高速三體船的水動力學和船型研究新進展

王 中，盧曉平，詹金林

（海軍工程大學船舶與動力學院，武漢 430033）

1 引 言

三體船型的研究備受關(guān)注，近年來又有新的進展。由一個中體(也稱為主船體，Main hull)和兩個小側(cè)體（也稱為輔船體、側(cè)體，outriggers）構(gòu)成的三體船如圖1所示，是當代三體船型片體布局的主流型式[1]。作為主要的船型幾何特征，主船體L/B通常在12至18之間，側(cè)體較主船體還要細長；側(cè)體的排水量一般不超過主船體排水量或總排水量的10%，通常采用箱型支柱結(jié)構(gòu)連接主船體和側(cè)體形成完整的船體平臺，這種三體船可稱為小側(cè)體三體船，它穩(wěn)性好，高速航行時的阻力??；在相當大的遭遇頻率范圍內(nèi)具有優(yōu)良的耐波性；其甲板面寬敞，便于裝備布置，這一優(yōu)點對于軍用船和集裝箱運輸船、車-客航渡船具有重要的意義。三體船用作軍船可以作為驅(qū)逐艦、護衛(wèi)艦等各種水面戰(zhàn)艦和軍輔船的船體平臺，也有人認為它是未來航母的船體平臺；三體船用作民船適用于集裝箱運輸船、車-客航渡船和游覽觀光船，也有人認為它是未來太陽能、風能等可再生能源動力船舶的船體平臺?？傊?，當代三體船被認為具有廣闊的應(yīng)用前景，因此有人認為當代三體船的提出是造船界具有里程碑意義的事件。

在20世紀70年代，前蘇聯(lián)對淺水中的三體船阻力性能進行了理論研究[2]，可以看作是當代三體船水動力學研究開始的標志。此后，主要是在1990年代，英國、美國、日本等陸續(xù)開展了三體船水動力性能的研究，主要是三體船阻力性能的研究[3]。在1990年代后期，小側(cè)體三體船得到了各國軍方的重視，在此期間英國投入了大量資金對軍用三體船進行研發(fā)。2000年英國建成了三體試驗艦RV Triton（“海神號”），船長為98.7 m，如圖2所示，該艦下水后英國曾對其進行了廣泛的實航試驗。稍后，意大利也對三體船的性能進行了系統(tǒng)的理論計算和模型試驗研究，包括側(cè)體位置優(yōu)化，興波阻力性能、操縱性、耐波性和船體強度性能研究等[4-5]；韓國在2001年對2 500 t三體護衛(wèi)艦進行了研究，研究范圍包括側(cè)體布局、阻力性能模型試驗、理論計算和分析等[6]。2005年，澳大利亞建造了127 m長的小側(cè)體高速三體船 Benchijigua Express，如圖3所示，該船可以同時搭載車輛和乘客，載重1 141 t，服務(wù)航速38 kns。2008年美國三體近岸戰(zhàn)艦USS Independency（“獨立號”）LCS-2建成，如圖4所示。

當代三體船的研究有20多年的歷程，USS Independency等三體實船的建造或許意味著三體船即將進入商業(yè)和軍事應(yīng)用時期，但至今其水動力性能和船型的研究仍然很不充分。從國外的技術(shù)文獻看，通過理論分析、數(shù)值計算和模型試驗對三體船的水動力和船型研究以興波阻力、耐波性和側(cè)體布局研究居多，近幾年也有一些操縱性、粘性阻力CFD計算的研究，但較前者更為薄弱。

自1990年代后期，中國哈爾濱工程大學等單位先后開展了三體船的研究，重點均放在高航速的小側(cè)體三體船上，得到了與國外報導基本一致的結(jié)論：小側(cè)體三體船具有優(yōu)良的穩(wěn)性、耐波性和高航速阻力性能，其寬敞的甲板面有利于裝備布置，如有利于軍用三體船的直升機操作等。國內(nèi)該領(lǐng)域的研究主要集中于阻力、耐波性和操縱性等水動力性能的數(shù)值計算、分析和模型試驗，以及基于此的側(cè)體位置優(yōu)化。

以下從三體船的興波阻力數(shù)值計算、阻力特性分析和側(cè)體布局對阻力影響，耐波性、操縱性，CFD和模型試驗的應(yīng)用等方面，對近20年來三體船的水動力和船型研究狀況進行綜述，重點介紹、評述近年來的新進展，總結(jié)歸納已有的研究和成果，指出尚存在的問題和未來發(fā)展趨勢。

