側(cè)體位置對靜水阻力的影響

側(cè)體位置對靜水阻力的影響

1試驗結(jié)果與分析近年來，三艘船作為高性能船吸引了造船和各國海軍的關(guān)注。同時關(guān)于三體船水動力性能等方面的研究也成為熱點,研究的主要方法有理論分析,船模試驗和數(shù)值計算。其中船模試驗因其結(jié)果的可靠性而備受人們關(guān)注,但因為船模試驗費用昂貴且耗時,因此目前關(guān)于三體船船模試驗的數(shù)據(jù)和資料并不是很多。近期國際上對三體船水動力性能方面所進行的試驗研究主要有:Ackers和Michael在1997年發(fā)表文章論述了側(cè)體位置、對稱性、排水量及攻角對三體船阻力特性的影響。文章分析了三種不同對稱性側(cè)體情況下的三體船阻力試驗結(jié)果,并且分別給出了它們與單體船相比,剩余阻力的百分比增加等高圖。從而使得人們能夠簡單直觀地看到量化的三體船阻力特性。李培勇等在2002年發(fā)表了系列三體船試驗結(jié)果,試驗?zāi)Ｐ筒捎么箝L寬比圓舭船型,文章分析得到了多組剩余阻力系數(shù)曲線和干擾阻力系數(shù)曲線。另外,文中還對三體船與單體船、雙體船的性能做了比較。同年李培勇還發(fā)表了關(guān)于超細(xì)長三體船的耐波性試驗研究,分析討論了超細(xì)長三體船的橫搖、縱搖和升沉等方面的特性。顧敏童等在2003年提出一種新型的小水線面三體船并發(fā)表了基于這種船體模型的試驗結(jié)果,并且與其他相關(guān)船型做了阻力性能比較。何術(shù)龍等在2006年發(fā)表了通過應(yīng)用均勻設(shè)計法進行的模型試驗研究結(jié)果,系統(tǒng)地分析了三體船的興波干擾特性及其阻力性能,討論了與水動力有關(guān)的片體布局和船型設(shè)計準(zhǔn)則及實船有效功率換算方法,并與優(yōu)秀的單體船型的阻力性能進行了詳細(xì)比較。酈云等在2007年發(fā)表的文章中,使用Wigley船型作為三體船的中體和側(cè)體,對三體船進行了系列阻力試驗。文章采用(1+K)法確定了三體船興波阻力系數(shù)的試驗值,并根據(jù)試驗結(jié)果詳細(xì)分析了興波阻力系數(shù)與偏距的關(guān)系。同時,文章采用離散點源法對三體船興波阻力系數(shù)進行了數(shù)值計算,并將數(shù)值結(jié)果與試驗結(jié)果進行了比較。目前為止,大多三體船模型試驗的傅汝德數(shù)變化范圍都在0.1~0.8左右,而沒有涉及更高傅汝德數(shù)情況下的試驗研究。在發(fā)表的大部分文章中,側(cè)體位置只選擇在主體的船舯及舯后,而沒有嘗試側(cè)體在主體舯前的情況。本文研究的目的是在更大傅汝德數(shù)范圍內(nèi)更多側(cè)體位置選擇的情況下對三體船水動力性能進行試驗研究。本文發(fā)表的內(nèi)容是本次系列試驗的阻力性能部分。2船舶試驗2.1主體與側(cè)體的連接三體船模型主船體選取的是一個方尾折角型船體,兩個側(cè)體是在主船體的基礎(chǔ)上按4:1的比例縮小得到的。主體與側(cè)體之間通過兩個平行的木質(zhì)橫梁連接,這樣既能保證三個片體之間的固定連接,又能方便側(cè)體在橫向、縱向位置的移動。本試驗船模的船型參數(shù)如下表1所示:本試驗的三體船船模橫剖面示意圖如圖1所示:2.2試驗方案的確定具體試驗時三體船船模的布局如圖2所示。其中,主船體船長為L;側(cè)體船長為ls;側(cè)體中心位置與主體中心位置的縱向距離為a,a的正負(fù)取決于側(cè)體的中心位置,側(cè)體中心在舯前為正,舯后為負(fù);橫向距離為b,b值始終為正。