滑行艇噴濺區(qū)面積及駐點位置變化的模型試驗研究

王志東，凌 杰，吳 娜，凌宏杰，高 雷

(1.江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003)(2.中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫214082)

相對于常規(guī)排水型船舶，高速滑行艇的流體動力是一個具有強(qiáng)非線性特性的復(fù)雜問題，高速滑行艇航行過程中伴隨出現(xiàn)的噴濺現(xiàn)象，其噴濺區(qū)幾何特征的描述、流場特性與流態(tài)轉(zhuǎn)變的分析方法、噴濺阻力的計算等進(jìn)一步增加了滑行艇流體動力載荷計算及噴濺機(jī)理分析的復(fù)雜性［1－5］.

文獻(xiàn)［6］中探討了高速滑行艇模型阻力試驗及運(yùn)動姿態(tài)測量的尺度效應(yīng)，指出模型尺度對滑行艇須狀噴濺的發(fā)生位置、尾封板的壓阻力、濕表面積以及艇體底部的壓力分布等均產(chǎn)生重要影響.文獻(xiàn)［7］中提出了一種定量計算高速滑行艇須狀噴濺阻力的方法，并將其描述為底部斜升角、縱傾角及航速的函數(shù)，預(yù)報結(jié)果表明:須狀噴濺阻力約占總阻力的15%，與美國的戴維遜水池模型試驗值相吻合.文獻(xiàn)［8］中研究了槽道設(shè)計對滑行艇艇底壓力和阻力的影響，通過Fluent模擬計算和試驗論證，得出開槽有利于降低阻力;空間壓力分布顯示在噴濺駐線處出現(xiàn)壓力峰值.文獻(xiàn)［9］中通過Fluent軟件對滑行艇自航模式下的噴濺特性進(jìn)行數(shù)值預(yù)報，結(jié)果表明:當(dāng)重心lg=35.1%L(船長)時，噴濺面積隨著航速增大而增大;而當(dāng)重心lg=38.1%L時，噴濺面積隨著航速增加先增大后減小.

文中以棱柱型滑行艇為研究對象，基于模型試驗方法，對滑行艇高速滑行狀態(tài)下噴濺區(qū)面積及駐點特征進(jìn)行了研究，為后續(xù)噴濺阻力的模型試驗分析及數(shù)值計算結(jié)果的驗證提供依據(jù).

1 試驗?zāi)Ｐ团c方案

1.1 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

美國戴維遜水池研究滑行艇噴濺阻力采用的是棱柱型模型［7］，由于該模型受到的水動力更容易分解為壓力和摩擦力兩部分，有利于求解噴濺阻力，因此文中試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計為棱柱型，其中橫向斜升角為20°.模型材料采用有機(jī)玻璃，透明的底部有利于高速照相機(jī)捕捉噴濺區(qū).表1為模型主尺度，圖1為滑行艇模型三視圖及實體圖.

表1 模型主尺度Table 1 Main dimensions of planning craft

圖1 滑行艇模型Fig.1 Model of the planning craft

1.2 試驗設(shè)備及試驗工況

模型試驗在中船重工集團(tuán)第702研究所減壓拖曳水池實驗室進(jìn)行，水池長150 m，寬7 m，水深4.5 m，拖車最大速度7 m/s.滑行艇受到的阻力、升力及力矩由三分力天平測量，利用單劍機(jī)構(gòu)調(diào)整初始縱傾角，底部布置的壓力傳感器測量滑行狀態(tài)下的底部壓力，3臺高速攝像機(jī)捕捉噴濺區(qū)形狀及駐點位置，其中2臺在船模上側(cè)前后布置，另有1臺布置在船中右側(cè)，用于拍攝舷側(cè)水流情況，如圖2所示.

圖2 模型試驗系統(tǒng)Fig.2 Model test system

試驗選取4組不同初始縱傾角τ=1.5°，2.2°，3.0°，5.0°，每個縱傾角取2 個尾吃水，分別為:τ=1.5°時尾吃水d=37.3，27.3;τ=2.2°時d=58.0，38.0mm;τ=3.0°時d=58.0，48.0 mm;τ =5.0°時d=73.0，53.0mm，每個吃水下的試驗速度分別為1，2，3，4，5m/s共計40種工況.試驗工況如表2所示.

表2 棱柱型滑行艇噴濺特性模型試驗工況表Table 2 Test conditions of the prismatic planning model

2 試驗結(jié)果分析

2.1 滑行艇噴濺區(qū)形狀和面積變化特征

滑行艇在高速滑行狀態(tài)下，在駐點線前存在向兩舷外側(cè)噴射的、由很小的水滴組成的水流束，稱為須狀噴濺，如圖3所示.須狀噴濺將增加艇底浸濕面積，從而對摩擦阻力產(chǎn)生影響.第18屆國際船模試驗水池會議(ITTC)中指出，滑行艇在滑行階段的裸艇體總阻力Rth為:

式中:Rspf為由須狀噴濺面積所引起的摩擦阻力［10］;Rf為艇體滑行面引起的摩擦阻力.

圖3 滑行艇須狀噴濺區(qū)域示意Fig.3 Whisker spray of planning craft

圖4為C1工況下航速為5 m/s(體積傅汝德數(shù)Fr2=4.12)時高速攝像機(jī)拍攝的照片，圖中用圈標(biāo)出的為噴濺區(qū).從圖中可以看出:水流沿駐點向上攀爬，并向舷側(cè)方向噴射而出，形成須狀噴濺區(qū).