2 三體船的阻力研究

2.1 三體船的興波阻力理論計算方法

三體船主體與側(cè)體之間的興波干擾復雜，非線性作用強，同時伴有較嚴重的破波、噴濺現(xiàn)象，因此，三體船阻力準確預報比常規(guī)單體船更加困難。

對各片體為細長船型的某些側(cè)體布局三體船在一定的航速范圍內(nèi)，線性興波阻力理論能給出較好的計算結(jié)果。應(yīng)用于三體船阻力計算和分析的線性興波阻力理論主要有薄船理論[7-9]和細長體理論[10-12]。根據(jù)薄船理論和線性興波阻力柯欽函數(shù)的線性疊加原理，文獻[8]推導出了三體船的線性興波阻力薄船理論公式，概括如下：

式中：I0，J0，I1，J1，I2和 J2為各片體的柯欽函數(shù)[8]，可以寫為：

基于萊布勒斯(Noblesse)新細長體理論，計入水線積分項并引入基元波傾的上限限制系數(shù)，文獻[8-10]建立了線性興波阻力新細長體理論計算方法，其理論計算公式摘要如下[10-11]：

文獻[11-12]將該方法推廣應(yīng)用于三體船的線性興波阻力理論計算。在線性興波阻力理論的范疇，國內(nèi)研究者采用的三體船線性興波阻力的數(shù)值算法，如離散點源法、帳篷函數(shù)法等都是從這兩種線性興波阻力理論導出的，從而形成了三體船線性興波阻力理論計算的兩類方法。

自20世紀末以來，半非線性興波阻力理論開始被推廣用于三體船。1999年Kim[13]采用Rankine源勢流三維面元方法計算兩型三體船概念設(shè)計方案的興波阻力，其排水量分別為20 000 t和2 500 t，Kim所得的計算結(jié)果總體趨勢與模型試驗結(jié)果一致。2001～2002年國外還有研究[6,14-15]也采用半非線性興波阻力理論勢流三維面元方法求解三體船的興波問題；2006年國內(nèi)研究者陳京普、朱德祥等人[16]，2008年盧曉平、王中等人[17]開展了類似于上述的研究工作，計算船型包括具有工程背景的高速方尾三體船。2008年王虎、鄒早建等[18]按均勻來流對自由面條件線性化且以非均勻有理B樣條（non-uniform rational B-spline,NURBS）表達船體曲面開展了半非線性理論Rankine源勢流三維面元法求解三體船興波問題的研究；2009年王中等[19]按基于疊模速度勢線性化自由面條件的半非線性理論求解三體船興波問題，采用自由面物理域與計算域的映像關(guān)系，在計算域中求解速度勢一階和二階導數(shù)，從而避免自由面物理域縱向網(wǎng)格線折角點處導數(shù)計算引起的誤差。

近年來，非線性興波阻力理論也逐漸被應(yīng)用于三體船興波問題數(shù)值求解。2009年王中等[20]將Wyatt全非線性興波阻力理論[21-22]推廣應(yīng)用于三體船興波阻力數(shù)值計算，得出了滿意的結(jié)果；2006年Nair[23]，2008年Mynord等[24]則應(yīng)用CFD軟件SHIPFLOW的XPAN模塊求解了多艘三體船的非線性興波問題，將計算結(jié)果與模型試驗結(jié)果及其他理論計算結(jié)果進行了比較，基于此開展了三體船興波阻力非線性理論計算結(jié)果精度及其特性的討論。

上述3類不同層次的三體船興波阻力理論方法的計算結(jié)果與模型試驗結(jié)果都有偏差，線性理論結(jié)果曲線趨勢與模型試驗結(jié)果偏差較大，且其偏差程度與側(cè)體縱向位置和航速關(guān)系較大；半非線性理論結(jié)果較線性理論有所改進，主要體現(xiàn)在興波阻力系數(shù)曲線峰、谷點位置與模型試驗結(jié)果吻合更好；目前用到的非線性理論計算結(jié)果的曲線趨勢與模型試驗結(jié)果吻合已相當好了，數(shù)值偏差程度也有所改進，受側(cè)體縱向位置和航速影響也較小，但數(shù)值偏差程度仍較單體船要大些。線性興波阻力理論算法結(jié)構(gòu)較為簡潔，物理意義清晰，前處理工作量和計算耗時較少，應(yīng)用于三體船的船型優(yōu)化較容易實現(xiàn)，在初始設(shè)計階段該方法具有一定的優(yōu)勢，這也正是三體船線性興波阻力理論計算方法至今仍在廣泛應(yīng)用的原因。非線性和半非線性興波阻力理論前處理工作量和計算耗時較多，但計算的結(jié)果準確性有改進，故倘若需預報三體船的阻力，采用非線性興波阻力理論為好。

