千噸級(jí)高耐波性單體復(fù)合船型模型試驗(yàn)研究

王許潔，孫樹政，趙曉東，李積德，欒景雷

（哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，哈爾濱 150001）

1 引 言

近年來，哈爾濱工程大學(xué)研發(fā)了一種加裝組合附體的單體復(fù)合船型[3]，在常規(guī)單體船艏下部安裝橢圓剖面流線型半潛艏，在半潛艏兩側(cè)安裝三角翼型鰭，并成功進(jìn)行了450噸級(jí)艇加裝該組合附體的實(shí)艇海試驗(yàn)證[5]，研究表明組合附體可以顯著地抑制船舶的縱向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)波浪中高速航行。

本文對(duì)前期研發(fā)的千噸級(jí)單體復(fù)合船型進(jìn)行快速性和耐波性試驗(yàn)研究，通過對(duì)千噸級(jí)圓舭母型船、加裝組合附體及改進(jìn)深V型加裝組合附體等復(fù)合船型方案進(jìn)行模型試驗(yàn)，分析比較了不同方案的阻力性能和耐波性能，優(yōu)選出阻力和耐波性能良好的深V單體復(fù)合船型方案。

2 模型尺度和安裝位置

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叨?/h3>

模型試驗(yàn)是在哈爾濱工程大學(xué)船模拖曳水池進(jìn)行的，加裝組合附體的單體復(fù)合船型模型浮態(tài)與母船一致。

模型縮尺比1:25，船型模型尺度見表1。

表1 船型模型尺度Tab.1 Main dimension of the ship

半潛艏中縱剖面為NACA翼型，橫剖面為橢圓形，g1，g2，g3表示圓舭船型加裝組合附體的3種方案，V1，V2，V3表示深V船型加裝組合附體的3種方案，尺度見表2。

表2 半潛艏尺度及編號(hào)Tab.2 Dimension and number of the appendage

5個(gè)鰭的平面為三角形，剖面為ЦАГИ翼型，編號(hào)和尺度見表3。

表3 鰭的尺度及編號(hào)Tab.3 Dimension and number of the fin

2.2 組合附體的安裝位置

考慮組合附體尺寸布局對(duì)復(fù)合船型阻力性能的影響，結(jié)合前期研究成果，選定組合附體的安裝位置。半潛艏安裝位置是艏緣在0站處，首緣中心在基線下 20mm；鰭的安裝位置是：對(duì)于圓舭船型（圖1），鰭的首緣距0站300mm，對(duì)于深V船型（圖2），鰭首緣距0站310mm。

圖1 原船型橫剖面圖Fig.1 The body section of original ship

圖2 改進(jìn)深V船型橫剖面圖Fig.2 The body section of improved deep-V ship

圖3 組合附體安裝示意圖Fig.3 The fitted situation of appendage

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 靜水阻力試驗(yàn)

通過對(duì)半潛艏和鰭的多種組合方案進(jìn)行靜水阻力試驗(yàn)，優(yōu)選出阻力性能良好的g1f4和v3f5方案，圖4為圓舭原型g0，原船型加裝組合附體g1f4，深V船型v0與加裝組合附體v3f5的靜水阻力結(jié)果比較，其中R為模型阻力，V為模型對(duì)應(yīng)速度。圖5，圖6為各船型靜水航行的升沉和縱傾曲線，其中Z為升沉值；θ為縱搖角，尾傾為正；V為模型對(duì)應(yīng)速度。

圖4 靜水阻力曲線Fig.4 Still water resistance results

圖5 靜水中航行升沉曲線Fig.5 Sinkage in still water experiments

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

（1）改進(jìn)的深V船型與圓舭母型相比，靜水阻力略有增加，但增幅不大。

（2）圓舭母型和改進(jìn)深V船型在加裝組合附體后，低速時(shí)的靜水阻力有較大的增加，船模速度0.93m/s時(shí)，g1f4方案比g0原型阻力增加10.7%，v3f5方案比v0方案阻力增加10.6%；隨著航速的提高，阻力值逐漸與原船型接近，船模速度2.16m/s時(shí)，g1f4方案比g0原型阻力增加2.8%，v3f5方案比v0方案阻力增加0.3%；高速時(shí)，阻力甚至低于母船型，船模速度3.08m/s時(shí)，g1f4方案比g0原型阻力減小0.4%，v3f5方案比v0方案阻力減小0.8%。分析原因，低速時(shí)摩擦阻力在總阻力中比例較大，加裝組合附體后的復(fù)合船型濕表面積比原船型有所增加，而且在航行中復(fù)合船型下沉比原船型大，因此阻力增加明顯；隨著航速的提高，興波阻力所占比例逐漸增大，組合附體與主船體產(chǎn)生有利干擾，使興波阻力減小，從而使總阻力與原船型趨近甚至減小。

