半滑行前三體船型模型阻力對比試驗(yàn)研究

， ，，， ， ，

(大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院,遼寧 大連 116024)

三體船相對于常規(guī)型單體船，具有甲板面積寬、速度快、耐波性優(yōu)、穩(wěn)性好、抗沉性高、生存能力強(qiáng)及改裝余地大等優(yōu)點(diǎn)。作為一種新型非常規(guī)型船舶，三體船是在軍用、民用市場均有廣闊應(yīng)用前景[1-3]。

三體船主體的L/B大約在12～18之間，側(cè)體排水量則不超過主體排水量的10%。

側(cè)體布置對阻力性能影響的試驗(yàn)研究是國內(nèi)外對三體船性能研究的一個(gè)重點(diǎn)[4-8]。

三體船型的最大優(yōu)勢體現(xiàn)在高速性上，因此目前投入使用的三體船，其Fr多超過0.6。例如，由澳大利亞Austal造船廠建造的Benchijigua Express客/貨滾裝三體渡船，其Fr數(shù)達(dá)0.62；美國海軍瀕海戰(zhàn)斗艦(LCS-2)“獨(dú)立”號(hào)，海試中全速航行時(shí)Fr達(dá)0.70。因此，對處于半滑行狀態(tài)的，特別是Fr=0.6～1.0的三體船型的阻力研究具有重要意義。

為了進(jìn)一步研究側(cè)體布局對三體船阻力性能的影響，探究前三體船船型在Fr=0.6～1.0的半滑行狀態(tài)的阻力性能優(yōu)劣，本文選擇兩艘線型互不相同，且均與文獻(xiàn)[9]試驗(yàn)船模線型不同的高速三體船模型，制定不同的側(cè)體位置方案，進(jìn)行靜水阻力試驗(yàn)研究。

1 船模試驗(yàn)

1.1 模型設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)兩艘三體船模型，分別簡稱為模型A、B，主要船型參數(shù)見表1。

表1 三體船模型的主要船型參數(shù)

模型A、B均為方艉、圓舭型，左右側(cè)體相對主體的中縱剖面對稱布置。模型A側(cè)體排水量占主體排水量的6.2%，為對稱線型。而模型B仿照美國海軍瀕海戰(zhàn)斗艦“獨(dú)立”號(hào)設(shè)計(jì)，其側(cè)體吃水非常小，為非對稱線型。其橫剖面形狀示意見圖1。

圖1 三體船模型A、B橫剖面示意

1.2 方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)的主要目的是探究三體船的阻力特征，尤其是側(cè)體位置對阻力性能的影響，而主體與側(cè)體之間的相互位置關(guān)系有多種。選取直角坐標(biāo)系見圖2。

圖2 三體船模坐標(biāo)系示意

坐標(biāo)原點(diǎn)O為主體中縱剖面、中橫剖面與設(shè)計(jì)水線面的交點(diǎn)，X軸沿船長方向并且指向船艏為正，Y軸沿船寬方向并且指向左舷為正。側(cè)體中心線與主體中心線間的橫向距離用b表示，b始終為正值；側(cè)體船舯與主體船舯的縱向距離用a表示，當(dāng)側(cè)體船舯在主體船舯之前時(shí)，a為正值，當(dāng)側(cè)體船舯在主體船舯之后時(shí)，a為負(fù)值。

對于模型A，選擇3個(gè)側(cè)體橫向位置和3個(gè)側(cè)體縱向位置。對于船模B，保持橫向位置不變，選擇兩個(gè)縱向位置。具體方案見表2。

表2 三體船模型試驗(yàn)方案

三體船靜水阻力模型試驗(yàn)在大連理工大學(xué)船模拖曳水池中進(jìn)行，該水池長160 m，寬7 m，水深3.7 m。試驗(yàn)時(shí)水溫為15 ℃。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 數(shù)據(jù)處理方法

試驗(yàn)得到三體船模型以不同速度在靜水中航行所受總阻力Rt。將總阻力Rt劃分為摩擦阻力Rf和剩余阻力Rr兩部分。

由于三體船主體和側(cè)體設(shè)計(jì)水線長度相差較大，因此雷諾數(shù)相差較大，所以在計(jì)算時(shí)應(yīng)分別計(jì)算主體和側(cè)體的雷諾數(shù)及摩擦阻力系數(shù)，進(jìn)而計(jì)算整體的摩擦阻力系數(shù)和總摩擦阻力。

