高性能船-小水線面雙體船

1、高性能船舶水動力學(xué)高性能船舶水動力學(xué) 2 綜述 SWATH的快速性 SWATH船型與性能的關(guān)系 SWATH的船型優(yōu)化與改進 隱身船型 第四章第四章 小水線面雙體船小水線面雙體船 3 一、綜一、綜 述述 4 需需 求求 中小排水量下 大幅提高耐波性 5 小水線面雙體船小水線面雙體船 Small Water-Plane-Area Twin Hull 6 1880年年 蘭德堡蘭德堡(C.G.Lundburg)以其首次提出單體半以其首次提出單體半 潛船概念獲專利潛船概念獲專利 1938年年 柯立德柯立德(Frederick G.Creed)加拿大人向英國海加拿大人向英國海 軍部提出小水線面雙體航空母艦

2、的設(shè)想，幾軍部提出小水線面雙體航空母艦的設(shè)想，幾 年后，被允許轉(zhuǎn)交給美國海軍，但他們都未年后，被允許轉(zhuǎn)交給美國海軍，但他們都未 注意這一新概念。注意這一新概念。 小水線面雙體船發(fā)展簡史小水線面雙體船發(fā)展簡史 7 1968年年 麻雀理工學(xué)院學(xué)生提出將麻雀理工學(xué)院學(xué)生提出將“莫霍莫霍”平臺發(fā)展為平臺發(fā)展為 流線型的改進型設(shè)計方案，并開展了模型試驗，流線型的改進型設(shè)計方案，并開展了模型試驗， 被稱為半潛雙體船被稱為半潛雙體船(SSC)。 小水線面雙體船發(fā)展簡史小水線面雙體船發(fā)展簡史 8 197 2年年 美海軍水下中心的工美海軍水下中心的工 程師們在經(jīng)過程師們在經(jīng)過18個月個月 的研究和約的研究和約3

3、0個月的個月的 設(shè)計和船模驗證試驗，設(shè)計和船模驗證試驗， 1972年年6月開工建造月開工建造 190噸級噸級“卡瑪利諾卡瑪利諾” 號小水線面雙體靶場號小水線面雙體靶場 保障船，終于在保障船，終于在1973 年年3月下水，月下水，10月開月開 始試航，隨后經(jīng)過始試航，隨后經(jīng)過20 個月個月238個航次的全個航次的全 面科研考核性試驗，面科研考核性試驗， 既證實了優(yōu)秀的耐波既證實了優(yōu)秀的耐波 性，又積累了大量實性，又積累了大量實 測數(shù)據(jù)，為今后小水測數(shù)據(jù)，為今后小水 線面雙體船發(fā)展打下線面雙體船發(fā)展打下 技術(shù)基礎(chǔ)，并成為世技術(shù)基礎(chǔ)，并成為世 界上首艘實用小水線界上首艘實用小水線 面海洋工作船，至今

4、面海洋工作船，至今 仍在出色的營運。仍在出色的營運。 小水線面雙體船發(fā)展簡史小水線面雙體船發(fā)展簡史 9 198 0年年 70年代末日本運輸省年代末日本運輸省 考慮新建一艘高性能考慮新建一艘高性能 海上測量船，要求高海上測量船，要求高 耐波性、高適居性、耐波性、高適居性、 高操縱性、寬敞的甲高操縱性、寬敞的甲 板面積及艙容等。三板面積及艙容等。三 井工程與造船公司，井工程與造船公司， 推薦小水線面雙體船推薦小水線面雙體船 型獲準，并以鋼鋁混型獲準，并以鋼鋁混 合結(jié)構(gòu)方案中選，合結(jié)構(gòu)方案中選， 1980年年12月建成月建成“輕輕 騎騎”號小水線面雙體號小水線面雙體 水文觀測船。水文觀測船。1981

5、年年 三菱造船公司也建造三菱造船公司也建造l 艘基本同型的艘基本同型的“大鳥大鳥” 號水文觀測船，分別號水文觀測船，分別 服務(wù)于日本沿海。服務(wù)于日本沿海。 小水線面雙體船發(fā)展簡史小水線面雙體船發(fā)展簡史 10 199 1年年 “勝利勝利”級小水線面級小水線面 雙體水聲監(jiān)聽井戒船，雙體水聲監(jiān)聽井戒船， 從從1986年起設(shè)計建造，年起設(shè)計建造， 1991年建成，由美海年建成，由美海 軍組織開發(fā)。該船長軍組織開發(fā)。該船長 71.5米，排水量約米，排水量約 3396噸，是共建噸，是共建4艘艘 中的首制船，交付給中的首制船，交付給 美軍事海上運輸司令美軍事海上運輸司令 部。在部。在1991-92年冬季年冬

