深v型艇線型方案的阻力試驗研究

深v型艇線型方案的阻力試驗研究

高速和抗波性能是影響海軍艦艇性能的重要因素。傳統(tǒng)的單體船注重追求高速行駛，船型通常以圓形船舶為主。近年來，世界各國海軍陸戰(zhàn)隊越來越重視提高船架的綜合航行性能，尤其是對風浪性能提出了更高的要求。由于良好的抗波性，深v船型可以作為一個整體使用，以滿足這一要求。根據理論研究和模型試驗，相同大小和排水量的深v船型在低速范圍內的靜水阻力略高于傳統(tǒng)的圓形船舶型，并且在高速范圍內的阻力性能非常接近。然而，在惡劣的海環(huán)境中，v型船的運行速度非常小，具有相當大的抗彎性和較好的抗波性。其抗波性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的圓形船舶型，但深v型結構簡單，建造成本和技術可靠性與一般單號相同。深度v型船作為一種優(yōu)良的抗波性輸出船型，引起了各國的關注。特別是在20世紀80年代以來，先進國家的研究機構積極開發(fā)和開發(fā)出了深度v型船，并尋求了減少靜水阻力的方法，成為該船型開發(fā)的一個重要方面。球鼻艏對于常規(guī)中低速船型和高速船型的作用機理有所不同,鑒于深V船型靜水阻力一般高于園舭型,故優(yōu)化深V船型的阻力性能是重要的研究內容.本研究的目的是探討對于小型深V船艇安裝球鼻艏的減阻效果.本文是該研究的試驗分析部分,通過對一艘600t級高速深V型艇的4個船型方案(包括母型和優(yōu)化船型)進行模型拖曳阻力試驗,在對試驗結果進行對比分析的基礎上,重點研究了船首形狀改變對該深V船型阻力性能的影響,同時對該船型優(yōu)化方法進行了驗證.1船型方案的確定本研究中針對該艇的相關要求設計了4種深V線型,分別為DV-1B、DV-2B、DV-3和DV-4B,旨在研究船艏部形狀改變對其靜水阻力的影響.這4種線型方案在船舶主尺度、排水量、甲板以及艙室面積方面均滿足相關要求,船型差別僅限于艏部,而舯、后體的型線則完全相同,其橫剖面及首尾輪廓參見圖1.該研究中的母型本身是經過優(yōu)化設計的一種阻力與耐波性能較優(yōu)良的深V船型,本研究中做了再次優(yōu)化,優(yōu)化過程中特別是對其船艏部分進行控制,分別形成無球鼻、有球鼻和有較大球鼻的3種優(yōu)化方案,目的是在保持深V船型的優(yōu)良耐波性能時,力圖改善其靜水阻力性能.船型優(yōu)化基于興波阻力理論,采用了非線性規(guī)劃方法,以計入表面積影響的興波阻力為目標函數,用水線長和曲率等為構成懲罰手段,抑制常見的優(yōu)化過程中的畸變,進行有約束優(yōu)化.所述線型方案中:前兩位字母“DV”代表深V線型;數字“1～4”代表線型方案編號;字母“B”則代表球鼻.線型方案DV-1B為母型,其艏部帶有水滴型球鼻,具體參見圖1(a);DV-3是應用理論優(yōu)化方法,對母型進行船前體水線以下部分艏部優(yōu)化,并結合人工修改,抑制艏部形狀,使之成為一個無球鼻的深V船型,為一對比參考船型,參見圖1(c);V-2B是應用上述船型優(yōu)化方法并放松約束,對母型進行優(yōu)化形成相對較大的球鼻艏,介于水滴型與撞角型之間,進而得到的優(yōu)化線型,參見圖1(b);DV-4B為同樣應用上述的船型優(yōu)化方法,對型線母型進行優(yōu)化,對其艏部形狀加以約束,并選擇比DV-2B略小的水滴形球鼻,從而形成的一個優(yōu)化線型,參見圖1(d).2確定模型方案根據該船型方案加工制作的船模如圖2所示,其中,4張圖片中的模型分別對應上述4種線型方案.4個船模保持了船長、船寬以及排水體積相等,模型的主尺度參見表1.