翼滑艇水動(dòng)力特性實(shí)驗(yàn)研究

1、翼滑艇水動(dòng)力特性實(shí)驗(yàn)研究陳淑玲，楊松林（江蘇科技大學(xué)，船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇，鎮(zhèn)江，212003）摘要：本文選擇具有淺V滑行面及T型水翼11.8m翼滑艇進(jìn)行船模實(shí)驗(yàn)研究。選擇兩個(gè)不同的初始安裝角(-1.5º及0º)，分別進(jìn)行拖曳實(shí)驗(yàn)，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合分析比較，得到了該型翼滑艇阻力性能的有關(guān)結(jié)果、縱傾狀態(tài)隨航速的變化情況以及不同水翼安裝角對阻力性能的影響。實(shí)驗(yàn)表明該船型在高速階段阻力性能優(yōu)于尺度相近的滑行艇，水翼設(shè)計(jì)符合要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可應(yīng)用于實(shí)船的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：翼滑艇；阻力；拖曳實(shí)驗(yàn)中圖分類號(hào)：U661.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A0 引 言翼滑艇又稱單水翼滑行艇，是水翼艇與滑行艇

2、相結(jié)合的產(chǎn)物，可廣泛應(yīng)用于內(nèi)河、湖泊、港灣等風(fēng)浪較小的水域1。前蘇聯(lián)曾經(jīng)開展過一型單水翼滑行艇的研究并制造出實(shí)船進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該型快艇在海洋中適航性能較差，就沒有繼續(xù)進(jìn)行研究。中國擁有數(shù)量眾多的內(nèi)陸湖泊與河流，在這些區(qū)域中，風(fēng)浪較小，翼滑艇在快速性上表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢。與主尺度相近的滑行艇相比，翼滑艇在同等航速下阻力降低約5 15。在高性能船(HSV)研究領(lǐng)域，將不同船型進(jìn)行“雜交”，吸取其不同的特點(diǎn)從而產(chǎn)生新的船型，是一種研究創(chuàng)新的有效手段2。翼滑艇在航行狀態(tài)下，前部水翼承擔(dān)50 60艇重，后部滑行面承擔(dān)剩余部分，其航行狀態(tài)亦可看作滑行艇與水翼艇的結(jié)合。因此，在對翼滑艇進(jìn)行水動(dòng)力分析的時(shí)候，往

3、往將兩者特性結(jié)合起來研究。研究的手段有多種，主要分為理論手段與實(shí)驗(yàn)手段兩種。文獻(xiàn)3通過優(yōu)化的方法，對包括翼滑艇在內(nèi)的高速單體船進(jìn)行快速性、操縱性的綜合研究。實(shí)驗(yàn)方法的研究主要集中于滑行艇等方面，關(guān)于翼滑艇阻力性能的實(shí)驗(yàn)研究，尚未見到國內(nèi)相關(guān)報(bào)道。相比于傳統(tǒng)阻力性能實(shí)驗(yàn)，本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于： 在底部滑行面上設(shè)置壓力測量點(diǎn)，可以反饋滑行面壓力變化情況，以此作為改善滑行面型線設(shè)計(jì)的重要依據(jù)； 水翼角度的調(diào)節(jié)，利用杠桿結(jié)構(gòu)，具有方便性與可靠性雙重特點(diǎn)。文獻(xiàn)4利用長11.8 m滑行艇船體的1：8縮尺船模，進(jìn)行的一系列裸船體阻力試驗(yàn)中，在底部滑行面上布置大量能夠噴水的壓力噴頭，使底部壓力不同位置均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)壓