三體船的濕表面積S為

S=Scnt+2Sout

(1)

式中：Scnt——主體濕表面積；

Sout——單個(gè)側(cè)體濕表面積。

雷諾數(shù)Re分別按式(2)、 (3)計(jì)算。

(2)

(3)

式中：V——船模航速，m/s；

v——水的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，m2/s，

取v=1.139×10-6m2/s；

Recnt、LWcnt——主體的雷諾數(shù)和水線長度；

Reout、LWout——單個(gè)側(cè)體雷諾數(shù)和水線長度。

根據(jù)1957ITTC公式計(jì)算摩擦阻力系數(shù)

(4)

(5)

于是，三體船整體的摩擦阻力系數(shù)為

(6)

式中：Cfcnt——主體的摩擦阻力系數(shù)；

Cfout——單個(gè)側(cè)體摩擦阻力系數(shù)。

那么，摩擦阻力Rf即為

(7)

式中：ρ——水的密度，kg/m3，取ρ=999 kg/m3。

剩余阻力Rr為

Rr=Rt-Rf

(8)

便可得到剩余阻力系數(shù)Cr

(9)

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

由于各構(gòu)型的摩擦阻力均相等，所以依靠剩余阻力的大小來判斷三體船總阻力性能。經(jīng)過換算得到各型三體船剩余阻力系數(shù)隨Fr變化。

2.2.1 模型A

為便于分析，將各型剩余阻力系數(shù)曲線分組，分別討論側(cè)體橫向位置、縱向位置對剩余阻力的影響。

圖3分別給出了：側(cè)體縱向位于a=750 mm(舯前)、a=0 mm(船舯)、a=-1 300 mm(舯后)時(shí)，側(cè)體與主體之間橫向距離變化，對剩余阻力系數(shù)的影響。對圖3進(jìn)行如下分析。

1)總體趨勢上來說，在側(cè)體縱向位置相同的前提下，側(cè)體與主體之間橫向距離較大的構(gòu)型剩余阻力更小，尤其是在高速段更是如此。

2)由圖3c)可見，a=-1 300 mm(舯后)時(shí)，各構(gòu)型的剩余阻力受橫向位置影響起伏波動(dòng)較大，在Fr>0.6區(qū)間，側(cè)體與主體之間橫向距離居中的構(gòu)型的剩余阻力反而更高，這是因?yàn)?，在高速段主體興波對側(cè)體直接作用引起噴濺、附加興波噴濺現(xiàn)象，橫向距離居中時(shí)側(cè)體受主體興波的影響更大，噴濺現(xiàn)象更嚴(yán)重。對比發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)中觀察到的噴濺現(xiàn)象與上述結(jié)論相符，見圖4。

圖3 模型A不同橫向位置剩余阻力系數(shù)曲線

圖4 試驗(yàn)噴濺現(xiàn)象圖片

圖5分別給出了側(cè)體橫向位于b=550 mm(窄)、b=690 mm(中)、b=830 mm(寬)時(shí)，側(cè)體縱向位置變化，對剩余阻力系數(shù)的影響。對圖5進(jìn)行如下分析。

圖5 模型A不同縱向位置剩余阻力曲線

1)在高弗勞德數(shù)區(qū)域，側(cè)體相對于主體的縱向位置越靠前，阻力性能越好。原因是側(cè)體位于主體舯后時(shí)，噴濺現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致剩余阻力增加嚴(yán)重，這一現(xiàn)象在試驗(yàn)過程中也能清楚地看到，見圖4。驗(yàn)證了前三體船型在高速段阻力性能更好這一結(jié)論。

2)橫向位置越遠(yuǎn)離主體，側(cè)體縱向位于a=750 mm(舯前)的構(gòu)型其阻力性能優(yōu)于另外兩種構(gòu)型的弗勞德數(shù)區(qū)域越大。即b=550 mm(窄)時(shí)，在Fr>0.67區(qū)域，側(cè)體位于a=750 mm(舯前)的阻力性能最優(yōu)，見圖5a)；b=690 mm(中)時(shí)，這個(gè)區(qū)域擴(kuò)大到Fr>0.57，見圖5b)；b=830 mm(寬)時(shí)，這個(gè)區(qū)域則進(jìn)一步擴(kuò)大到Fr>0.52，見圖5c)。因此，對于側(cè)體a=750 mm(舯前)的構(gòu)型，側(cè)體與主體的橫向距離越大其阻力性能越好。