6、季 北大西洋和北太平洋北大西洋和北太平洋 試航中證明在有義波試航中證明在有義波 高高5.4米時可米時可100%正正 常作業(yè)而同級單體船常作業(yè)而同級單體船 只能只能10%。6級海況級海況 時最大橫搖角時最大橫搖角(單幅單幅) 小于小于5.8，最大縱搖，最大縱搖 角角(單幅單幅)小于小于3。 小水線面雙體船發(fā)展簡史小水線面雙體船發(fā)展簡史 11 199 4年年 美國海軍委托海事應(yīng)美國海軍委托海事應(yīng) 用物理公司開始研制用物理公司開始研制 單支柱單下體帶可控單支柱單下體帶可控 水翼的小水線面試驗水翼的小水線面試驗 艇艇搜尋搜尋(QUEST)號，號， 1995年進入海上試驗，年進入海上試驗， 1996-1

7、997年在大西洋年在大西洋 做擴大鑒定試驗，該做擴大鑒定試驗，該 艇為鋁質(zhì)，實測浮航艇為鋁質(zhì)，實測浮航 排水量排水量12.2噸，最大噸，最大 航速航速35節(jié)，在節(jié)，在4級海級海 況下有很好適航性，況下有很好適航性， 5級海況級海況(浪高浪高2.44米米) 時，仍能保持時，仍能保持30節(jié)以節(jié)以 上航速。美國海軍旨上航速。美國海軍旨 在探索小水線面船高在探索小水線面船高 速化的新途徑。為此，速化的新途徑。為此， 該公司已于該公司已于1999年末年末 推出推出800噸級噸級45節(jié)和節(jié)和 300噸級噸級36節(jié)兩種軍、節(jié)兩種軍、 民用艇的設(shè)計方案。民用艇的設(shè)計方案。 小水線面雙體船發(fā)展簡史小水線面雙體船

8、發(fā)展簡史 12 1998 年年 美國洛克希德美國洛克希德馬丁馬丁 公司在美海軍投資公司在美海軍投資 領(lǐng)導(dǎo)下，開發(fā)出領(lǐng)導(dǎo)下，開發(fā)出 “斯菜司斯菜司”號號 （SLICE)小水線面小水線面 四體多功能試驗艇，四體多功能試驗艇， 確保艇速在確保艇速在5級海況級海況 下，任意航向仍達下，任意航向仍達 到到30節(jié)，比設(shè)計最節(jié)，比設(shè)計最 高航速高航速31節(jié)，最多節(jié)，最多 降低降低l節(jié)，開創(chuàng)了高節(jié)，開創(chuàng)了高 速高適航小水線面速高適航小水線面 船的新路。船的新路。 小水線面雙體船發(fā)展簡史小水線面雙體船發(fā)展簡史 13 幾種幾種SWATHSWATH的主要尺度與性能的主要尺度與性能 14 Silver Cloud S

9、WATHSilver Cloud SWATH 15 PRINSES MAXIMAPRINSES MAXIMA渡船渡船 船船 型型 37米旅客米旅客/ 腳踏車小腳踏車小 水線面雙水線面雙 體渡船體渡船 37m Passenger / Bicycle Swath Ferry 設(shè)設(shè) 計計 單單 位位 NGA公公 司司 Nigel Gee and Associates Ltd 16 Sea_SLICESea_SLICE 17 SWATHSWATH主要優(yōu)點主要優(yōu)點 在高航速時，靜水阻力性能和波浪中阻力性能好 推進效率高 耐波性能好，能在惡劣的海況下平穩(wěn)的航行 具有寬廣的甲板面積和充裕而規(guī)整的使用空間，有

10、利于總體布置 航向穩(wěn)定性好，低速時，船的回轉(zhuǎn)性較好 建造成本低，建造周期短 靜穩(wěn)性好，具有較強的生存能 18 SWATHSWATH主要缺點主要缺點 濕面積大，摩擦阻力較大 船體結(jié)構(gòu)重量比相同排水量的單體船要大 SWATH的吃水和船寬要大于相當(dāng)排水量的單體船 保證在較高航速時的縱向運動的穩(wěn)定性比較困難 高速回轉(zhuǎn)半徑較大 對小型SWAIH主機布置比較困難 舾裝、輔機設(shè)備數(shù)量較多，要求高，重量大 19 船型的優(yōu)勢在于其優(yōu)異的耐 波性、寬闊的甲板面積和充裕的 使用空間；其不足之處也許是它 的船體結(jié)構(gòu)強度、設(shè)備復(fù)雜而重 量較大，以及由此而導(dǎo)致的一系 列問題。 20 1、雙體問題 阻力-興波干擾、阻塞效應(yīng)

