排水型三體船靜水阻力試驗(yàn)研究

排水型三體船靜水阻力試驗(yàn)研究

近年來，三艘排水快速船舶的類型引起了人們的關(guān)注。這種船型采用細(xì)長(zhǎng)船體為主體,主體舷外兩側(cè)各布置1個(gè)細(xì)長(zhǎng)小體,形成三體船。在上海交通大學(xué)拖曳水池進(jìn)行了系列三體船試驗(yàn),系統(tǒng)研究三體船的阻力特征,為今后三體船型的開發(fā)提供依據(jù)。(一)主體、側(cè)體模型三體船試驗(yàn)?zāi)Ｐ?包括主體和側(cè)體,均采用大長(zhǎng)寬比的圓舭船型,左右兩邊體形狀相同,均為對(duì)稱式線型。主體、側(cè)體模型橫剖面圖見圖1,模型的主尺度見表1,L為水線間長(zhǎng),B為設(shè)計(jì)水線寬,d為吃水高度,Δ為排水量。主體水線間長(zhǎng)為3.25m,該尺度的確定綜合考慮了拖曳水池的長(zhǎng)度和拖車速度的實(shí)際情況。側(cè)體尺度根據(jù)對(duì)穩(wěn)性的要求來確定。試驗(yàn)時(shí),主體和側(cè)體船模19站處分別安裝激流絲。(二)模型阻力的計(jì)算本次試驗(yàn)的主要目的是掌握三體船的阻力特征,尤其是側(cè)體位置對(duì)阻力的影響,因此在較大的范圍內(nèi)選擇側(cè)體橫向和縱向布置位置進(jìn)行阻力試驗(yàn)。側(cè)體的橫向、縱向位置分別由b、l表示(見圖2),b為主體和側(cè)體中縱剖面之間的距離,l為主體和側(cè)體中橫剖面之間的距離。根據(jù)理論計(jì)算的結(jié)果,有代表性地選擇了側(cè)體橫向、縱向布置位置各3個(gè),由此得到9個(gè)三體船模型阻力試驗(yàn)方案,見表2。另外,試驗(yàn)中還分別對(duì)主體和側(cè)體單獨(dú)進(jìn)行阻力試驗(yàn),以便了解主體和側(cè)體之間的阻力干擾情況。試驗(yàn)在上海交通大學(xué)船模試驗(yàn)池完成,見圖3。水池主要尺度為:長(zhǎng)110.0m,寬6.0m,深3.0m。(三)摩擦阻力系數(shù)三體船模型阻力采用Froude換算法,將總阻力Rt分為摩擦阻力Rf和剩余阻力Rr。由于主體和側(cè)體的船長(zhǎng)尺度相差較大,在計(jì)算三體船的摩擦阻力時(shí)應(yīng)分別計(jì)算主體和側(cè)體的雷諾數(shù)、摩擦阻力系數(shù)及摩擦阻力,主體和兩個(gè)側(cè)體摩擦阻力的總和即為三體船總的摩擦阻力。摩擦阻力系數(shù)采用ITTC-57公式計(jì)算。剩余阻力系數(shù)表示為Cr=Rr(1/2)ρStV2(1)Cr=Rr(1/2)ρStV2(1)式中:St=Sm+2Ss,Sm、Ss、St分別為主體、側(cè)體、三體船的濕表面積。為便于比較,將主體和側(cè)體單獨(dú)進(jìn)行的阻力試驗(yàn)結(jié)果用Froude換算法計(jì)算出剩余阻力系數(shù)Crm,Crs,并引入三體船“無干擾剩余阻力”系數(shù)CrNICrNI=(SrmSm+2CrsSs)/St(2)CrΝΙ=(SrmSm+2CrsSs)/St(2)主體和兩個(gè)側(cè)體各自阻力的總和即為三體船“無干擾阻力”RtNI。