國內(nèi)外的研究都表明，三體船阻力理論計算結(jié)果還不十分理想，作者認為主要原因是，①三體船主體與側(cè)體之間的興波干擾復雜，現(xiàn)有理論無法準確反映主體興波到達側(cè)體周圍后所引起的波的疊加、反射和繞射作用；② 高速時側(cè)體首部會產(chǎn)生顯著的噴濺現(xiàn)象[25-26]，尤其是當側(cè)體首部位于主體興波波峰時，這種現(xiàn)象更加嚴重，現(xiàn)有的各種阻力理論預報方法都未計入側(cè)體首部噴濺對阻力的影響。在三體船興波問題非線性勢流求解的后續(xù)研究中，時域方法、Havelock源的應(yīng)用，破波和噴濺影響的計入對提高三體船興波問題計算精度有重要意義，是值得重視的研究方向。

2.2 三體船的阻力特性

在國外，2000年意大利的Battistin等[15]對不同側(cè)體布局的Wigley三體船興波阻力進行了系列試驗，采用考慮升沉和縱傾變化的Rankine源線性方法對三體船阻力進行數(shù)值計算，并與試驗結(jié)果進行了比較，計算結(jié)果基本能夠反映三體船的阻力特性，表明升沉和縱傾變化對三體船阻力試驗和計算結(jié)果具有不可忽略的影響。2004年美國Mizine等[27]采用考慮粘性與非粘性相互影響的準線性方法計算高速三體船阻力，計算中也考慮了不同航速下船體縱傾、浸濕面積變化、以及方尾效應(yīng)對三體船阻力的影響，其研究表明，升沉和縱傾對三體船粘性阻力及興波阻力有較大影響。2005年和2008年意大利Brizzolara等[28-29]對圓舭和尖舭兩種三體船型進行了系列模型試驗和數(shù)值計算，基于此進行了側(cè)體布局的優(yōu)化設(shè)計，其研究也表明，要準確預報三體船阻力必須考慮航行過程中的縱傾和升沉影響。這幾項研究得出的共同結(jié)論是三體船航行中的升沉和縱傾對阻力有較大的影響，三體船阻力數(shù)值預報中考慮縱傾和升沉的影響十分必要。

在國內(nèi)，2000年以來黃德波等開展了三體船阻力性能的研究[11,30-32]，主要研究內(nèi)容包括三體船片體布局減阻設(shè)計，三體船阻力模型試驗，三體船興波阻力勢流計算，三體船粘性阻力CFD計算，在他們的研究中，尤其值得肯定的是將遺傳算法與興波阻力理論相結(jié)合進行片體布局減阻優(yōu)化和率先開展三體船粘性阻力CFD計算。2002～2006年李培勇等[33-36]對三體船阻力性能進行了研究，其主要研究內(nèi)容有興波阻力理論計算結(jié)果模型試驗驗證，片體興波干擾特性分析，三體船阻力與雙體船、單體船阻力性性能對比等；2004～2010年，盧曉平、王中等[8,37]對三體船阻力性能進行了研究，其主要研究范圍涵蓋了興波阻力理論計算，模型試驗分析和驗證，片體興波干擾和興波阻力曲線特性探討，片體位置對三體船總阻力和興波阻力影響圖譜構(gòu)建，三體船與雙體船、單體船興波阻力性能對比，勢流理論面元法求解三體船興波問題的網(wǎng)格生成和影響等。在國內(nèi)的上述研究工作中，按等排水量或等船長的條件進行高速三體船與常規(guī)單體船、高速雙體船阻力性能的對比，確證了三體船在高航速下的阻力性能較常規(guī)單體船和高速雙體船具有顯著的優(yōu)勢，這對高速三體船的推廣應(yīng)用具有十分重要的意義。

由此可見，國內(nèi)外都較多地針對三體船進行了興波阻力計算，阻力模型試驗，阻力特性分析，側(cè)體對興波阻力影響和側(cè)體位置優(yōu)化減阻等方面的研究，得出了若干基本一致的結(jié)果，如：三體船在高航速時阻力性能具有顯著優(yōu)勢，片體興波干擾作用強，側(cè)體位置合理布置可顯著減小設(shè)計航速的阻力。國內(nèi)外研究的差距在于：①國外較早地關(guān)注了三體船航行姿態(tài)對阻力的影響，國內(nèi)直到近年來才較為詳細地探討了三體船航行中的縱傾、升沉對阻力的影響和縱傾、升沉的確定方法[37-38]；② 國外較多地開展了三體船興波波形測量和波形分析的研究[39～42]，國內(nèi)這方面的研究還很少見；③國外有針對大型三體商用實船的船型和阻力性能的研究[43]，國內(nèi)這方面的研究也很少見。三體船主體和側(cè)體船型減阻優(yōu)化的研究，在國內(nèi)外都十分薄弱，需進一步開展這方面的研究，如采用數(shù)學規(guī)劃法、遺傳算法等與興波阻力理論結(jié)合，進行三體船主體船型減阻優(yōu)化，主體船型加裝球首和首消波翼等裝置減阻，都是值得深入研究的課題。