圖6 靜水中航行縱傾曲線Fig.6 Trim in still water experiments

（3）加裝組合附體后，復(fù)合船型的航態(tài)與原船型相比略有變化，復(fù)合船型航行中下沉變大，航速越高，下沉越大；縱傾角在低速時(shí)變化不大，隨著航速增加，尾傾越小。

3.2 耐波性試驗(yàn)

3.2.1 規(guī)則波試驗(yàn)

圖7 升沉運(yùn)動(dòng)響應(yīng)曲線（Fn=0.32）Fig.7 Heave response(Fn=0.32)

圖8 縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)曲線（Fn=0.32）Fig.8 Pitch response(Fn=0.32)

圖9 艏部加速度響應(yīng)曲線（Fn=0.32）Fig.9 Bow vertical acceleration(Fn=0.32)

圖10 舯部加速度響應(yīng)曲線（Fn=0.32）Fig.10 Middle vertical acceleration(Fn=0.32)

圖11 艉部加速度響應(yīng)曲線（Fn=0.32）Fig.11 Stern vertical acceleration(Fn=0.32)

圖12 升沉運(yùn)動(dòng)響應(yīng)曲線（Fn=0.42）Fig.12 Heave response(Fn=0.42)

圖13 縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)曲線（Fn=0.42）Fig.13 Pitch response(Fn=0.42)

圖14 艏部加速度響應(yīng)曲線（Fn=0.42）Fig.14 Bow vertical acceleration(Fn=0.42)

圖15 舯部加速度響應(yīng)曲線（Fn=0.42）Fig.15 Middle vertical acceleration(Fn=0.42)

圖16 艉部加速度響應(yīng)曲線（Fn=0.42）Fig.16 Stern vertical acceleration(Fn=0.42)

圖17 升沉運(yùn)動(dòng)響應(yīng)曲線（Fn=0.53）Fig.17 Heave response(Fn=0.53)

圖18 縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)曲線（Fn=0.53）Fig.18 Pitch response(Fn=0.53)

圖19 艏部加速度響應(yīng)曲線（Fn=0.53）Fig.19 Bow vertical acceleration(Fn=0.53)

圖20 舯部加速度響應(yīng)曲線（Fn=0.42）Fig.20 Middle vertical acceleration(Fn=0.42)

對(duì)g0、g1f4、v0及v3f5方案的船型模型在三個(gè)航速下進(jìn)行迎浪規(guī)則波試驗(yàn)，試驗(yàn)測(cè)量模型縱搖、升沉、艏部第1.5站、舯部第10站和艉部第19站處的加速度。試驗(yàn)波幅取25mm，波長(zhǎng)范圍0.5～2.5倍船長(zhǎng)。圖7～21為各方案在航速 18kns（Fn=0.32）、24kns（Fn=0.42）、30kns（Fn=0.53）各參數(shù)的幅頻響應(yīng)函數(shù)曲線的比較。其中，λ為波長(zhǎng)，L為設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)，Z為升沉值，ζa為波幅，θ為縱搖角，k為波數(shù)，A1為艏部加速度，A2為舯部加速度，A3為艉部加速度，g為重力加速度。

由規(guī)則波試驗(yàn)結(jié)果可知，改進(jìn)深V船型相比圓舭原船型在規(guī)則波中的縱向運(yùn)動(dòng)有了明顯減小，尤其在加裝組合附體后，單體復(fù)合船型在規(guī)則波中的縱向運(yùn)動(dòng)得到了較大抑制，高速時(shí)減搖效果更加突出。比較v3f5方案和g0原船型的試驗(yàn)結(jié)果，在Fn=0.32時(shí)，對(duì)于升沉運(yùn)動(dòng)峰值減小31%，縱搖運(yùn)動(dòng)峰值減小28.8%，艏部加速度峰值減小27.1%，舯部加速度峰值減小31.2%，艉部加速度峰值減小28.9%；在Fn=0.42時(shí)，對(duì)于升沉運(yùn)動(dòng)峰值減小15.1%，縱搖運(yùn)動(dòng)峰值減小15.3%，艏部加速度峰值減小24.7%，舯部加速度峰值減小21.1%，艉部加速度峰值減小20.7%；在Fn=0.53時(shí)，對(duì)于升沉運(yùn)動(dòng)峰值減小36.5%，縱搖運(yùn)動(dòng)峰值減小30.6%，艏部加速度峰值減小48.9%，舯部加速度峰值減小36.7%，艉部加速度峰值減小36.4%?？傮w看來，深V單體復(fù)合船型v3f5方案的耐波性得到大幅提升。