因此船體之間的干擾阻力為ΔR=Rt?RtNI(3)ΔR=Rt-RtΝΙ(3)并可用系數(shù)表示為ΔCr=Cr?CrNI(4)ΔCr=Cr-CrΝΙ(4)三體船模型試驗(yàn)結(jié)果得到的剩余阻力系數(shù)Cr和干擾阻力系數(shù)ΔCr見圖4、5。(四)試驗(yàn)結(jié)果分析(1)從試驗(yàn)結(jié)果看,沒有一種方案的阻力性能在全航速范圍內(nèi),都優(yōu)于其他方案。換言之,不同航速對(duì)應(yīng)的最小阻力方案大多不同。一般而言,在較高Fn數(shù)時(shí),側(cè)體布置在縱向靠后、橫向距中較小的位置時(shí)興波干擾較小。因此,為了在高航速時(shí)獲得較小的興波干擾,應(yīng)將側(cè)體橫向距中值適當(dāng)減小,并盡可能將側(cè)體布置在主體舯后位置。全部9個(gè)試驗(yàn)方案中,方案7的阻力性能最好。(2)由圖5可以明顯看出,發(fā)生有利干擾的方案較少,僅有方案7、8、9(l=0.981m的三個(gè)方案)在Fn數(shù)0.35～0.5區(qū)間出現(xiàn)有利干擾,其它航速時(shí)均為不利干擾。其它6種方案則完全未出現(xiàn)有利干擾。而有些方案,隨著航速的增加,甚至出現(xiàn)不利干擾加劇的情況,如方案1、6,試驗(yàn)中也觀察到,這兩個(gè)方案的波浪飛濺最為劇烈。從圖5可以看到,船體之間的不利干擾很明顯引起了三體船總阻力的增加。從表3可以看到,即便是干擾較小的方案7,高速時(shí)仍給三體船增加了3%以上的干擾阻力,干擾嚴(yán)重時(shí)(如方案1),阻力增加則在10%以上。低速時(shí)的有利干擾,對(duì)減小總阻力貢獻(xiàn)不大。本次試驗(yàn)說明,選擇合適的三體船側(cè)體布置方案,可以減小干擾帶來的阻力增加,但要實(shí)現(xiàn)有利干擾是困難的。(3)由圖5可見,干擾阻力系數(shù)ΔCr在Fn=0.4附近出現(xiàn)波谷,然后逐漸增加,說明隨著Fn的增加,干擾阻力也增大。不同的側(cè)體位置,ΔCr增加的趨勢(shì)有所不同。(4)從試驗(yàn)結(jié)果上看,隨著Fn增大,大多數(shù)試驗(yàn)方案的剩余阻力系數(shù)Cr經(jīng)過波峰區(qū)后逐漸減小,但有些方案的Cr值減小的趨勢(shì)較為平緩,在Fn>0.65時(shí)Cr又出現(xiàn)上升的趨勢(shì),如方案4、5、6。這種情況應(yīng)特別引起注意。由圖5可見,造成這種現(xiàn)象的主要是由于船體之間的波浪干擾隨Fn的增加而加劇。(5)三體船剩余阻力系數(shù)的波峰出現(xiàn)在Fn=0.5附近,波峰位置及剩余阻力曲線的變化趨勢(shì)與主體的基本一致。由于中間主體和側(cè)體的船長(zhǎng)相差較大,因此在三體船F(xiàn)n=0.32時(shí),側(cè)體的剩余阻力系數(shù)已達(dá)峰值,而主體的則還處于上升期,Fn=0.48時(shí),主體的剩余阻力處于峰值,而側(cè)體則處于下降期。同時(shí),側(cè)體的作用畢竟是存在的,使得三體船剩余阻力系數(shù)曲線的波峰分布范圍較寬,出現(xiàn)一個(gè)寬而平坦的波峰區(qū)。(6)試驗(yàn)中觀察到,主體和側(cè)體之間的散波干擾較為明顯。在主體和側(cè)體之間的狹窄水域內(nèi)主體和側(cè)體興起的水波多次反射、疊加,因此這部分區(qū)域內(nèi)的船波相當(dāng)復(fù)雜。