2.3 側(cè)體布局對三體船阻力性能影響

通過片體干擾消波進行側(cè)體布局優(yōu)化，以達到多體船阻力最小的設(shè)計概念最早由美國Wilson等于1993年提出[44]。 此后 2000～2001年美國Yang等[45]分別采用基于歐拉方程的非線性方法和包括新細長體理論在內(nèi)的3種線性理論方法進行三體船側(cè)體位置優(yōu)化的分析，給出了不同航速下的阻力與側(cè)體位置關(guān)系的一系列等值線圖，并建議據(jù)此進行初步的側(cè)體位置優(yōu)化，然后采用基于歐拉方程的非線性方法進行精細的優(yōu)化，以提高效率。2003年美國的Zafer[46]采用線性三維Rankine源面元法系統(tǒng)地研究了側(cè)體位置對三體船興波阻力的影響，研究結(jié)果表明，① 優(yōu)化得到的側(cè)體位置會隨速度變化而發(fā)生較大變化，沒有一個在全航速下的統(tǒng)一趨勢；②當弗勞德數(shù)Fr在0.3～0.5區(qū)間時，側(cè)體位置對三體船阻力影響較大；③對減阻有利的側(cè)體布局是：中低速時側(cè)體布置在主體中部稍后并適當偏向外側(cè)；高速時側(cè)體布置在主體后外側(cè)，隨著Fr的增大橫向位置逐漸靠近主船體；甚高速（超高速）時，有利于興波干擾的側(cè)體縱向位置又應(yīng)靠近主體的中部。在國內(nèi)，2002年文獻[30]將興波阻力理論與遺傳算法、全因素枚舉相結(jié)合進行三體船側(cè)體位置減阻優(yōu)化，遺傳算法較全因素枚舉法效率高，在搜索范圍較廣時具有優(yōu)勢。2004年文獻[8]結(jié)合線性興波阻力理論、直接枚舉法求出了三體船的興波阻力隨側(cè)體橫向間距和縱向偏距變化規(guī)律的等值線圖譜，可用于指導側(cè)體位置布局減阻優(yōu)化設(shè)計，圖5是其中的一張興波阻力等值線圖譜。

近幾年來，國內(nèi)外還有文獻通過理論和模型試驗研究得出側(cè)體縱向位置、中船體波形和三體船剩余阻力之間關(guān)系的另一種提法：①恰當?shù)膫?cè)體縱向位置是側(cè)體首部位于中體興波的波谷區(qū)；②在超高速（甚高速，F(xiàn)r≥0.72）時，側(cè)體的縱向位置位于主體船中部將導致有利的興波干擾[12,47]；③ 在興波阻力系數(shù)曲線的主峰區(qū)域（約為Fr=0.4～0.5），最優(yōu)的側(cè)體縱向位置是側(cè)體尾緣與中船體尾緣平齊[20]。受以上提法啟示，作者據(jù)主體理論波形、全非線性勢流興波計算以及系列模型試驗結(jié)果回歸圖譜進一步探討了側(cè)體位置布局與三體船低阻性能關(guān)系，圖6表達了主體波形與有利干擾、不利干擾側(cè)體位置之間的關(guān)系[48]，興波干擾狀態(tài)按側(cè)體位置ABCDE排序漸次由有利干擾轉(zhuǎn)為不利干擾；圖7為系列模型試驗所得三體船阻力隨側(cè)體縱向偏距和橫向間距變化的等值線圖譜[49]；圖8為全非線性勢流興波計算得出的三體船興波云圖[38]，由圖 8（a）判斷，該弗勞德數(shù)（高速）下側(cè)體位置處于有利的布局狀態(tài)，圖8（b）則顯示出該弗勞德數(shù)（超高速）下側(cè)體位置接近處于不利的布局狀態(tài)；作者還研究得出側(cè)體縱向位置對阻力影響比橫向位置更大[37]。上述結(jié)果的意義在于給出了可直接實用于工程的側(cè)體位置布局減阻優(yōu)化設(shè)計手段。

至于側(cè)體主尺度對阻力影響的研究，1995年美國Robert[50]基于Taylor系列和系列64船模系列試驗結(jié)果針對單側(cè)體排水量為主體排水量1%～5%情況下的三體船，初步分析了側(cè)體排水量變化對有效功率的影響，認為側(cè)體排水量的少量增加可提供更多的可用空間，而僅需增加很少的有效功率，高航速下尤其如此；文獻[51]的研究表明，長度小于1/10主體船長的側(cè)體對興波阻力幾乎沒有影響，而側(cè)體長度超過主體長度1/3，則低航速下的阻力會變差?？梢?，在三體船的側(cè)體布局優(yōu)化研究中計入側(cè)體排水量的影響是十分必要的，目前國內(nèi)外在這方面的研究還十分薄弱。