11、 耐波性-螺旋運動（橫搖與縱搖的耦合） 2、片體的細長(或窄長)性所引起的問題 容易利用線性興波理論計算 粘性阻尼與興波阻尼相當(dāng) 3、縱向運動穩(wěn)定性問題 4、橫向波浪誘導(dǎo)載荷問題 SWATHSWATH性能特點性能特點 21 二、二、SWATHSWATH的快速性的快速性 22 1 1中、高速時阻力性能較優(yōu)中、高速時阻力性能較優(yōu) 23 在波浪中的失速較單體小得多在波浪中的失速較單體小得多 24 SWATH片體的下部主體是比較規(guī)則的細長體，在其尾 部槳盤處的伴流既均勻又比較豐滿，有助于船身效率的 提高； 與單體船相比，SWATH的螺旋槳直徑選取時所受的限 制較少，在設(shè)計時可選用敞水效率較高的大直徑低

12、轉(zhuǎn)速 螺旋槳方案。 推進效率高推進效率高 SWATH在快速性方面的另一個優(yōu)點是其推進效在快速性方面的另一個優(yōu)點是其推進效 率要比單體船高出率要比單體船高出10一一45o其原因有二：其原因有二： 25 三、三、SWATHSWATH的船型的船型 與性能的關(guān)系與性能的關(guān)系 26 RT=RW+RV+RAPP+RAW 式中：RW興波阻力 RV 粘壓阻力 RAPP 附體阻力 RAW 波浪中航行時的波浪曾阻 1 1、SWATHSWATH的阻力性能的阻力性能 27 RW=RWB+RWS+2RWBS 式中:RWB主體自身興波阻力； RWS支柱自身興波阻力； RWBS主體與支柱之間的干擾阻力 興波阻力理論公式興波

13、阻力理論公式 28 采用薄船理論 支柱興波阻力支柱興波阻力 29 采用細長體理論 主體興波阻力主體興波阻力 式中，式中，Ax(x)Ax(x)代表下部主體部分的橫剖面面積曲線縱向坡度代表下部主體部分的橫剖面面積曲線縱向坡度 h hB B為主體軸線的浸沉。為主體軸線的浸沉。 30 主體與支柱間興波干擾阻力主體與支柱間興波干擾阻力 31 船型對興波阻力影響船型對興波阻力影響 32 33 長徑比長徑比L LB BD D對興波阻力的影響對興波阻力的影響 34 兩種兩種SWATHSWATH興波阻力分解興波阻力分解 單支柱SWATH的興波阻力曲線單支柱SWATH的興波阻力曲線 35 單體與單體與SWATHS

14、WATH耐波性的比較耐波性的比較 橫搖角(度)橫搖角(度)垂向加速度(g) 36 三艘三艘SWATHSWATH縱向運動之比較縱向運動之比較 SWATHIV與SWATH6A相比，首斜浪時升沉峰值減少11.8，縱搖峰值減少14.7 ；正橫浪時，升沉峰值減少34.4%,縱搖峰值減少35.5%。 船船 型型 LSLBLSt SWSW ATAT H-H- 6A6A 0.0. 7 7 1 1 8 8 2 2 3.3. 8 8 5 5 SWSW ATAT H-H- IVIV 0.78828.34 Fr=0.5 37 (1)設(shè)置鰭有利于提高SWATH的耐波性，尤其是有利于 減小艇的運動幅度。加鰭后使諧振區(qū)的L

15、增大，自然 頻率下降。 (2)鰭的縱向位置對SWATH的耐波性影響不大。 (3)鰭尺度對SWATH縱向運動的影響較大。 (4)艏鰭和艉鰭聯(lián)合使用比單獨使用更有利于改善 SWATH的耐波性 (5)固定鰭對縱向運動影響很大，但對橫向運動幅值的減 少甚微 鰭對耐波性的影響鰭對耐波性的影響 38 鰭及其位置對鰭及其位置對SWATHSWATH縱向運動的影響縱向運動的影響 39 艉鰭尺度對艉鰭尺度對SWATHSWATH縱向運動的影響縱向運動的影響 1 1、為、為1.21.2倍；倍；2 2、為、為1.01.0倍；倍；3 3、為、為0.80.8倍；倍；4 4、為、為0.60.6倍；倍；5 5、為、為0.40.4倍；倍；6 6、為無鰭、為無鰭 40 艏、艏、 艉鰭艉鰭 的聯(lián)的聯(lián) 合作合作 用用 對對 SWASWA THTH縱縱 向運向運 動的動的 影響影響 1、無鰭、無鰭 2、艏艉鰭、艏艉鰭 3、僅艉鰭、僅艉鰭 4、僅艏鰭、僅艏鰭 41 鰭對鰭對SWATHSWATH橫向運動的影響橫向運動的影響 1 1