出現(xiàn)有利干擾時(shí),三體船周圍的波浪較為平靜,主體和側(cè)體之間的波浪也不大;而出現(xiàn)不利干擾時(shí),主體和側(cè)體之間浪花較大,濺起的浪花甚至飛進(jìn)模型中。(7)從表3可以看到,三體船的阻力成分中,摩擦阻力所占比重較大,在68.6～80.5%之間,這一比例遠(yuǎn)高于常規(guī)船型。低速時(shí),摩擦阻力為總阻力的主要部分;隨著航速的增加,剩余阻力進(jìn)入波峰區(qū),剩余阻力的比重逐漸增加;航速繼續(xù)增加后,剩余阻力系數(shù)跨過波峰區(qū),逐漸減小,使得摩擦阻力的比重又逐漸上升。總的來說,三體船阻力成分中,摩擦阻力始終占據(jù)較大的比重,其根本的原因一方面在于大長(zhǎng)寬比的細(xì)長(zhǎng)船體使得船體濕表面積較大,另一方面,三體船剩余阻力較小,使得摩擦阻力在總阻力中的比重相對(duì)提高。(8)從表3可以看到,一個(gè)側(cè)體阻力RS占無干擾總阻力RNI的8.8～11.0%,船體之間的干擾又增加了全船總阻力,而從表1可知,一個(gè)側(cè)體僅提供3%的排水量。因此僅從阻力角度上看,側(cè)體的設(shè)置對(duì)快速性是不利的。(五)體船模型阻力的計(jì)算為了了解三體船的阻力性能水平,本文選擇阻力性能較好的排水型單體船和雙體船,按排水量相等的原則分別與三體船進(jìn)行比較。因此將三體船模型阻力分別換算為相應(yīng)排水量的實(shí)船,然后進(jìn)行有效功率的比較。三體船型取性能不同的兩個(gè)方案1、7,使比較更具一般性。兩個(gè)試驗(yàn)方案得到的剩余阻力系數(shù)結(jié)果見表4。換算時(shí)取粗糙度補(bǔ)償系數(shù)為0.4×10-3。(1)體船有效功率計(jì)算所選單體船長(zhǎng)寬比為8,是一艘大長(zhǎng)寬比的高速艇,阻力性能優(yōu)良。根據(jù)該艇的排水量,三體船模型換算為實(shí)船的縮尺比為32.6,計(jì)算出三體船的有效功率見圖6。計(jì)算結(jié)果表明,在航速25～30kn時(shí),方案1、7對(duì)應(yīng)的三體船實(shí)船有效功率分別比單體船低14%、22%。(2)主船有效功率計(jì)算結(jié)果選作對(duì)比的雙體船“飛翼輪”阻力性能優(yōu)秀,按其排水量將三體船模型換算為實(shí)船,縮尺比為13.81,計(jì)算出三體船的有效功率見圖7。由計(jì)算結(jié)果可知,在航速22～26kn時(shí),方案1、7對(duì)應(yīng)的三體實(shí)船有效功率分別比雙體船低9%、17%。從圖6、7可以看到,同阻力性能較好的單體船、雙體船相比,由方案7換算得到的三體船型具有明顯的優(yōu)勢(shì),方案1稍遜。本次試驗(yàn)所用的線型,尚未進(jìn)行優(yōu)化,可見三體船快速性方面的優(yōu)勢(shì)還有繼續(xù)挖掘的潛力。(六)興波干擾及速度值(1)試驗(yàn)結(jié)果表明,三體船側(cè)體的縱、橫布置位置對(duì)阻力有一定的影響。合適地選擇側(cè)體布置方案,可以減小興波干擾。(2)從試驗(yàn)結(jié)果看,在較高Froude數(shù)時(shí),側(cè)體縱向靠后、橫向靠中的布