綜上所述，側(cè)體位置對阻力的影響研究已較為充分了，而側(cè)體排水量對阻力影響的研究則很不充分，需加強這方面的研究；另外，三體船側(cè)體的橫向間距對阻力、穩(wěn)性和橫搖等綜合性能有著錯綜復雜且相當敏感的影響[52-55]，側(cè)體的橫向間距應(yīng)通過對阻力、耐波性和穩(wěn)性等綜合性能的權(quán)衡確定，這方面的研究也很不充分，需大力加強這方面的研究。

3 三體船的耐波性研究

在2000年代初期，意大利探討了三體船橫搖運動理論計算模型[56]，三體船片體取為Wigley數(shù)學船型，中船體視為如同常規(guī)單體船一樣橫搖，小側(cè)體由中船體牽連而跟隨中船體運動，即側(cè)體本身不遭受波浪激振力主動搖擺，這種模型的優(yōu)點之一是計算較為簡單，可以套用單體船橫搖運動的計算過程，試驗結(jié)果驗證這種近似的理論模型具有一定的有效性，更為嚴格的理論計算模型應(yīng)將三體船的三個片體作為整體處理。

在提出勢流理論三維面元法和粘性流動CFD方法求解三體船耐波性后，三片體作為整體的處理方法便實現(xiàn)了。2001年英國將三維脈動源、三維移動脈動源和耦合水彈性理論的三維脈動源等方法用于三體船在波浪中的運動和波浪載荷計算[57]，表明三維移動脈動源方法更適合三體船。

2007年，Davis，Holloway[58]通過耐波性時域理論計算比較了三體船、雙體船和單體船在波浪中的運動，在0.2～0.8的弗勞德數(shù)范圍內(nèi)驗證了計算結(jié)果的有效性。其研究工作表明當弗勞德數(shù)由0.5增加到0.8時，在波浪中的運動顯著加強；在迎浪航行時具有較短船長特點的雙體船加速度可達具有較長船長特點的三體船的2倍；首斜浪航行時，三體船似乎失去在波浪中運動的優(yōu)勢，其橫搖可達雙體船的2倍；當側(cè)體排水量由總排水量的10%下降到5%，通常情況下最大橫搖逐漸增加，而在高弗勞德數(shù)和高遭遇頻率下，側(cè)體排水量對三體船波浪中橫搖的這種影響卻反過來了。該項研究的主要優(yōu)點是，目標船型是澳大利亞“奧斯塔”的三體車—客運輸船Benchijigua Express[59]，或按NPL系列構(gòu)建的工程實用船型[60-62]；此外對迎浪、首斜浪和橫浪下的升沉、縱搖和橫搖進行系統(tǒng)的分析、比較也是其研究的特色。

2007年，Hebblewhite等[63]結(jié)合采用切片法（SEAKEEP軟件中的模塊），多體船切片法（HYDROS軟件中的模塊）和模型試驗開展了三體船耐波性的研究，其片體船型由AMECRC系列導出，開展了弗勞德數(shù)和側(cè)體縱向偏距對迎浪升沉、縱搖影響的研究，得出弗勞德數(shù)和側(cè)體縱向偏距對縱向運動響應(yīng)RAO3，RAO5具有影響。他們的研究是將較為簡單的方法推廣用于求解有航速三體船在波浪中的縱向運動的實例。

2007年，Engle等[64]改進了兩種經(jīng)驗或半經(jīng)驗方法使之適用于三體船耐波性計算，這項研究的特色在于將（半）經(jīng)驗方法（包括數(shù)據(jù)庫方法）用于三體船的縱搖、橫搖時域法求解，模型試驗結(jié)果驗證表明，所得結(jié)果是可接受的。

在國內(nèi)，2000年代初上海交通大學[4,65]開展了三體船的耐波性理論研究和模型試驗研究。文獻[4]基于模型靜水橫搖試驗的衰減曲線，采用線性加平方項模式的等效能量法，求解了橫搖阻尼系數(shù)，開展了三體船橫搖特性的分析和預報；文獻[65]根據(jù)切片法的計算結(jié)果得出三體船在高航速下的升沉和縱搖較常規(guī)單體船明顯減小。近年來，蔡新功，王平等[66]再次應(yīng)用切片法開展三體船縱向運動的預報，得出了可接受的結(jié)果。由此可見切片法計算結(jié)果具有一定的準確性，這在一定程度上表明三體船片體水動力干擾對三體船運動的影響不如對阻力的影響敏感，作者認為阻力是水動力直接合成所得的力，而水動力作用僅是影響船體運動的因素之一，故片體水動力干擾對三體船阻力的影響更敏感；但要準確求解三體船的運動問題，還是應(yīng)采用能夠反映片體干擾作用的三維面元法。