4、力。其目的在于使底部壓力均一便于與采用CFD(計(jì)算流體力學(xué))手段計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。文獻(xiàn)5就三維滑行平板展開了利用CFD進(jìn)行計(jì)算滑行面壓力的研究。沒有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。文獻(xiàn)6開展了滑行艇實(shí)船的實(shí)驗(yàn)研究，主要研究內(nèi)容為垂向運(yùn)動(dòng)速度及加速度，研究思路是從運(yùn)動(dòng)響應(yīng)角度分析滑行艇的水動(dòng)力性能，而沒有對影響其性能的具體水動(dòng)力因素進(jìn)行分析。對11.8m長具有T型水翼與淺V型滑行面翼滑艇開展了快速性實(shí)驗(yàn)研究，分別就水翼安裝角-1.5º與0º進(jìn)行拖曳阻力試驗(yàn)。所測量的數(shù)據(jù)包括，不同航速下的拖曳力、首尾導(dǎo)航桿處垂向位置的變化、艇底4個(gè)壓力測量點(diǎn)壓力變化情況，并且可以采用幾何的方法，利用首

5、尾導(dǎo)航桿處垂向位置的變化以及模型的型線圖，測量與計(jì)算出航行縱傾、船體下沉和船體浸濕面積。1 船模與拖曳布置1.1 模型主尺度文中所采用的船型是11.8 m翼滑艇的1:10縮尺模型(見圖1)。船模采用木夾芯玻璃纖維強(qiáng)化塑料制作。水翼采用鋁板磨制，其框架采用不銹鋼制作。在實(shí)驗(yàn)過程中，模型上甲板邊緣安裝有防止飛濺水的豎直擋板，高度為80mm。該擋板在實(shí)驗(yàn)中同時(shí)起到模擬上層建筑的作用。圖1 模型肋骨型線Fig.1 Rib lines of model艇體為淺V型滑行艇艇型。其主尺度為d=0.5 m，L =11.8 m，B=3.2 m，=11.46 t。水翼的幾何特性選取如下：水翼剖面為弓形，弦長b=5

6、00 mm，水翼展長L=3 900 mm，平均拱度C=0.06，浸深h= 0.5 m。水翼安裝縱向位置為距離船首20 船長處。由于翼滑艇對于壓載狀態(tài)十分敏感，因此首先對模型進(jìn)行排水量及重心縱向位置的測量。模型空重M0=6.2 kg，壓載為5.0 kg。重心縱向位置為距離尾封板445 mm。1.2 測量方式及其裝置需要測量的參數(shù)包括船模在相應(yīng)拖曳速度點(diǎn)下的阻力、對應(yīng)的首尾垂向位置以及4個(gè)壓力測量點(diǎn)的壓力數(shù)值。首尾垂向位置采用直線位移傳感器測量，其問距126 cm。主要通過三角函數(shù)等幾何方法計(jì)算縱傾以及重心垂向位置的變化。1.3 拖曳速度點(diǎn)的選取拖曳速度點(diǎn)的選擇，需要包含設(shè)計(jì)速度并適當(dāng)超越，需要體

7、現(xiàn)阻力曲線的變化情況一?？紤]到模型與實(shí)船之問的縮尺比為1:10，選擇如下：1) Vs=50 kmh與Vs =55 kmh，及在拖車最大拖曳速度取3個(gè)速度點(diǎn)；2)Fr=0.3與Fr=0.5分別取2個(gè)速度點(diǎn)；3)Fr=0.3與Fr=0.5之間取1個(gè)速度點(diǎn)，F(xiàn)r=0.5與V =55 kmh之間取1個(gè)速度點(diǎn)；其余速度點(diǎn)在Fr<0.3時(shí)取。根據(jù)Frs=Frm，計(jì)算出所需的拖曳速度，即所需要的9個(gè)速度點(diǎn)。利用傅汝德相似可以計(jì)算出，拖車的拖曳點(diǎn)如下：0.6，1.3，2.1，2.7，3.7，4.1，4.4，4.6，4.8；單位為ms。目前我國快艇船模實(shí)驗(yàn)均采用自由縱搖的拖曳方式。在翼滑艇拖曳阻力實(shí)驗(yàn)中也

