片體形式對WPCat快速性和耐波性的影響

朱巍巍，李 艷

（1. 上海華潤大東船務(wù)工程有限公司，上海 202155；2. 南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院船舶與海洋工程系，南通 226010）

0 引 言

WPCat是高速雙體船（HSCat）的一個(gè)重要發(fā)展分支，在保持HSCat基本特征的同時(shí)吸收了小水線面雙體船（SWATH）的“小水線面”的特征，是HSCat與SWATH的混合船型。這種船型由澳大利亞InCat公司于1983年率先開發(fā)[1]。隨后，世界各國相繼對這種船型進(jìn)行了開發(fā)研究，并逐步應(yīng)用于民用、軍用領(lǐng)域，在船舶市場中所占比例迅速上升。該船型的性能優(yōu)勢主要表現(xiàn)為：瘦長及大間距布置的片體使其阻力性能在低速時(shí)優(yōu)于單體深V船型，高速時(shí)優(yōu)于常規(guī)圓舭型HSCat和SWATH；相對HSCat明顯減小的水線面面積，結(jié)合尖削的穿浪艏，使得波浪中的恢復(fù)力和力矩減小，從而緩和了波浪中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)；橫穩(wěn)性大，抗風(fēng)能力強(qiáng)，易于滿足破損穩(wěn)性規(guī)范的要求；操縱性亦優(yōu)于HSCat，其航向穩(wěn)定性、回轉(zhuǎn)性和制動(dòng)性能均較好。上述性能優(yōu)勢主要取決于WPCat的所采用的特殊片體形式，而片體的橫剖面線型又是影響其性能的關(guān)鍵因素。本文就不同剖面形狀的片體，附加考慮球鼻艏對快速性、耐波性的影響，做了多方案的計(jì)算比較。具體為5種片體形式：不對稱型、深V型、圓舭型、深V球艏型、圓舭球艏型。

1 片體形式的設(shè)計(jì)

根據(jù)服務(wù)航速的不同，雙體船的片體一般可選用圓舭型和尖舭型兩大類，而穿浪船型也有采用不對稱型片體的[2]；此外，考慮到球鼻艏可能對阻力性能產(chǎn)生的影響，計(jì)算中相應(yīng)增加了附帶球鼻艏的片體方案。

1) 不對稱型。不對稱片體對于其自身的中心是非對稱的，可以用單體船沿縱中剖面剖開分成兩個(gè)片體。得到的直壁一般置于內(nèi)側(cè)，并適當(dāng)傾斜，一來便于實(shí)現(xiàn)與主船體的光順連接，二來可以減少片體間的興波干擾；

2) 深V型。一種典型的尖舭型片體，其橫剖面形狀從艏至艉呈“V”型，舭部有折角，橫剖面的底部有斜升角且較大。這種片體的耐波性、穩(wěn)性較優(yōu)越，但低海情時(shí)阻力性能較常圓舭型片體差，這與其濕面積相對較大有關(guān)；

3) 圓舭型。圓舭型片體相當(dāng)于常規(guī)圓舭型船的演變，只是瘦長度系數(shù)比常規(guī)圓舭型船大得多，一般ψ=8～10，且舭部升高較大；

4) 深“V”球艏型。借鑒超細(xì)長雙體船（SSTH）在其片體前端加設(shè)球鼻艏以降低興波阻力的成功經(jīng)驗(yàn)，在深V型片體上做了同樣的嘗試，得到這種片體形式；

5) 圓舭球艏型。和深V球艏型片體相似，在圓舭片體的基礎(chǔ)上加設(shè)球鼻形成這種片體形式。

為便于比較計(jì)算結(jié)果，在相同主尺度、排水量及相近船型系數(shù)的前提下，針對上述5種片體形式進(jìn)行型線設(shè)計(jì)和模型建立，主要技術(shù)參數(shù)見表1，各片體型線如圖1～5所示。

表1 片體主要技術(shù)參數(shù)

