基于阻力圖譜的船舶快速性教學系統開發

宋 磊， 高 華， 孫江龍， 劉 曾

（華中科技大學a.船舶與海洋工程學院；b.船舶數據技術與支撐軟件湖北省工程研究中心；c.船舶和海洋工程水動力湖北省重點實驗室，武漢 430074）

0 引 言

船舶線型設計是一個系統工程，既需要考慮靜穩性和快速性，也需要考慮操縱性和耐波性，其中快速性能是最核心性能，直接影響船舶的實用性和經濟性。快速性主要包含阻力性能和推進性能兩部分，該部分內容為船舶專業核心課程船舶原理課程中重要組成部分［1］，共有船舶阻力和船舶推進兩大章節，約48 學時課程，快速性知識的學習尤為重要，無論是后續深造和從事相關工作都需要理解并掌握［2］。

V形艇的特征是所有橫剖面都呈V 形，其航行速度較快，被廣泛用于無人艇、軍用艦船、游船、公務船等特種船舶［3-4］。V形艇由于其剖面特征，可用帶有斜升角β的滑行平板近似處理，依次完成面升力和縱傾角的計算，進一步對縱傾角做非棱形修正后完成阻力估算［5］；其船型的伴流分數、推力減額等自航因子也相對容易估算，便于對已有數據進行線性插值完成圖譜繪制。

為了實現學生對阻力性能、推進性能、船機槳匹配知識脈絡的系統學習與掌握，設計了船舶快速性教學系統。系統基于V 形艇模型試驗獲取阻力圖譜數據庫，對推進因子進行選定后預估設計航速，完成螺旋槳主要參數計算，對照螺旋槳圖譜基于VB 語言進行AutoCAD二次開發，完成螺旋槳出圖繪制［6］。該教學系統基于模型試驗數據設計，實用性強，界面簡潔交互性強，作為課堂教學的輔助軟件可激發學生思考能力［7］，增進知識理解，對提升學生創新能力有積極作用。

1 阻力圖譜設計

1.1 圖譜研究對象

選用V 形艇船長26.79 m，船寬分別為4.58 m、5.42 m和6.63 m。該艇（見圖1）具有尖舭型船首，所有橫剖面均呈V形，首部較尖，斜升角較大［8］，其角度不斷減小平滑過渡到船中，船中橫向斜升角β（13°、16°、20°），并向船尾不斷減小過渡，直至船尾趨近于零。

圖1 V形艇線型圖

表1 所示為船寬4.58 m的船型參數，斜升角分別為13°、16°和20°，每個斜升角下分別有45 t、55 t和65 t 3 個吃水，每個吃水分別有0°和0.5°（尾傾）的靜傾角。表2 和表3 所示分別為船寬5.42 m和6.63 m的船型參數，每個船寬分別包含與表1 類似的斜升角、排水量、靜傾角工況組合。3 組船寬、3 組斜升角、3 組排水量和兩組靜傾角共組合成54 組工況，每組工況航速范圍為15 ～39 kn（1 kn ＝1.852 km／h），航行傅氏數Fn范圍為1.229 ～3.194。

表1 船寬B ＝4.58 m船型參數

表2 船寬B ＝5.42 m船型參數

表3 船寬B ＝6.63 m船型參數

1.2 試驗原理及方法

試驗過程如圖2 所示，測試裝置包含試驗模型、夾持裝置、導航桿和阻力傳感器。其中模型排水量和姿態調整完成后通過前后導航桿來保證航向，夾持裝置在拖車啟動和停止時夾緊模型，起到保護鋼絲繩和傳感器的作用。阻力儀一端固定于拖車上，另一端連接鋼絲繩，鋼絲繩通過兩個導輪轉向后與模型連接，連接點高度處于模型的重心處或者槳軸延長線上［9］。試驗過程中模型在拖車的牽引下以設定航速航行，夾持裝置松開，導航桿為軸承式套筒設計，其對阻力影響可忽略，此時鋼絲繩上拉力與模型阻力相等，阻力傳感器上可直接實現對鋼絲繩拉力測量。

圖2 船模試驗示意

由模型阻力換算至實船有效功率時采用傅汝德法（Froude’s Method）［10］，將船模阻力Rt分為摩擦阻力Rf和剩余阻力Rr，無因次化后即船模阻力系數Ct分為摩擦阻力系數Cf和剩余阻力系數Cr，傅汝德法認為實船和模型剩余阻力系數相等，摩擦阻力系數計算采用1957-ITTC公式，其表達式為：

式中，Re為船舶對應航速的雷諾數。

實船總阻力系數：

式中：ΔCf為粗糙度補貼系數；船模阻力系數Ct、摩擦阻力系數Cf和剩余阻力系數Cr；下標m 表示模型尺度；下標s表示實船尺度。結合實驗室對快艇類船型處理經驗，ΔCf取0.2 ×10－3。

實船總阻力：

式中：ρS表示實船所處水密度；vs表示實船航速；SS表示實船濕面積。

實船有效功率：

1.3 圖譜數據獲取

模型試驗在我校船模拖曳水池實驗室（見圖3）進行，實驗室包含試驗水池和拖車系統，水池長×寬×深為175 m ×6 m ×4 m，拖車航速最高9 m／s，航速精度0.1%。