其中,L為設計水線長,B為設計水線寬,d為設計吃水,Δ為排水量,CB為方形系數.該尺度的確定綜合考慮了拖曳水池的長度和拖車速度等實際情況,試驗時,在船模19站處安裝有直徑1mm的激流絲.因4個方案僅設計水線以下艏部存在差別,而設計水線以上及舯、后體型線則完全相同,考慮到模型加工的周期與經濟性,故模型制作采用可換艏方案,即只加工了一個主船體(包括水線以上及中后體部分)和4個船艏(首部設計水線以下部分),當進行某一線型方案的模型試驗時,只需將該方案的首部分段與主船體分段組合在一起,且保證分段間光順連接即可;模型濕表面積參見表2.各線型方案的球鼻參數見表3.表3中,lb/L為相對突出長度,是球鼻前端至首垂線距離與設計水線之比;hb/d為相對浸深,是球鼻最寬處至水面高度與船舶吃水之比;Bb/B為最大寬度比,是球鼻最大寬度與船寬之比;Ab/A為球鼻面積比,是球鼻最大橫截面積與船舶中橫剖面積之比;δ/▽為相對排水體積比,是球鼻排水體積與船舶排水體積之比.本深V艇的模型試驗在哈爾濱工程大學拖曳水池完成.該水池的主要參數如下:池長108m,池寬7m,水深3.5m.試驗測量裝置使用四自由度適航儀.試驗中,船模的縱、橫蕩,橫搖以及搖首運動受到約束,而縱搖與升沉運動是自由的,拖點設在模型的重心處,并采用尾導向桿方式,參見圖3、4.為便于對試驗結果的比較,4個模型采用相同的排水量,航次間隔嚴格保證等水時間,以消除水面余波對試驗結果的影響.3船模阻力及初始浸漬面積模型阻力換算采用Froude方法,即:將總阻力Rt分為摩擦阻力Rf和剩余阻力Rr.模型的總阻力系數:Ctm=Rtm/(0.5ρmV2mSm).Ctm=Rtm/(0.5ρmVm2Sm).式中:Rtm為船模阻力,Sm為船模浸濕面積;下標m代表模型,S代表實船,以下同.剩余阻力系數:Cr=Ctm-Cfm.實船總阻力系數:CtS=CfS+Cr+ΔCf.其中,Cfm和CfS分別為船模與實船的摩擦阻力系數,按照ITTC-1957公式計算.ΔCf為粗糙度補貼系數:ΔCf=0.4×10-3.實船在相應速度下的總阻力:RtS=CtS?(0.5ρsV2sSs).RtS=CtS?(0.5ρsVs2Ss).實船有效功率:Pe=RtSVS/735.4船模阻力分析為了直觀反映各線型方案的阻力情況,分別將幾個典型航速下的實船有效功率和剩余阻力系數進行對比,參見表4、5.從實船有效功率曲線圖5及表4可見:與DV-1B(母型)相比:具有較大球鼻艏的優(yōu)化船型DV-2B在20～28kn附近有效功率有所降低,當Vs=24kn時,有效功率降低約2.6%,而在航速大于28kn和小于20kn時則有所增加;優(yōu)化船型DV-4B在低速時的有效功率略高于母型,而當航速高于20kn時,尤其是在高速情況下,其有效功率明顯降低,具體來看,在Vs=24kn時,有效功率降低約2.5%,在Vs=32kn時,有效功率降低則約3.0%.而對于無球鼻的優(yōu)化船型DV-3,其有效功率在整個航速范圍內與母型船大體相當,且在低速段略高,隨著航速的提高逐漸低于母型船.