圖1 不對稱型

圖2 深V型

圖3 圓舭型

圖4 深V球艏型

圖5 圓舭球艏型

2 靜水阻力計(jì)算

針對5種片體模型，分別進(jìn)行單片體靜水阻力計(jì)算，片體吃水2.70m，航速范圍30～40kn，計(jì)算結(jié)果比較見圖6。

可以看出，僅就靜水阻力而言，圓舭型片體最優(yōu)，深V型其次，不對稱型最差。這種計(jì)算結(jié)果是合理的：深V型片體剖面較尖瘦，導(dǎo)致濕面積增大，這是其靜水阻力性能劣于圓舭型片體的主要原因；不對稱片體會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的橫向繞流，從而阻力相應(yīng)增加。對于附加球艏的情況，沒有達(dá)到預(yù)期的減阻效果，這與計(jì)算航速范圍內(nèi)的阻力成分有關(guān)，對減小興波作用不明顯。但總的來說，不同片體間的阻力性能差異不大，設(shè)計(jì)時(shí)可以從耐波性能和推進(jìn)要求進(jìn)行考慮。

圖6 靜水阻力計(jì)算結(jié)果比較

3 耐波性計(jì)算

計(jì)算模型描述為：選用ITTC2海浪譜，有義波高H1/3，斜橫浪135°，風(fēng)速12.8m/s[3,4]。航速35kn，片體中心距均取為19m。由于片體形式對船體橫、縱向慣性半徑和重心高的影響很小，因此可設(shè)置相同的參數(shù)：重心高 7.5m，縱向慣性半徑為 17%船長，橫向慣性半徑為55%船寬。

計(jì)算結(jié)果分別從5種片體的波浪增阻、橫搖角及縱搖角、橫搖速度及縱搖速度、橫搖加速度及縱搖加速度和垂蕩速度及加速度等5個(gè)方面予以綜合比較，如圖7～11所示。

圖7 波浪增阻比較

圖8 橫搖/縱搖角度比較

圖9 橫搖/縱搖速度比較

圖10 橫搖/縱搖加速度比較

圖11 垂蕩速度/加速度比較

圖7～11給出了5種片體形式的耐波性能計(jì)算結(jié)果，比較分析后可以看出：

1) 深V型片體的波浪增阻最小，即風(fēng)浪快速性最佳。這是由于在Fr>0.5時(shí)，剩余阻力系數(shù)Cr迅速下降，阻力性能有了一定的改善；

2) 不考慮球艏影響的前提下，深 V型的橫搖角和橫搖加速度最小，這與其舭部的折角線及其剖面形狀有關(guān)，V型剖面增加了片體的橫搖阻尼；

3) 縱搖性能以不對稱片體最好，深V次之；

4) 垂向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)明顯大于橫向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，這與片體的瘦長度系數(shù)偏大有關(guān)，若考慮設(shè)計(jì)防艏沉浮力艙，垂向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)將會(huì)受到抑制；

5) 球艏對于改善耐波性能沒有發(fā)揮作用。

4 結(jié) 語

采用模糊評判法[5]綜合分析比較5種片體方案的靜水阻力及耐波性能的計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)采用深V型片體雖然靜水阻力性能略劣于圓舭型片體，但其波浪增阻最小，而且耐波性能也有明顯優(yōu)勢，因此更適合風(fēng)浪航行，可以充分發(fā)揮WPCat船型的性能優(yōu)勢。后續(xù)的工作可以在此基礎(chǔ)上圍繞優(yōu)化穿浪艏及片體艉部線型展開，并輔以模型試驗(yàn)的驗(yàn)證。

[1] 李百齊. 21世紀(jì)海洋高性能船[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2001.

[2] 盧曉平，黃 衍. 穿浪雙體船興波阻力研究[J]. 船舶，1999.(4).

[3] 管義鋒，姚震球，方智勇. 大型高速穿浪船性能分析[J]. 華東船舶工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2004,18 (1): 1-4.

[4] 吳偉良. 臺灣海峽高速客船船型探討[J]. 船舶，2003.(2).

[5] 徐昌文. 模糊數(shù)學(xué)在船舶工程中的應(yīng)用[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1992.