不同附體對穿浪雙體船阻力和耐波性影響研究

楊　帥，謝　偉，許　晟

(中國船舶研究設(shè)計中心，湖北武漢430064)

不同附體對穿浪雙體船阻力和耐波性影響研究

楊帥，謝偉，許晟

(中國船舶研究設(shè)計中心，湖北武漢430064)

摘要:為了評估目前國際上穿浪雙體船航行控制系統(tǒng)常采用的控制面即不同附體對穿浪雙體船阻力和耐波性的影響，對某穿浪雙體船進行不同附體阻力和耐波性模型試驗研究。通過在穿浪雙體船尾部安裝水平尾板、垂直尾板或鰭，首部安裝倒T型翼3種不同組合附體形式，進行靜水阻力和規(guī)則波耐波性試驗。試驗結(jié)果表明:不同附體組合均可以不同程度減小船體阻力和船舶運動，其中垂直尾板與倒T型翼組合減阻效果最佳，鰭與倒T型翼減小船舶運動效果最明顯。

關(guān)鍵詞:穿浪雙體船;航行控制系統(tǒng);附體;阻力;耐波性

The effect of the different appadage on WPC resistance and seakeeping

YANG Shuai，XIE Wei，XU Sheng
(China Ship Development and Design Centre，Wuhan 430064，China)

Abstract:The paper give us the resistance and seakeeping test result of WPC with different appadage in order to estimate their effects．The appadage is installed on the bow fore and aft，and fore is the T-foil，aft is the one pair of flaps，trimtab and fins．Then the resistance and seakeeping test carry on the three kinds of compages．The paper gives the result:the WPC resistance and motion are minished with the different appadage，among these the trimtab and T-foil are best for resistance，the fin and T-foil are best for seakeeping．

Key words:WPC; RCS; appadage; resistance;seakeeping

0　引言

穿浪雙體船自20世紀誕生以來，由于其具有高速、優(yōu)良的耐波性、穩(wěn)性好、舒適、吃水淺、甲板寬敞和回轉(zhuǎn)性能好等高水平的綜合航海性能，以及建造工藝簡單、使用成本低和技術(shù)風險小的特點，在民用領(lǐng)域的各類高速客船、高速滾裝船，軍事領(lǐng)域的各類高速隱身攻擊艇、護衛(wèi)艦、戰(zhàn)區(qū)支援艦等［1］得到很好的推廣和應(yīng)用，成為在諸類高性能船中發(fā)展最快的一種船型。

我國在20世紀末開始跟蹤國外技術(shù)，開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的穿浪雙體船并在本世紀初先后成功研制了“海峽”號、“海巡106”和“東遠01”三型穿浪雙體船［2］。通過實船航行試驗發(fā)現(xiàn)，穿浪雙體船雖然快速性和寬敞的布置的確值得推崇，可是遭遇與船長相近波長的波浪時，耐波性能仍有待提高。

通過與國外同類型船對比發(fā)現(xiàn)，國外在20世紀90年代后期建造的穿浪雙體船在應(yīng)用過程中都無一例外配備了航行控制系統(tǒng)［3－4］。研究和實踐說明，隨著穿浪雙體船的大型化，增大片體尺度，可以改善耐波性的程度。但更有效的方法是采用航行自動控制系統(tǒng)［5］，更好地改善各類尺度穿浪浪雙體船的耐波性能，例如AMD350穿浪雙體船在片體上加裝了前后水翼的航行自動控制系統(tǒng)后，舒適性得到顯著提高，完全消除了乘客的不舒適感。以AMD專利技術(shù)在日本建造的100 m穿浪雙體船在首部安裝了自控首鰭、尾部安裝了自控擾流板，取得了很好的

應(yīng)用效果［6－7］; Incat公司在租用給美國的HSV戰(zhàn)斗支援艦上，為更好體現(xiàn)穿浪雙體船快速跨區(qū)域支援的能力，使運載人員到達目的地后能以很好的狀態(tài)開展行動，均都加裝了自動航行控制系統(tǒng)，使較高海況下的縱搖、橫搖和深沉降低了60%。