2004年，2009年盧曉平、王毅[67-68]，2008年中國臺灣Chou等[69]均采用三維移動脈動源面元方法求解了三體船在波浪中的升沉和縱搖，他們的研究都表明用三維移動脈動源方法計算三體船升沉和縱搖能獲得有效的計算結(jié)果，前者還據(jù)計算結(jié)果分析了側(cè)體位置對運動響應(yīng)的影響，得出了合理的結(jié)果，后者據(jù)計算結(jié)果分析了浪向的影響，除迎浪外，還考慮了首斜浪。此外，2009年盧曉平和王毅[68]還探索性地采用三維Rankine源面元法計算三體船在波浪中的深沉和縱傾，據(jù)模型試驗結(jié)果初步驗證了理論計算結(jié)果的有效性。

2001～2007年期間，段文洋等[70-71]應(yīng)用2.5維理論計算了有航速下三體船的縱向運動，將其計算結(jié)果與切片法、模型試驗結(jié)果進行了比較，表明了2.5維方法預報規(guī)則波中的三體船耐波性可獲得滿意的結(jié)果，其研究的特色是結(jié)合了耐波性切片法和三維方法計算的優(yōu)點并應(yīng)用于三體船，以快捷的方法獲得了滿意的結(jié)果。

2010年中國臺灣Fang等[72]將三維脈動源方法應(yīng)用于三體船的耐波性計算，采用三維脈動面元法預報了三體船在不同側(cè)體布局下的附加阻力和運動響應(yīng)，模型試驗結(jié)果驗證表明該方法給出的計算結(jié)果是可以接受的；據(jù)此還分析得出適當大的側(cè)體橫向間距和距離尾端適當遠的縱向偏距有利于減小波浪中的附加阻力；他們也指出其耐波性計算結(jié)果仍存在一些誤差，采用三維移動脈動源方法求解高速三體船耐波性或可得出更為滿意的預報結(jié)果。

上述三體船的耐波性理論計算方法中，切片法不能充分計入三體船各片體的水動力干擾，三維勢流理論面元法可充分計入片體的水動力干擾，故與單體船相比，三維勢流理論面元法用于三體船較切片法計算精度提高應(yīng)該更大。至今，在三體船耐波性計算中，三維勢流理論面元法大都采用線性化自由面條件，今后，非線性自由面條件下三維勢流理論面元法的應(yīng)用是高速三體船耐波性研究的重要方向。此外，粘性流動CFD方法求解三體船耐波性的研究還處于起步階段，是未來的重要研究方向。至于三體船耐波性的優(yōu)勢，基于物理概念的定性分析已得若干結(jié)論，如三體船的側(cè)體可增加橫搖阻尼從而減小三體船的橫搖幅值，此外三體船的片體細長以及側(cè)體的存在具有較好的減小升沉和縱搖的效果，但對三體船耐波性優(yōu)勢的定量確定，至今研究尚不充分，如三體船、雙體船和常規(guī)單體船耐波性的定量比較，三體船耐波性最具優(yōu)勢的海區(qū)條件，側(cè)體位置對三體船耐波性影響的定量評價等都需進一步的研究。

4 三體船的操縱性研究

三體船的操縱性研究在三體船水動力性能研究中是最為薄弱的。在2000年代早期，Kang等[73]發(fā)表了2 500 t級三體護衛(wèi)艦的操縱性初步研究的結(jié)果。近年來，文獻[74]應(yīng)用CFD技術(shù)對三體船操縱性要素實施了一些數(shù)值模擬，其計算項目包括質(zhì)量中心軌跡，航速的時變歷程，漂角和轉(zhuǎn)首角的時變歷程等，圖9為該文獻給出的某三體船設(shè)計方案的質(zhì)心軌跡。2007年，文獻[75]發(fā)表了三體船Benchijigua Express的一些實船操縱性試驗資料。2008～2009年間，文獻[76-78]也開展了三體船操縱性計算和特性分析的初步研究。此外，三體船操縱性的研究就很少見了。

5 三體船水動力性能模型試驗和CFD數(shù)值模擬

三體船水動力性能模型試驗研究主要開展了阻力和耐波性領(lǐng)域的模型試驗，CFD數(shù)值模擬技術(shù)主要應(yīng)用于阻力和操縱性的預報和分析。

5.1 三體船阻力模型試驗

三體船阻力模型試驗研究主要開展了三體船阻力特性（尤其是片體的興波干擾特性）分析、阻力理論計算結(jié)果模型試驗驗證以及阻力模型試驗結(jié)果換算方法等方面的工作。