8、采用這種方式。拖點(diǎn)位置選取在6號(hào)站(重心位置)。垂向位置為距離上甲板向下45 mm，記錄基線距離為55 mm。2 實(shí)驗(yàn)方案圖2為4個(gè)壓力測量點(diǎn)的位置。其中B點(diǎn)距離中軸線距離-60.0 mm(左舷)，C點(diǎn)距離中軸線距離150mm(左舷)，D點(diǎn)距離中軸線距離66.0 mm(右舷)。三者位于同一橫截面上。圖2 壓力測量點(diǎn)的分布Fig.2 Distribution of points for pressure measure采用U型排管測量4個(gè)點(diǎn)的壓力情況。壓力點(diǎn)采用金屬端口與外表面齊平，通過橡膠管與U型排管相連接。為了不影響壓力測量，U型排管布置在拖車升降桿上，位于模型正上方。橡膠管中段束縛于升降桿

9、，自身重力作用施加于模型方向的力因此可以忽略不計(jì)。由于拖車穩(wěn)定航行時(shí)間過短(510 S)，U型排管讀數(shù)采用拍攝法進(jìn)行記錄，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理階段再進(jìn)行判讀。水翼的安裝角(初始攻角)有2個(gè)，分別是-1.5º與0º。在早期的研究中曾經(jīng)嘗試過更大的安裝角+2.5º進(jìn)行阻力實(shí)驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)，初始攻角大于0º之后，其穩(wěn)定航行階段縱傾角過大(>10º)，而且其阻力性能在Fr>l之后表現(xiàn)的比之安裝角-1.5º與0º的情況下要惡劣，所以在進(jìn)行本研究時(shí)排除了安裝角+2.5º的情況，而重點(diǎn)進(jìn)行安裝角-1.5º與0º

10、的研究。3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析3.1 阻力翼滑艇阻力特性與傳統(tǒng)滑行艇相似8。阻力隨著速度的增加，呈現(xiàn)先增大后減小，然后再次增大的趨勢。即存在一個(gè)特征值速度。圖3為實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)的照片：圖3 實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)的照片 (Vs=3.74m/s)Fig3 Hydrofoil during test圖4 不同水翼安裝角下的阻力曲線Fig.4 Resistance curves with different hydrofoil installation angles將不同水翼安裝角下阻力值進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，同等速度下，較大的水翼安裝角對應(yīng)阻力值較小。對應(yīng)不同的水翼安裝角，其特征速度均在Fr=0.6左右，對應(yīng)速度為2.04

11、ms。3.2 航行縱傾航行縱傾與阻力變化表現(xiàn)出了相似的傾向。且較大的水翼安裝角下，模型縱傾值在各個(gè)速度點(diǎn)下基本上都較大。其最大值為8.953。(0º水翼安裝角)與8.241(-1.5º水翼安裝角)。圖5中橫坐標(biāo)為船長Fr，縱坐標(biāo)為縱傾角度值。圖5 不同水翼安裝角下的縱傾曲線Fig.5 Trim angles at different velocity with different hydrofoil installation angle3.3 垂向位置的變化在模型阻力實(shí)驗(yàn)過程中，認(rèn)為重心縱向位置(X )相對于模型保持不變，且模型前后縱蕩很小(<10cm)，對其垂向位置

12、的變化影響經(jīng)過三角關(guān)系換算之后很小，因此可忽略不計(jì)。得到其變化曲線(見圖6)。重心在豎直方向上隨著速度增加首先下沉，然后隨速度增加至最大并穩(wěn)定。圖6 不同水翼安裝角下的重心垂向位置曲線Fig.6 Vertical position curves of mass center with different installation angles3.4 濕面積的變化通過測量模型的縱傾及重心垂向位置變化，在圖紙上可以得到不同速度下的水線位置。繪制新的水線，與各站位產(chǎn)生交點(diǎn)(左右舷對應(yīng)2個(gè)點(diǎn))。稱從左舷點(diǎn)經(jīng)過船底到達(dá)另-N點(diǎn)之間曲線為浸濕長度。從AutoCAD上可以量取之，再采用積分方法得到濕面積S。