3)在Fr<0.51區(qū)間，側(cè)體縱向位于a=-1 300 mm(舯后)的構(gòu)型的阻力性能明顯優(yōu)于側(cè)體位于a=0 mm(船舯)和a=750 mm(舯前)。側(cè)體與主體之間橫向距離越小，縱向位于a=-1 300 mm(舯后)的構(gòu)型優(yōu)于另外兩種構(gòu)型的弗勞德數(shù)區(qū)域越大。

2.2.2 模型B

為了進(jìn)一步驗(yàn)證前面的觀點(diǎn)，以美國海軍瀕海戰(zhàn)斗艦(LCS-2)“獨(dú)立”號(hào)為母型設(shè)計(jì)三體船模型B，進(jìn)行阻力試驗(yàn)來對比側(cè)體縱向位置對三體船阻力性能的影響。模型B特點(diǎn)是吃水非常小，與模型A在線型和吃水上明顯不同。為了節(jié)省試驗(yàn)費(fèi)用，只選取兩種方案進(jìn)行試驗(yàn)，即側(cè)體橫向位置b=450 mm相同，縱向位于a=-1 070 mm(舯后)和a=430 mm(舯前)。

三體船模型B的剩余阻力系數(shù)隨Fr變化曲線見圖6。其Fr變化范圍為0.39～1.05。

由圖6可見，在0.39

圖6 模型B不同縱向位置剩余阻力曲線

在0.39

因此，當(dāng)Fr>0.61時(shí)，選擇側(cè)體位于主體舯前的構(gòu)型能夠獲得更好的阻力性能，進(jìn)一步驗(yàn)證了“前三體船”概念。

3 結(jié)論

1)縱向位置相同時(shí)，側(cè)體距主體橫向距離較大的三體船構(gòu)型剩余阻力更小，除了側(cè)體縱向位于主體舯后且Fr>0.6時(shí)，側(cè)體距主體橫向距離居中的三體船構(gòu)型，由于噴濺現(xiàn)象更嚴(yán)重等復(fù)雜因素，其剩余阻力更大。

2)側(cè)體縱向位置比側(cè)體橫向位置對三體船的阻力的影響更大。

3)側(cè)體縱向位于主體舯后的三體船構(gòu)型(后三體船型)，在Fr<0.6時(shí)具有較好的阻力性能，且側(cè)體和主體之間的橫向距離在適當(dāng)范圍內(nèi)以小為好。

4)側(cè)體縱向位于主體舯前的三體船構(gòu)型(前三體船型)，側(cè)體和主體之間的橫向距離在適當(dāng)范圍內(nèi)以大為好。前三體船型在Fr>0.6時(shí)具有較好的阻力性能，可以有效地避免噴濺現(xiàn)象。

[1] HAFEZ K, EL-KOT A R. Comparative analysis of the separation variation influence on the hydrodynamic performance of a high speed trimaran [J]. Journal of Marine Science and Application, 2011,10(4):377-393.

[2] 王 中,盧曉平,詹金林.高速三體船的水動(dòng)力學(xué)和船型研究新進(jìn)展[J].船舶力學(xué),2011,15(7):813-826.

[3] 姜宗玉,宗 智,賈敬蓓.迎浪狀態(tài)下三體船垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)參數(shù)[J].中國造船,2010,51(4):11-20.

[4] 周廣利,黃德波,鄧 銳,等.三體船阻力性能的模型系列試驗(yàn)研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào),2010,31(5):576-584.

[5] 何術(shù)龍,李百齊,程明道.三體船船型分析及興波干擾的模型試驗(yàn)研究[J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展,2006,21(1):122-129.

[6] 蔡新功,王 平,謝小敏.三體船方案優(yōu)化布局的阻力計(jì)算與試驗(yàn)研究[J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展,2007,22(2):202-207.

[7] 酈 云,盧曉平.高速三體船阻力性能研究[J].船舶力學(xué),2007,11(2):191-198.

[8] 賈敬蓓,宗 智,倪少玲.三體船模型試驗(yàn)阻力分析[J].船舶力學(xué),2009,13(4):527-532.

[9] 文逸彥，楊松林，陳 鵬，等.一種三體船快速性的研究方法[J].船海工程，2011(6)：106-108.