文獻[34,79]指出，可采用模型試驗方法進行三體船片體興波干擾的研究，將三體船的總阻力分為“無干擾阻力”和“干擾阻力”兩部分，“無干擾阻力”由中體和側(cè)體的興波阻力直接相加而得，“干擾阻力”采用總阻力扣除各片體摩擦阻力以及“無干擾阻力”而確定的。這種處理方法實際上未計片體水動力干擾對摩擦阻力的影響，或理解為將片體間摩擦阻力、形狀阻力的干擾計入了剩余阻力之中，與常規(guī)單體船剩余阻力中包含有難以分離或機理不明的阻力類似，對三體船阻力試驗結(jié)果的這種處理毋寧說是一種工程近似或工程簡化，實用而不盡完善。從阻力模型試驗研究結(jié)果看，阻力曲線（尤其是興波阻力系數(shù)曲線)上呈現(xiàn)出明顯的有利或不利的片體興波干擾的跡象[80]。

有研究表明[11,15,18,35,37]，三體船阻力特性理論計算結(jié)果與模型試驗結(jié)果之間具有相關(guān)性，非線性興波阻力理論計算結(jié)果與模型試驗結(jié)果的相關(guān)性已達到很高的程度，在工程上可實用于側(cè)體位置或片體船型優(yōu)化設(shè)計，線性興波阻力理論計算結(jié)果與模型試驗結(jié)果的相關(guān)性要差一些；從數(shù)量上看，非線性興波阻力理論和線性興波阻力理論結(jié)果與模型試驗都存在偏差，這種偏差比常規(guī)單體船大。

從目前的文獻看，三體船模型阻力換算為實船阻力有采用Froude法和（1+K）法的。Begovic[81]的研究表明，對三體船，當Fr=0.7～1.0時，F(xiàn)roude法要比（1+K）法更好，因為在該范圍內(nèi)，前者幾乎不存在尺度效應(yīng)問題，而后者縮尺比為10的船模要比縮尺比為20的船模的興波阻力大10%；當Fr＜0.6時，則有相反結(jié)論，即Froude法在該范圍內(nèi)有較大尺度效應(yīng)，而采用（1+K）法可以消除部分尺度效應(yīng)。作者認為，這兩種換算方法可以統(tǒng)一表示為（1+K）法，只不過其中的形狀因子K應(yīng)取為與Fr有關(guān)的參數(shù)，F(xiàn)roude法即相應(yīng)于在（1+K）法中K取為0，不難推知K的數(shù)值應(yīng)隨Fr增大而減小；事實上，三體實船總阻力預報問題至今并未解決，這一點不難理解：目前三體實船本已很少，三體實船航行中的阻力資料更是十分缺乏，而真正要準確預報三體實船阻力，需充分的三體實船航行中的快速性資料，既然三體船是新船型，（1+K）法又可以包括Froude法，且比Froude法理論上更嚴格，故遵循“力學第一原則”，從深化基礎(chǔ)技術(shù)著想[82]，建議采用（1+K）法作為三體船阻力預報的方法，采用模型試驗方法或CFD方法，先解決三體船（1+K）確定的問題，暫參考常規(guī)單體水面艦船的方法給出另一相關(guān)因子（粗度補貼）ΔCf確定方法，待三體實船應(yīng)用更加廣泛后，注重積累實船航行資料，再給出更為準確的ΔCf確定方法。

此外當三體船在甚高速區(qū)（或稱為超高速區(qū)，約對應(yīng)于實船航速45～60kns），側(cè)體將出現(xiàn)相當大的噴濺阻力，這種噴濺阻力（薄體噴濺阻力）的機制與滑行艇噴濺阻力（扁體噴濺阻力）的機制有所不同[83]，需結(jié)合模型試驗與理論計算對其進行深入系統(tǒng)的研究。

5.2 三體船耐波性模型試驗

1990年代后期至2000年代早期，國外即開始對高速三體船的耐波性進行模型試驗研究[56,63,84]，其研究內(nèi)容主要有驗證理論計算結(jié)果，分析片體間距的影響，探討橫浪下三體船的橫搖特性等。2000年代早期，國內(nèi)也開展了三體船耐波性的模型試驗研究[4,65]，主要模型試驗為靜水和規(guī)則波中零速橫搖試驗、靜水中有航速橫搖試驗和規(guī)則波中的有航速縱向運動試驗等，通過上述模型試驗探討了三體船耐波性規(guī)律，得出如下初步結(jié)論：①在三體船橫搖幅值較大時非線性項為阻尼的主要成分，隨著橫搖幅值衰減，非線性項逐漸減??；②非線性等效線性化方法和線性方法的計算結(jié)果都與波浪中的零速橫搖試驗結(jié)果比較吻合；③側(cè)體橫向位置對橫搖阻尼有明顯影響，橫向間距增大時，橫搖阻尼隨之迅速增大，橫搖衰減加快；④隨著航速增加，橫搖阻尼顯著增大，橫搖幅值顯著減?。虎莞咚偃w船的縱搖與升沉幅值較常規(guī)單體船顯著減小。

