的流體速度，使得尾部壓力增加，由表7可知在β=6°時對尾部提供的最大推力的尾板長度為60 mm，在弦長為60 mm時下反角β=6°提供了最大推力.綜合表中數據，后續實驗將選定下反角β=6°,弦長為60 mm的壓浪板.

4 結 束 語

文中討論在規則海浪波中對高速三體船安裝縱向減搖裝置，討論兩種減搖裝置對于三體船的減搖效果，并討論結果得出最佳的裝置設計參數.試驗結果表明，在遭遇角頻率在0.422 49～1.636 7 rad/s時在0.8 rad/s左右垂蕩最大，在1.2 rad/s左右時縱搖角度最大；綜合考慮減搖效果和升力阻力特性，T型翼的最佳安裝參數和位置為：距船底0.1 m，距船頭300 mm，迎流攻角3°；壓浪板的最佳參數和位置為：下反角β=6°，弦長為60 mm.本文尚有不完善之處，未考慮不同航速時的減搖效果，也只考慮了NACA0012一種T型翼翼型，且沒有對于三體船在不規則海浪中進行試驗，后續將對于這些問題再進行具體分析.

[1]楊強，林壯，郭志群.三體船適配T型翼減搖效果理論分析及仿真[J].中南大學學報(自然科學版)，2013(7):186-196.

[2]劉英和，吳啟銳，許晟，等.尾壓浪板升力研究及其對WPC耐波性的影響[J]. 中國造船，2015(2)：57-63.

[3]DENG R, LI C, HUANG D B, et al. Research on the resistance and motions of a trimaran in regular waves of different wave amplitudes[C]. 2nd Conference of Global Chinese Scholars on Hydrodynamics,2016.

[4]劉英和，王桂云，王僑.等.尾壓浪板對穿浪雙體船耐波性影響[J].中國水運, 2016(2):12-13.

[5]董哲.復合型小水線面三體船阻力及縱向運動預報[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學,2013.

[6]謝宜.穿浪雙體船尾板減阻數值分析[J].海軍工程大學學報，2012(2)：82-86.

[7]董文才，姚朝幫.中高速深V型船阻力預報方法及尾板減阻機理[J].哈爾濱工程大學學報，2011，32(7)：848-851.

The Design of Longitudinal Damping Appendage and the Effect on Trimaran

YUAN Xin ZHANG Xin

(CollegeofAutomation,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China)

Trimaran has become popular in recent years, due to its rapidity, high efficiency and good stability. In order to reduce the influence of pitch and heave motions induced by the two lateral elements on the trimaran motions, 11 working conditions are considered for model simulation of the fails which are placed at 4 longitudinal positions of the ship bottom with 4 attacking angles and 3 distances to the ship bottom. In addition, 6 working conditions are analyzed by installing flaps with 3 chord and 3 kinds of angle in the stern of the main body. By comparing the hydrodynamic performances of the trimaran, the better installation location of T-fail and the best chord and angle of flaps are obtained.

trimaran; T-foil; flaps; longitudinal damping; model simulation

2017-03-17

*國家自然科學基金項目資助(5137904)

U661.323

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.04.004

原新(1974—)：女，博士，副教授，主要研究領域為自動控制原理、船舶水動力試驗技術