圖21 艉部加速度響應(yīng)曲線（Fn=0.53）Fig.21 Stern vertical acceleration(Fn=0.53)

3.2.3 由規(guī)則波試驗(yàn)預(yù)報(bào)實(shí)船在不規(guī)則波中耐波性能[1，6]

根據(jù)規(guī)則波的試驗(yàn)結(jié)果，預(yù)報(bào)了圓舭原船型g0和改進(jìn)深V復(fù)合船型v3f5的耐波性能，海浪譜采用ITTC標(biāo)準(zhǔn)單參數(shù)譜，有義波高分別為1.25m、2.0m、3.2m、5.0m，F(xiàn)n=0.32、0.53，單幅有義值計(jì)算結(jié)果見表 7～9。

表4 實(shí)船耐波性預(yù)報(bào)結(jié)果Tab.4 The prediction result of real ship

表5 深V單體復(fù)合船型較圓舭母船減搖效果表Tab.5 The stabilizing effect between deep-V hybrid monohull and original ship

從預(yù)報(bào)結(jié)果可以看出：改進(jìn)的深V單體復(fù)合船型v3f5方案相比圓舭原型g0方案在中高速航行的耐波性能有了較大幅度的提高，在30kns航速時(shí)，減搖效果基本達(dá)到20-28%，航速越高，減搖效果越好。

3.2.4 靜水自由橫搖衰減試驗(yàn)

對(duì)g0方案、g1f4方案、v3f5方案進(jìn)行靜水自由橫搖衰減試驗(yàn)，試驗(yàn)及計(jì)算數(shù)據(jù)見表6。

表6 靜水自由橫搖衰減試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.6 Data of free roll decay in still water

靜水自由橫搖衰減試驗(yàn)曲線如下圖22-24。

由測(cè)試的靜水自由橫搖衰減試驗(yàn)曲線計(jì)算的無(wú)因次衰減系數(shù)結(jié)果表明：加裝組合附體的圓舭型和深V型單體復(fù)合船型橫搖無(wú)因次衰減系數(shù)明顯增加，其中v3f5方案增值較大。

圖22 原船型靜水自由橫搖衰減試驗(yàn)曲線Fig.22 Free roll decay results in still water of original ship

圖23 g1f4方案靜水自由橫搖衰減試驗(yàn)曲線Fig.23 Free roll decay results in still water of program g1f4

圖24 v3f5方案靜水自由橫搖衰減試驗(yàn)曲線Fig.24 Free roll decay results in still water of program v3f5

4 結(jié) 論

經(jīng)模型試驗(yàn)研究可以得出如下結(jié)論：

（1）通過合理地選擇半潛艏外形尺度、鰭的尺度以及主船體和組合附體的水動(dòng)力優(yōu)化布局，可以使改進(jìn)的深V單體復(fù)合船型阻力性能得到改善，高速時(shí)減阻。

（2）改進(jìn)的深V單體復(fù)合船型與圓舭母船型相比，在波浪中航行時(shí)縱向運(yùn)動(dòng)得到明顯抑制，航速越高減搖效果越明顯。

（3）從深V單體復(fù)合船型與圓舭母型模型零速橫搖自由衰減試驗(yàn)曲線求測(cè)的無(wú)因次衰減系數(shù)比較表明：深V單體復(fù)合船型橫搖阻尼比圓舭母型大幅增加，橫搖固有周期也明顯增大，因此可使橫搖運(yùn)動(dòng)顯著改善。

綜上所述，所研發(fā)的單體深V復(fù)合船型是一耐波性優(yōu)良的船型。

[1]李積德.船舶耐波性[M].哈爾濱:哈爾濱船舶工程學(xué)院出版社,1992:67-74.

[2]霍洛季林A H,什梅列夫A H.船舶的耐波性和在波浪上的穩(wěn)定措施[M]．許百春等譯．北京:國(guó)防工業(yè)出版社,l975．

[3]蔡新功等.中高速船加裝減縱搖組合附體模型試驗(yàn)[J].中國(guó)造船,2003,44(3):50-57.

[4]木原和之,田滬騰．耐航型高速艇新船型開發(fā)研究[C]．日本造船學(xué)會(huì)論文集,1985(6):157號(hào)．

[5]蔡新功等.中高速船加裝減縱向運(yùn)動(dòng)組合附體實(shí)船試驗(yàn)[J].中國(guó)造船,2003,44(4):13-18.

[6]李積德,張 恒,趙曉東.4千噸級(jí)深V單體復(fù)合船型模型試驗(yàn)研究[J].船舶力學(xué),2008,12(5):709-715.