然而，由于穿浪雙體船行控制系統(tǒng)屬于當前國際上高性能船發(fā)展、推廣應(yīng)用的一個較新、活躍的高性能設(shè)備，國外有關(guān)這方面的公開文獻較少，更缺乏航行控制系統(tǒng)控制面對船體本身影響研究公開。國內(nèi)則尚無此類設(shè)備，雖有有關(guān)學者開展航行控制系統(tǒng)理論研究，但都集中在其運動預(yù)報［8］方面，如侯國祥等［9］通過切片理論對穿浪雙體船運動預(yù)報的研究，但目前還缺少不同附體控制面對穿浪雙體船阻力和耐波性影響研究。

對于穿浪雙體船在航行控制系統(tǒng)下的水動力性能和耐波性的研究，鑒于理論計算和數(shù)值計算方法尚未成熟，模型試驗仍然是必不可少的手段之一［10］。本文將以某穿浪雙體船為研究對象，對其加裝不同附體組合在同一狀態(tài)下的阻力和耐波性能進行研究，以掌握不同附體組合的優(yōu)缺點，為后面航行控制系統(tǒng)控制面選取提供參考。

1　試驗?zāi)Ｐ图案襟w方案

某穿浪雙體船的橫剖面形狀如圖1所示，主尺度如表1所示。該穿浪雙體船片體線型為折角線型，根據(jù)片體和中間體線型以及所研究排水量的吃水狀況，設(shè)計3種不同的附體組合形式，即首部T型翼+水平尾板、首部T型翼+垂直尾板和首部T型翼+鰭，具體組合和尺寸見表2。

圖1　穿浪雙體船的橫剖面圖Fig.1　Transversal section of the WPC hull model

表1　穿浪雙體船模型主尺度Tab.1 Main dimension of the WPC hull model

表2　附體形式及尺度Tab.2 Dimension and type of the WPC appadages

2　試驗?zāi)康募胺桨?/h2>

本試驗通過在穿浪雙體船上分別安裝不同的附體，對同一排水量、航速和吃水狀態(tài)進行靜水阻力試驗和規(guī)則波耐波性，測量其船模阻力、航行縱傾角和升沉以及規(guī)則波下的升沉、縱搖以及首、中、尾加速度，并將數(shù)據(jù)換算實船后對數(shù)據(jù)進行分析，得到不同附體對阻力和耐波性的影響，為后續(xù)航行控制系統(tǒng)控制面選擇提供參考。

試驗方案須綜合考慮各種影響因素，以能單獨評估每個附體的影響為目的。在所采用的4種附體中，按照以往常規(guī)經(jīng)驗來看，水平尾板減阻的效果應(yīng)用研究較多，但缺少相關(guān)耐波性影響公開文獻，故本試驗方案對尾板進行單獨試驗，其他附體的影響均以水平尾板為基礎(chǔ)進行對比分析，不同附體的初始位置均通過阻力試驗根據(jù)阻力的最佳狀態(tài)所選取，這樣最終對比試驗方案如表3所示。

表3　穿浪雙體船船模試驗方案Tab.3 Testing program of the WPC model with appadages

3　試驗結(jié)果分析

3.1不同附體阻力對比試驗結(jié)果

試驗中，不同附體試驗都是在同一吃水狀態(tài)下進行，通過測定同一工況下船體加裝不同附體后的阻力、航行姿態(tài)角和升沉，并將其結(jié)果換算到實船阻力，試驗航速從傅氏數(shù)0.54～0.99。圖2是不同狀態(tài)船體阻力對比圖，圖中R為實船阻力; Fr為長

度傅汝德數(shù)。表4是帶附體后不同狀態(tài)S2～S5下與光體阻力比值。

圖2　不同狀態(tài)下的實船阻力Fig.2　The resistances of the model ship on different state

表4　不同附體狀態(tài)下阻力與光體阻力比值Tab.4　The contract between different state with appadageand bare hull

通過阻力試驗，由圖2和表4數(shù)據(jù)分析，可得到不同附體對穿浪雙體船阻力的影響:

1)從S2與S1兩個狀態(tài)阻力情況來看，水平尾板在整個試驗段具有明顯的減阻效果，且航速越高效果越明顯，最高可達減阻9%。

2) S3是在S2狀態(tài)基礎(chǔ)上增加首部T型水翼，從試驗結(jié)果可以看到，增加T型水翼，船體阻力明顯增加，增加幅值為4%～8%，隨著航速加大增幅減小，這與水翼的特性一致。就整個附體組合(T型翼和水平尾板)而言，由于水平尾板減阻效果明顯，傅氏數(shù)在0.8以后，整個控制面的阻力是較裸船體小，因此采用此種組合作為控制面的航行控制系統(tǒng)，當設(shè)計速度超過傅氏數(shù)0.8后，不僅不會降低靜水中穿浪雙體船的快速性，而且可提高航速。

3)從S4狀態(tài)試驗將水平尾板換為垂直尾板(又名繞流板)，不難發(fā)現(xiàn)垂直尾板與水平尾板相比具有更好的減阻效果，其減阻效果在整個速度段比水平尾板均有所增加。采用垂直尾板和T型翼作為控制面的航行控制系統(tǒng)，在設(shè)計速度達到傅氏數(shù)0.4以上后就不會影響船舶快速性，同樣也可以提高航速。

4)從S5狀態(tài)試驗結(jié)果來看，鰭對靜水阻力影響最大。通過S1，S2，S3和S5試驗對比分析，可得本艇若單獨加裝尾部鰭，在傅氏數(shù)0.5以下，鰭會增加船體阻力，在達到0.5后有一定的減阻作用。從上面3種組合比較可知，鰭和T型翼作為控制面組合形式對快速性影響最大，在整個航速段阻力均增加。

3.2不同附體耐波性對比試驗結(jié)果

為了進行不同附體對耐波性影響，從耐波性角度對不同形式進行優(yōu)選，對表3中的狀態(tài)進行規(guī)則波耐波性試驗，然后進行實船的耐波性預(yù)報。表5是其同一海況、航速下耐波性預(yù)報結(jié)果。

通過表5中耐波性數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析，可得到不同附體對穿浪雙體船阻力的影響:

1)從S2耐波性試驗結(jié)果，水平尾板對本艇而言可減小縱搖、垂蕩以及加速度有義值在10%以上，提高耐波性效果明顯，同時水平尾板安裝簡便，由此可見水平尾板是一種高效的節(jié)能減阻、提高艇體舒適性有效措施;

2) T型水翼具有明顯的改善耐波性效果，增加T型翼后，試驗艇的運動又減小了約15%。故在采用T型水翼和水平尾板組合附體后，可達到降低裸船體運動約25%;

3)尾部垂直尾板可以減小船舶運動約8%，同樣具有改善耐波性效果。鰭則可以在尾板的基礎(chǔ)上再減小16%，尾部3種附體中減搖效果最佳。

4)不同的附體組合中，T型水翼和鰭的改善耐波性效果最優(yōu)，可見從改善耐波性角度出發(fā)，鰭的效果最佳。

4　結(jié)語

通過進行穿浪雙體船的阻力和耐波性特性模型

試驗研究，得到如下結(jié)論:

1)水平尾板不僅具有明顯的減阻效果，可提高穿浪雙體船快速性，而且還具有明顯的改善耐波性效果，而以往水平尾板的改善耐波性效果關(guān)注不多。

2)尾部3種附體中，水平尾板、垂直尾板和鰭都具有減阻和改善耐波性作用。垂直尾板與倒T型翼組合減阻效果最佳，改善耐波性效果稍差;鰭的改善耐波性效果最佳，但阻力性能稍差;水平尾板與倒T型翼組合綜合效果最佳。

3)高速段，尾部3種形式附體均具有減阻作用，因此若當航行控制系統(tǒng)首部的T型翼采用可回收式時，尾部3種控制面均可選，但究竟選哪種，可以依據(jù)船舶行駛海域海況以及快速性需求進行任意選擇。

4)不同附體組合均可以不同程度減小船體阻力和船舶運動，其中，鰭與倒T型翼減小船舶運動效果最明顯。

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作者簡介:楊帥(1979－)，女，博士研究生，高級工程師，主要從事船舶總體性能研究設(shè)計。

基金項目:工信部高技術(shù)船舶專項工程基金資助項目

收稿日期:2015－01－12;修回日期: 2015－03－11

文章編號:1672－7649(2015) 07－0020－04doi:10.3404/j.issn.1672－7649.2015.07.005

中圖分類號:U661．31

文獻標識碼:A