圖3 船模拖曳水池實驗室

結合水池硬件條件，確定試驗縮尺比λ ＝10，模型尺度長為2.679 m，寬度分別為0.458 m、0.542 m 和0.663 m，按照傅汝德相似準則換算模型航速為2.440 ～6.344 m／s。木質模型及試驗過程如圖4所示。

圖4 模型及試驗過程

對于快艇可用體積傅氏數和單位排水量阻力來完成其阻力圖譜繪制，其中體積傅氏數為：

將所有工況54 條阻力數據按照橫坐標為體積傅氏數Fr?，縱坐標為R／Δ 繪制試驗結果曲線圖［11］，其中船寬B ＝4.58 m，排水量Δ ＝45 t。試驗結果如圖5所示，可知將所有試驗結果完成后共有9 張如圖5 所示結果圖，完成圖譜數據的獲取。

圖5 快艇阻力圖譜（船寬B ＝4.58 m，Δ ＝45 t）

2 教學方案設計

基于船舶阻力圖譜，設計實驗教學方案［12］如圖6所示。

圖6 設計的實驗教學方案

（1）學生在一定范圍內選取船長、船寬、斜升角、排水量和靜傾角，基于阻力圖譜線性插值得出不同航速阻力值，進一步得出不同航速有效功率。

（2）學生選取推力減額t 和伴流分數w 等參數，對于V形艇推力減額t范圍取0.06 ～0.15，伴流分數w范圍取0.1 ～0.18，相對旋轉效率可初步取1，軸系效率取0.95 ～1 之間。

（3）輸入主機有效功率和數量，基于航速范圍（15 ～39 kn）內有效功率曲線和步驟（2）中輸入的推進系數，預估設計槳的敞水功率η0和船舶設計航速［13］。

（4）輸入螺旋槳的葉數（3 葉或5 葉），根據螺旋槳圖譜設計準則選定螺旋槳，計算槳徑d、螺距比P／d和盤面比AD／A0。

（5）完成螺旋槳參數計算后，選擇圖紙大小、螺旋槳旋向等參數，完成出圖，圖紙包含槳葉剖面尺寸表、螺旋槳要素表、正投影輪廓圖、側投影輪廓圖和伸張輪廓圖。

3 船舶快速性教學系統開發

3.1 教學軟件設計

按照上述方案完成教學軟件設計，界面如圖7 所示，共包含3 個模塊：阻力插值模塊，螺旋槳選型模塊和螺旋槳出圖模塊。

圖7 教學軟件界面

阻力插值模塊包含有船長、船寬、斜升角、排水量和靜傾角輸入窗口，學生輸入上述參數后，基于船舶阻力圖譜線性插值可輸出該船舶“航速-功率”曲線。

螺旋槳選型模塊包含主機功率、轉速、推力減額、伴流分數、槳葉數、相對旋轉效率等輸入窗口，完成以上輸入后根據船舶的航速范圍，基于已經生成“航速—功率”曲線估算螺旋槳敞水效率和設計航速，完成螺旋槳主要參數選型。

螺旋槳出圖界面主要作用是在AutoCAD 軟件中完成自動出圖［14］，選取螺旋槳旋向和圖紙大小后，即可按要求生成CAD格式的螺旋槳設計圖紙。

3.2 教學軟件使用

如圖8 所示，學生依次輸入船長28.9 m，船寬5.2 m，排水量50 t，斜升角18°，靜傾角0.2°，點擊“輸出實船有效功率”后完成阻力預報；進一步輸入主機功率、轉速、推力減額、伴流分數、減速比、傳動效率、槳葉數量等參數，點擊“輸出螺旋槳參數”后完成螺旋槳的選取及設計航速預估；選擇圖紙為A3，旋向右旋后點擊“出圖”即可實現螺旋槳圖譜設計。

圖8 教學軟件使用

生成的螺旋槳圖紙如圖9 所示，圖紙包含螺旋槳要素表、葉剖面尺寸表和槳葉輪廓形狀圖。螺旋槳要素主要包含葉數、槳徑、螺距比、盤面比、轂徑、后傾角、旋向等參數。

圖9 生成的螺旋槳圖紙

葉剖面尺寸表按照0.3R ～0.9R 對槳葉進行剖切，槳葉剖面圖橫坐標以葉寬百分比表示［15］，縱坐標以最大葉寬百分比表示；槳葉輪廓形狀圖包含側投影圖、正投影圖和伸張輪廓圖，是對螺旋槳要素表和葉剖面尺寸表的圖形顯示。

4 結 語

以V形快艇為對象，以模型試驗的方法獲取其在不同船寬、斜升角、排水量、靜傾角工況下共54 組阻力數據，形成該母型艇的阻力圖譜。學生選定船型參數后根據圖譜線性插值獲得有效功率，選定主機功率和轉速后預估船舶設計航速，完成螺旋槳設計，編制葉剖面尺寸表，并完成槳葉輪廓形狀圖繪制。

本教學系統作為課堂知識教學的輔助軟件，將阻力性能、推進性能、船機槳匹配知識有機融合，豐富了課堂教學的內容，拓展了教學手段。教學系統界面簡潔交互性強，可使學生對螺旋槳形成直觀認識。教學過程可使學生對整個船舶設計過程形成系統認識，啟發學生對船舶設計階段核心問題的思考，提升創新能力和實踐能力。