由于在文獻中提到這樣的結(jié)論:側(cè)體的縱向布置位置對阻力的影響程度比橫向位置顯著,當(dāng)側(cè)體在一定的縱向位置時,橫向位置的改變對阻力的影響不大;所以我們只研究了側(cè)體在一個橫向位置下,隨著縱向位置的改變剩余阻力的變化。而且,大多文獻所得出的結(jié)論是:當(dāng)傅汝德數(shù)較高時,側(cè)體的縱向位置是在船舯靠后位置更為有利;為了考察這一點,我們在船舯以后的位置選取了較密的試驗點。最終我們制定了這樣的試驗方案:橫向距離b=0.7m,縱向距離在船長方向取五個位置,即:a=-1.3-1.0,-0.7,0.0,1.0,單位是m。具體的模型試驗方案如下表2所示。在以往的研究文獻中,試驗的傅汝德數(shù)通常只達(dá)到0.8左右。然而三體船作為一種高性能船舶,它的優(yōu)越性能之一就是其高速性。美國海軍海上指揮系統(tǒng)的設(shè)計師們設(shè)想中的40多種未來戰(zhàn)艦中的“藍(lán)騎士”巡邏艇,艇長40.4m,其最大航速47.7Kn。其傅汝德數(shù)高達(dá)1.227。因此我們有必要研究更高傅汝德數(shù)時的三體船阻力性能。所以我們的試驗方案選取的傅汝德數(shù)變化范圍是Fr=0.1~1.0。本次系列模型試驗在大連理工大學(xué)船模拖曳水池中進行,如圖3所示。3試驗結(jié)果及分析3.1摩擦阻力公式試驗直接得到的數(shù)據(jù)是船模在各個位置不同航速下的總阻力,為了便于比較興波阻力之間的關(guān)系,本文通過一些變換得到各個位置下的剩余阻力系數(shù)。下面將剩余阻力系數(shù)換算的過程介紹一下。首先,我們利用光滑平板摩擦阻力公式(如下)計算出摩擦阻力系數(shù)。這里選取粗糙度補貼系數(shù)△Cf=0.0004。式中,Cf為摩擦阻力系數(shù),Re為雷諾數(shù),u為船模航速(m/s),L為船長(m),ν為水的運動粘性系數(shù)(m2/s)。但由于船模的主體和側(cè)體的雷諾數(shù)相差很大,所以我們需要對三體船的主體、側(cè)體的雷諾數(shù)和摩擦阻力系數(shù)分別進行計算。然后再由公式分別計算出主側(cè)體的摩擦阻力,將三個片體的摩擦阻力疊加在一起即得到三體船總的摩擦阻力。再將總阻力除去總摩擦阻力后即為三體船剩余阻力,由公式式中,Rr為船模的剩余阻力(N),ρ為水的密度(1000kg/m3),u為船模的航速(m/s),S為船模的濕表面積(m2)。3.2船位置的影響經(jīng)過換算,最終所得各位置下剩余阻力系數(shù)如圖4所示。下面把剩余阻力系數(shù)曲線圖分成不同的傅汝德數(shù)區(qū)間分別進行討論。當(dāng)Fr≤0.25時,如圖5所示。側(cè)體在五種不同位置處的剩余阻力系數(shù)差別很小,說明在低速時,船舶阻力的主要組成部分是摩擦阻力而不是興波阻力。當(dāng)Fr=0.25~0.50時,曲線如圖6所示。從圖中很明顯地可以看出,側(cè)體位置在船舯即a=0.0時的剩余阻力與其余四個位置時的剩余阻力差別很大?？梢钥闯?在Fr=0.32~0.40這一區(qū)間內(nèi),a=0.0時的剩余阻力系數(shù)曲線比其他位置低很多;并且在Fr=0.35時,其余幾個位置的曲線幾乎都達(dá)到一個波峰位置,只有a=0.0的曲線處于波谷,這個波谷所對應(yīng)的剩余阻力系數(shù)與同傅汝德數(shù)下其他四條曲線中的最高點比較,其值降低了大約33.2%。然而在Fr≤0.32和Fr≥0.40區(qū)間內(nèi),a=0.0的剩余阻力系數(shù)曲線卻快速升高,比其他任何位置處的剩余阻力系數(shù)都高出不少。