就3個優(yōu)化船型對比來看,在低速段(航速小于16kn),DV-3的有效功率最小,DV-4B略高,DV-2B較大;而在中高速段(航速大于16kn),DV-4B的有效功率下降迅速,成為優(yōu)化船型中的較小者,DV-2B在航速20～26kn附近有效功率與DV-4B相當,且小于無球鼻的DV-3,隨著航速的進一步提高,其有效功率增加迅速,甚至超過了DV-3.原因分析如下:在較低航速段,摩擦阻力占船舶總阻力的主要成分,裝置球鼻則會使船體的濕表面積增大,故無球鼻的船型DV-3有效功率相對較小;隨著航速的提高,以興波阻力為主體的剩余阻力在船舶總阻力中的比重上升,球鼻首興波與主船體興波之間若形成有利干擾,可降低波能損失,會使船舶的剩余阻力和總阻力下降;若球鼻設計不恰當,會使艦船的阻力性能變壞.從剩余阻力系數曲線圖6及表5可見:Fn=0.367(Vs=18kn)是一個轉折點,當Fn<0.367(Vs<18kn)時,優(yōu)化船型DV-3、DV-4B的剩余阻力系數與DV-1B(母型)大體相當,并略偏大些,而具有較大球鼻的優(yōu)化船型DV-2B則明顯偏大,且在Fn=0.244附近出現(xiàn)一個峰值;在Fn>0.367(Vs>18kn)時,各船型的剩余阻力系數迅速增大,并在Fn=0.530(Vs=26kn)附近出現(xiàn)峰值,隨后逐漸減小;在Fn>0.367的情況下,DV-3的剩余阻力系數始終與DV-1B(母型)相差不大,而DV-4B與DV-1B(母型)相比則有明顯的降低,DV-2B在0.367<Fn<0.570的剩余阻力系數與DV-1B(母型)相比有明顯降低,甚至與DV-4B相當,而當Fn>0.570(Vs>28kn)時,又出現(xiàn)了較明顯的增大趨勢.通過試驗觀察發(fā)現(xiàn),高速時船模球鼻產生了較大的動升力,造成DV-2B船模的浮態(tài)有較大改變,進而使興波阻力增加.為了對船型優(yōu)化結果進行檢驗,在模型試驗之前還對船模阻力進行了理論預報,對DV-1B理論預報與試驗結果的比較參見圖7.由船模阻力的預報和試驗結果對比可見,當船模速度Vm<3m/s(Fn<0.570)時兩者符合良好;當Vm>3m/s時則存在一定的的偏差,其他幾個船型方案亦有類似現(xiàn)象.分析原因,應是在高速時船模艏部產生飛濺所引起,本研究的理論預報方法中未計及飛濺阻力成分.5球鼻的減阻效果1)通過對幾個600噸級深V艇船型方案的模型試驗研究可知,船首形狀是影響船首波的重要因素,改變、優(yōu)化船首形狀可有效減少首波能量損失,進而改善船舶的阻力性能.2)合理地在深V船型首部增加球鼻,可使其興波阻力有所降低,而球鼻本身以及球鼻與船體之間過渡的不光順會造成其形狀阻力增加,同時球鼻又會使船體濕表面積增大,進而造成摩擦阻力增加,故安裝球鼻總的效果取決于興波阻力降低的程度與形狀阻力和摩擦阻力增加的程度.換句話說,對深V船型安裝恰當的球鼻艏,可收到減阻效果.3)本次應用非線性規(guī)劃方法進行理論優(yōu)化得到的2個線型方案(DV-2B、DV-4B),與母型方案(DV-1B)相比均收到了一定的減阻效果.尤其是DV-4B,在整個中高速段的有效功率都比母型方案有明顯的降低;線型方案DV-2B雖然在低速段的有效功率有所增加,但其在中速段(18<Vs<28kn)的阻力還是有較明顯的減小,這也是該艇常用的航速段.4)盡管本次優(yōu)化的收效不是很大,但考慮到母型方