近年來國內(nèi)外三體船耐波性模型試驗的文獻有所增加，研究內(nèi)容大致可以概括為：探討弗勞德數(shù)和側(cè)體位置對波浪中運動響應(yīng)影響[63]；進一步驗證理論計算結(jié)果的有效性[64]；三體船、雙體船和常規(guī)單體船波浪中運動響應(yīng)的對比[58]；三體船波浪載荷模型試驗測試分析等[85]。列舉國內(nèi)近幾年的一部分研究有，2007年張文鵬和宗智等[86]則通過模型試驗探討了側(cè)體位置對三體船升沉和縱搖運動響應(yīng)的影響，蔡新功和王平等[66]據(jù)模型試驗驗證了切片法應(yīng)用于三體船耐波性計算的可行性；2009年王毅和盧曉平[67-68]通過模型試驗測試和理論計算相結(jié)合，探討了高速三體船側(cè)體位置對其升沉、縱搖和橫搖特性的影響，進行了三體船與常規(guī)單體船耐波性對比；2011年汪雪良等[85]進行了三體船波浪載荷模型試驗測試結(jié)果與規(guī)范對比的研究。

至今三體船耐波性模型試驗的研究并不充分，作者認為后續(xù)研究方向大致為：理論計算結(jié)果精度的模型試驗驗證；側(cè)體位置對耐波性影響定量描述的模型試驗確定或驗證；高速三體船較常規(guī)單體船耐波性優(yōu)勢定量描述的模型試驗確定或驗證。

5.3 三體船阻力和操縱性CFD計算

CFD技術(shù)近年來逐漸應(yīng)用于三體船的阻力性能、操縱性的計算和分析，其中以CFD求解三體船阻力的研究居多。2004～2006年，李云波等[87-89]應(yīng)用CFD技術(shù)進行了三體船和五體船阻力和流場的計算與分析，將CFD通用軟件ANSYS-CFX計算的粘性阻力與摩檫阻力系數(shù)、粘壓阻力系數(shù)經(jīng)驗公式計算值相加所得粘性阻力進行了比較，發(fā)現(xiàn)兩者有較大偏差，認為ANSYS-CFX計算結(jié)果更為合理。2009年，陳康等[31]采用CFD技術(shù)分析了網(wǎng)格、湍流模型、對流項離散格式等3個因素對三體船阻力性能計算的影響，基于上述各因素導致的誤差在一定程度上能夠相互抵消的想法提出了一種改進的三體船模型阻力性能預報的方法。

在三體船粘性流動和粘性阻力CFD計算方面，國內(nèi)的起步較早，上述研究者率先在該方向進行了有意義的探討。目前，因計算機硬件條件，三體船水動力性能CFD計算和分析還是十分耗時的工作，計算結(jié)果的精度也仍需改進或驗證，還應(yīng)注意的是要防止繁復的計算網(wǎng)格建模和長時間持續(xù)的計算機運行遮蔽了問題的物理概念和物理意義，而在可以預計的將來，CFD技術(shù)會在三體船水動力計算和分析中起到越來越重要的作用。盡管如此，勢流理論方法在將來三體船的研發(fā)中仍會是許多人的首選，畢竟這是高效、省時、精度不錯的方法，它還有解析化程度高、便于物理意義探討的優(yōu)點。

6 結(jié) 語

近20多年來，三體船受到人們很大的關(guān)注，通常認為與同排水量的常規(guī)單體船和雙體船對比其水動力性能具有較大的優(yōu)勢，這種新船型在軍用和民用上有廣闊的應(yīng)用前景。概括本文以上所述可以得出結(jié)論：

（1）三體船在高航速區(qū)間阻力性能具有顯著的優(yōu)勢，在低航速區(qū)其阻力性能則無明顯優(yōu)勢；三體船在高航速區(qū)間耐波性具有較大的優(yōu)勢。

（2）在三體船的水動力性能研究中，阻力性能研究開展較早，取得了較大的進展；耐波性研究近10年來發(fā)展較快，也取得了較大的進展；操縱性的研究卻較為薄弱。總體上說，三體船的水動力性能研究還不充分，需進一步深入開展這方面的研究。

（3）至今三體船水動力性能研究主要采用勢流理論方法，勢流理論應(yīng)用于三體船興波阻力、耐波性預報和分析所得結(jié)果可以接受；粘性流動CFD技術(shù)也開始應(yīng)用于三體船的阻力性能和操縱性研究，其中應(yīng)用于阻力者居多。將來勢流理論和粘性流動CFD技術(shù)在三體船的研發(fā)中都會發(fā)揮重要作用。

（4）在三體船的船型研究方面，側(cè)體位置布局對阻力性能、耐波性和操縱性影響的研究較多，尤其是側(cè)體布局對阻力影響和側(cè)體布局減阻優(yōu)化研究，現(xiàn)已較充分了；而三體船側(cè)體排水量和片體船型對水動力性能的影響，以及基于此的側(cè)體排水量和片體船型優(yōu)化的研究則很不充分。

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