因此,側(cè)體設(shè)置在船舯位置可以在Fr=0.35左右時對興波產(chǎn)生顯著的有利干擾,有效降低船舶剩余阻力。另外,從圖6中還可以看到,除了側(cè)體在船舯即a=0.0時的曲線以外,其余四條曲線的大體趨勢是相似的。由于在區(qū)間Fr=0.32~0.40內(nèi),側(cè)體在船舯具有其他位置都無法達(dá)到有利效果,而此區(qū)間外側(cè)體在船舯位置卻沒有任何優(yōu)勢可言,因此這里只需討論這四條曲線在Fr≤0.32和Fr≥0.40區(qū)間內(nèi)的具體差異。同時在這兩個區(qū)間內(nèi),側(cè)體在a=1.0的舯前位置與側(cè)體在舯后的三個位置相比,其剩余阻力曲線始終介于另三條曲線之間,并沒有明顯的有利或不利效果。因此,現(xiàn)在只需比較Fr≤0.32和Fr≥0.40區(qū)間內(nèi)側(cè)體在舯后的三條曲線,如圖7所示。從圖7可以看出,在這兩個區(qū)間內(nèi)三條曲線的變化趨勢正好相反。當(dāng)Fr≤0.32時,剩余阻力系數(shù)隨著側(cè)體位置的后移逐漸增大,而當(dāng)Fr≥0.40時,隨著側(cè)體后移剩余阻力系數(shù)卻是逐漸減小的。當(dāng)Fr≥0.5時,如圖8所示。側(cè)體在舯前a=1.0位置時的剩余阻力系數(shù)曲線始終是五條曲線中最低的。其余的四條曲線在Fr=0.50~0.65區(qū)間內(nèi)差別不大;而在Fr≥0.65區(qū)間內(nèi),四條曲線之間的差異卻是很明顯的,而且在此區(qū)間內(nèi)五種位置下的剩余阻力曲線分布很有規(guī)律性(如圖9所示):五條曲線的排列順序隨著側(cè)體位置的不斷前移而逐漸降低。另外,在船模試驗過程中觀察到了這樣的現(xiàn)象:不同的側(cè)體位置會引起不同的興波干擾,而且干擾現(xiàn)象也會隨著船模速度的變化而變化。當(dāng)側(cè)體縱向位置為a=1.0,a=0.0時,船體間的波浪比較平緩,整個試驗過程中都沒有出現(xiàn)上浪現(xiàn)象;而當(dāng)側(cè)體的縱向位置分別為a=-0.7,a=-1.0,a=-1.3時,船體間的波浪很大,在高速時甚至噴濺到橫梁上和船模里。船體上浪時波浪噴濺到船模必然會產(chǎn)生一定的“噴濺阻力”,從而導(dǎo)致整個船體的剩余阻力比不上浪情況下有所增加。側(cè)體在舯后的三個位置時,上浪現(xiàn)象基本都是在Fr=0.6之后開始出現(xiàn)的,并且隨著側(cè)體的逐漸前移上浪現(xiàn)象也慢慢減輕。這些現(xiàn)象正好符合了圖9中所顯示的曲線規(guī)律。不同位置處的試驗圖片如下面圖10所示:4剩余阻力系數(shù)(1)當(dāng)傅汝德數(shù)Fr≤0.25時,所有側(cè)體位置下的剩余阻力系數(shù)曲線都差別不大,這也說明了在這一傅汝德數(shù)區(qū)間內(nèi),摩擦阻力是總阻力的主要成分,側(cè)體縱向位置的改變對剩余阻力產(chǎn)生影響不大。(2)在Fr=0.35左右時,側(cè)體設(shè)置在船舯位置,能夠?qū)εd波阻力產(chǎn)生比較明顯的有利干擾,使得剩余阻力系數(shù)比其他位置處小很多。(3)在Fr=0.40~0.50區(qū)間內(nèi)時,側(cè)體安排在船舯靠后的位置能夠較為有效地降低剩余阻力。(4)當(dāng)傅汝德數(shù)Fr>0.5時,由試驗圖片以及阻力曲線可以看出,側(cè)體處于舯前位置時,剩余阻力系數(shù)是幾個試驗位置中最小的,剩余阻力系數(shù)隨著側(cè)體位置的后移是不斷升高的。因此