圖4 C1(τ =3.0°，dA=-58.0mm)時速度 V=5m/s的拍攝照片F(xiàn)ig.4 Photo of condition C1(τ=3.0°，dA=-58.0mm)at V=5m/s

圖5，6分別為C1和D1工況下滑行艇噴濺區(qū)域的形狀，可以看出，縱傾角和航速對噴濺形狀的影響非常顯著，同一縱傾角下，隨著航速的增大，噴濺區(qū)域范圍增加.

圖 5 C1(τ =3.0°，dA=-58.0mm)時噴濺區(qū)形狀Fig.5 Shape of spray zone at condition C1(τ =3.0°，dA=-58.0mm)

圖 6 D1(τ =5.0°，dA=-73.0mm)時噴濺區(qū)形狀Fig.6 Shape of spray zone at condition D1(τ =5.0°，dA=-73.0mm)

根據(jù)高速攝像機(jī)拍攝的照片，考慮對稱性，滑行艇噴濺面積為:

式中:s為滑行艇噴濺區(qū)的投影面面積;β為橫向斜升角;τ為縱傾角.

表3為所有工況的噴濺區(qū)面積的分析計算結(jié)果，在相同縱傾角和吃水下，噴濺面積隨著航速的增加而增加;同一縱傾角相同速度下，噴濺面積隨著吃水增加而增大;不同縱傾角和吃水下，噴濺面積也不相同.由此看出滑行艇噴濺面積是一個關(guān)于縱傾角、吃水及航速的函數(shù).

表3 滑行艇噴濺區(qū)面積Table 3 Spray area of planning craft

圖7，8為噴濺面積和噴濺面積與滑行面面積之比隨Fr2變化曲線.可以看出，隨著Fr2的增加，噴濺區(qū)面積Ss與滑行面面積Sh比值也隨之增加;當(dāng)Fr2＞4.0時，滑行艇處于高速滑行狀態(tài)，噴濺面積占滑行面面積的比值為30% ～45%.表明航速增大，噴濺面積占整個滑行面面積的比值增加，增加了艇底浸濕面積，增大了摩擦阻力，從而對滑行艇的總阻力產(chǎn)生影響.因此，滑行艇噴濺區(qū)產(chǎn)生的浸濕面積在阻力計算中是必須考慮的.圖8中B2工況的數(shù)值突增，是由于滑行艇滑行過程的強(qiáng)非線性特性造成的.

圖7 噴濺面積隨Fr2變化曲線Fig.7 Curve of spray area vs Fr2

圖8 噴濺面積與滑行面面積之比隨Fr2變化曲線Fig.8 Curve of the ratio of spray area and surfacearea vs Fr2

2.2 滑行艇駐點位置的變化特征

滑行艇駐點沿龍骨線方向上的移動距離:

式中:x為駐點投影下的橫向坐標(biāo);x0為靜止時龍骨線接觸水面點投影下的橫向坐標(biāo)值;τ為縱傾角.則駐點移動距離Δx占船長L之比為:

滑行艇駐點位置對噴濺區(qū)形狀及面積產(chǎn)生重要的影響，從圖5，6可以看出，隨著航速的增加駐點位置明顯向船尾移動.圖9為駐點移動距離Δx占船長之比隨Fr2變化曲線.當(dāng)Fr2＜1.0時，此時滑行艇處于排水狀態(tài)，噴濺現(xiàn)象不明顯，所以駐點移動位置基本都小于0.05m，不足船長的3.57%;航速逐漸增加時，駐點位置向船尾移動顯著，且移動距離增加，當(dāng)Fr2＞4.0時，滑行艇處于高速滑行狀態(tài)，駐點移動距離基本超過0.1m，部分工況甚至接近0.2m，占船長的7.14% ～14.28%.其中A1工況的數(shù)值突增，由于滑行艇的強(qiáng)非線性特性，在航行過程中產(chǎn)生流動分流對船的穩(wěn)定性造成影響，尚需作進(jìn)一步的分析研究.

圖9 駐點移動距離與船長之比隨Fr2變化曲線Fig.9 Curve of the ratio of stagnation point moving distance and the captain vs Fr2

3 結(jié)論

高速滑行艇在航行過程中伴隨出現(xiàn)強(qiáng)烈的噴濺現(xiàn)象，其噴濺區(qū)受航速、縱傾角、吃水和橫向斜升角的影響，對噴濺阻力及總阻力產(chǎn)生重要影響.通過拖曳水池模型試驗，對棱柱型滑行艇在高速滑行狀態(tài)下噴濺面積及駐點位置變化特征進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:

1)須狀噴濺區(qū)的水流沿駐點向上攀爬，向舷側(cè)方向噴射而出，形成了須狀噴濺.

2)當(dāng)滑行艇的縱傾角和吃水相同時，噴濺面積隨航速增加而增加;縱傾角和航速相同時，噴濺面積隨吃水增加而增大;不同縱傾角和吃水，噴濺面積也不相同，表明滑行艇噴濺面積是一個關(guān)于縱傾角、吃水及航速的函數(shù).當(dāng)Fr2＞4.0時，噴濺面積占滑行面面積的比值為30%～45%.

3)同一工況下，駐點位置隨著航速的增加向船尾移動顯著.當(dāng)Fr2＞4.0時，駐點移動距離占船長之比為7.14%～14.28%.

Refenerces)

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