13、濕面積隨著速度增加逐漸減少(見圖7)。在Fr=1.3處降低至原來濕面積的50。圖7 不同水翼安裝角下的濕面積曲線Fig.7 Wet area curves with different installation angles3.5 船底壓力經(jīng)過反復(fù)確認(rèn)并比較，選取水翼安裝角為0º下的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。測量的壓力數(shù)值指壓力點(diǎn)前后壓力值變化情況，而非其相對壓力值。因此，壓力點(diǎn)在靜態(tài)下由于深度不同而產(chǎn)生的初始?jí)毫τ谧罱K的結(jié)果沒有影響。見圖8，xp為壓力變化值。A點(diǎn)壓力變化值始終為負(fù)值。且4點(diǎn)壓力絕對值均在Fr=1.1左右達(dá)到最大。這時(shí)對應(yīng)的阻力值已經(jīng)越過特征速度點(diǎn)，而縱傾值經(jīng)過最大值點(diǎn)之

14、后略微回落。B、D兩點(diǎn)阻力變化曲線基本一致。主要是因?yàn)閮牲c(diǎn)關(guān)于中線左右基本對稱。由于壓力點(diǎn)過少，無法根據(jù)已有數(shù)據(jù)對模型滑行面上壓力情況進(jìn)行定量分析。BDCA4點(diǎn)壓力值變化，由于滑行面可以認(rèn)為是假設(shè)為小展弦比機(jī)翼，因此應(yīng)用機(jī)翼繞流理論來進(jìn)行解釋。同時(shí)對應(yīng)4點(diǎn)位置以及模型的縱傾狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)A點(diǎn)基本上位于速度最大點(diǎn)附近(可以對照機(jī)翼理論)。根據(jù)柏努利原理其壓力值相對無窮遠(yuǎn)處數(shù)值(相對壓力為0)要小，因此始終為負(fù)值。而其后3點(diǎn)已經(jīng)位于相當(dāng)于機(jī)翼下表面后段的位置，其壓力值要增大。具體的數(shù)值變化情況需要采用PIV等設(shè)備測量各處流場的定量數(shù)值才能夠進(jìn)行分析，而這將在今后的工作中開展。4 結(jié) 論根據(jù)阻力實(shí)驗(yàn)得到

15、以下結(jié)論：1)翼滑艇阻力值在較大的水翼攻角下較小，但是其最大縱傾角較大。過大的縱傾角對于航行安全與乘客舒適程度是不利的。與滑行艇相比，翼滑艇特征速度出現(xiàn)的較早(Fr=06)。這主要是由于其前部的水翼提供升力作用，導(dǎo)致艇體提前抬升。如果減小水翼面積，降低其升力作用，特征速度相對延遲，從而設(shè)計(jì)航速可以選取更大的數(shù)值。2)隨著速度增加，模型濕面積始終在減少，而縱傾角是先增大，而后略微減小，重心在垂向上先下沉而后抬升至Fr>1.2之后趨于穩(wěn)定。通過分析，發(fā)現(xiàn)最大縱傾角與水翼浸深、水翼升力之間關(guān)系密切。適當(dāng)改變水翼浸深，對升力影響作用不明顯，而對最大縱傾角以及穩(wěn)定縱傾角產(chǎn)生明顯影響。3)底部滑行而

16、壓力變化數(shù)值與縱傾角變化曲線趨勢一致(先增大后略微減小)，而重心的垂向位置變化對其沒有明顯影響。與滑行平板理論進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，翼滑艇底部壓力變化與縱傾角呈正比關(guān)系。對于同一型翼滑艇，實(shí)際上反映的是滑行面迎水角與壓力變化為正比關(guān)系。在設(shè)計(jì)中，可以通過改變船底型線來改變底部升力。該實(shí)驗(yàn)為型線的設(shè)計(jì)提供了定量的參考。4)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及阻力性能、縱傾角綜合分析，對于該型翼滑艇，建議選擇Fr=1.0左右時(shí)的速度為設(shè)計(jì)航速；建議減小水翼浸深(10 左右)以減小最大縱傾角。參考文獻(xiàn)：1 楊松林，張正滿.凌波飛舟 高性能船舶M北京：國防工業(yè)出版社，20012 劉謙，龐立國，王魯?shù)雀咝阅茈p體滑行艇設(shè)汁J船舶，2001(1)：15-173 董亮，楊松林高速單體船快速性與操縱性綜合優(yōu)化混沌算法J .江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，21(1)：7-114 楊海燕滑行艇船體性能的模型試驗(yàn)J國