排水型三體船靜水阻力試驗研究

排水型三體船靜水阻力試驗研究

近年來，三艘排水快速船舶的類型引起了人們的關(guān)注。這種船型采用細長船體為主體,主體舷外兩側(cè)各布置1個細長小體,形成三體船。在上海交通大學(xué)拖曳水池進行了系列三體船試驗,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?zāi)Ｐ?包括主體和側(cè)體,均采用大長寬比的圓舭船型,左右兩邊體形狀相同,均為對稱式線型。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,B為設(shè)計水線寬,d為吃水高度,Δ為排水量。主體水線間長為3.25m,該尺度的確定綜合考慮了拖曳水池的長度和拖車速度的實際情況。側(cè)體尺度根據(jù)對穩(wěn)性的要求來確定。試驗時,主體和側(cè)體船模19站處分別安裝激流絲。(二)模型阻力的計算本次試驗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行阻力試驗。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,由此得到9個三體船模型阻力試驗方案,見表2。另外,試驗中還分別對主體和側(cè)體單獨進行阻力試驗,以便了解主體和側(cè)體之間的阻力干擾情況。試驗在上海交通大學(xué)船模試驗池完成,見圖3。水池主要尺度為:長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)體的船長尺度相差較大,在計算三體船的摩擦阻力時應(yīng)分別計算主體和側(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)體單獨進行的阻力試驗結(jié)果用Froude換算法計算出剩余阻力系數(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)試驗結(jié)果分析(1)從試驗結(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,不同航速對應(yīng)的最小阻力方案大多不同。一般而言,在較高Fn數(shù)時,側(cè)體布置在縱向靠后、橫向距中較小的位置時興波干擾較小。因此,為了在高航速時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個試驗方案中,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,試驗中也觀察到,這兩個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,高速時仍給三體船增加了3%以上的干擾阻力,干擾嚴重時(如方案1),阻力增加則在10%以上。低速時的有利干擾,對減小總阻力貢獻不大。本次試驗說明,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增加的趨勢有所不同。(4)從試驗結(jié)果上看,隨著Fn增大,大多數(shù)試驗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值減小的趨勢較為平緩,在Fn>0.65時Cr又出現(xiàn)上升的趨勢,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與主體的基本一致。由于中間主體和側(cè)體的船長相差較大,因此在三體船F(xiàn)n=0.32時,側(cè)體的剩余阻力系數(shù)已達峰值,而主體的則還處于上升期,Fn=0.48時,主體的剩余阻力處于峰值,而側(cè)體則處于下降期。同時,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)一個寬而平坦的波峰區(qū)。(6)試驗中觀察到,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,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,主體和側(cè)體之間浪花較大,濺起的浪花甚至飛進模型中。(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,這一比例遠高于常規(guī)船型。低速時,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?？偟膩碚f,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寬比的細長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提高。(8)從表3可以看到,一個側(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)置對快速性是不利的。(五)體船模型阻力的計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)排水量的實船,然后進行有效功率的比較。三體船型取性能不同的兩個方案1、7,使比較更具一般性。兩個試驗方案得到的剩余阻力系數(shù)結(jié)果見表4。換算時取粗糙度補償系數(shù)為0.4×10-3。(1)體船有效功率計算所選單體船長寬比為8,是一艘大長寬比的高速艇,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船的縮尺比為32.6,計算出三體船的有效功率見圖6。計算結(jié)果表明,在航速25～30kn時,方案1、7對應(yīng)的三體船實船有效功率分別比單體船低14%、22%。(2)主船有效功率計算結(jié)果選作對比的雙體船“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船,縮尺比為13.81,計算出三體船的有效功率見圖7。由計算結(jié)果可知,在航速22～26kn時,方案1、7對應(yīng)的三體實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,方案1稍遜。本次試驗所用的線型,尚未進行優(yōu)化,可見三體船快速性方面的優(yōu)勢還有繼續(xù)挖掘的潛力。(六)興波干擾及速度值(1)試驗結(jié)果表明,三體船側(cè)體的縱、橫布置位置對阻力有一定的影響。合適地選擇側(cè)體布置方案,可以減小興波干擾。(2)從試驗結(jié)果看,在較高Froude數(shù)時,側(cè)體縱向靠后、橫向靠中的布