三體航行艇超高速阻力與航態(tài)試驗研究

三體航行艇超高速阻力與航態(tài)試驗研究

三體滑動步槍是由一個主殼體和兩個對稱輔助體組成的高性能高速帆船。這是傳統(tǒng)的滑動卡把戲、高速多體船和氣膜衰減船的組合。這是基于上述三種船型的優(yōu)點，結(jié)合了力學和空氣動力學的性能。在正常工作中，它處于滑動狀態(tài)。它的特點是速度快，適合多海況，以及小型波浪和噴灑，這在軍事和民用市場上具有廣闊的應用前景。目前,國外三體滑行艇的艇型設計技術日趨成熟,不僅頻頻在各種賽艇比賽上獲得冠軍,而且還被成功的應用為無人作戰(zhàn)平臺的載體.由于船型新、性能好,為了技術發(fā)展、商務及技術情報的保密等需要,目前公開發(fā)表的技術資料甚少,國外已公布的多是實船圖片或文字介紹資料.對于多體滑行艇,我國若干研究者曾對雙體滑行艇進行研究,劉謙等通過大量的模型試驗和實艇試驗對雙體滑行艇的設計、性能特點、用途等進行了研究,分析了三體消波滑行艇的技術特點;趙連恩等對槽道水翼滑行艇的工作原理、船型特征以及性能特點進行了研究;遲云鵬等通過試驗研究了高速槽道艇的水動力性能;趙智萍分析了槽道水翼滑行艇的阻力特征.目前為止,國內(nèi)在發(fā)表的文章中還沒有對三體滑行艇進行相關的研究.阻力性能是評價一個新船型的重要依據(jù),因而本次試驗的主要目的是通過阻力模型試驗的方法來驗證其高速航行能力,研究三體滑行艇在不同排水量和重心位置以及是否加裝壓浪條的情況下的阻力性能特征,并結(jié)合試驗結(jié)果和試驗現(xiàn)象對船型特點進行分析.1船模的型型高性能船舶水動力性能研究的主要手段之一是模型試驗.本文設計的三體滑行艇型線如圖1所示.三體滑行艇船型特征在于:在單體滑行艇兩側(cè)由艏至艉開槽道,從而將船體劃分為1個主船體和2個輔助片體,共同組成了2個喇叭型的槽道,船體橫剖圖類似于M型.船模采用玻璃鋼制作,船模主船體為細長體,主船體長寬比7.32;片體橫剖面形狀為倒梯形,在內(nèi)外側(cè)均設有折角,靜浮時片體排水量占總排水量的10%左右,船模如圖2所示.為了便于對比,木質(zhì)壓浪條單獨制作,壓浪條為2對,呈棱錐型,壓水角10°,長度船長比分別為0.47和0.213,安裝位置如圖1.船模的主要船型參數(shù)如表1所示.三體滑行艇的一個主要特點是具有優(yōu)異的快速性,試驗時,在船模水池條件允許的情況下盡可能地提高拖航速度上限,直到發(fā)生海豚運動.具體試驗方案如表2所示.其中,Δ表示三體滑行艇艇重,l表示重心距尾封板的距離,d表示設計吃水,θ表示船模靜止時的縱傾角.2次阻力峰模型試驗在荊門中國航空工業(yè)第605研究所高速水動力水池完成.不同試驗方案下阻升比R/Δ、縱傾角和重心升沉值H隨體積傅汝德數(shù)Fr?變化的試驗結(jié)果如圖3所示.本次試驗605所水池拖航速度最高允許拖到16m/s,方案1和2中,當拖航速度達到至15m/s(Fr?=8.2)時,船模發(fā)生海豚運動;方案3和4中,拖航速度達到16m/s,Fr?分別達到8.42和8.17,航行狀態(tài)穩(wěn)定,沒有出現(xiàn)海豚運動.一般說來,對于普通滑行艇,當Fr?>5以后常常出現(xiàn)海豚運動,而對于斷階滑行艇和雙體滑行艇也可能在較低的滑行速度上發(fā)生海豚運動.本次試驗中多個方案狀態(tài)Fr?>8,這表明三體滑行艇在縱向穩(wěn)定性上優(yōu)于普通單、雙體滑行艇,具有優(yōu)異的超高速特性.如圖3(a)所示,三體滑行艇阻力曲線與水上飛機起飛滑跑的前3個階段阻力曲線類似,都擁有2個阻力峰,但三體滑行艇的2個阻力峰更為明顯.不同試驗狀態(tài)下,2次阻力峰出現(xiàn)時的船模速度如表3所示.由表3可知,隨著排水量增加和重心位置的前移,阻力峰向后移動,越過阻力峰所要達到的Fr?不斷增加,在跨越第2次阻力峰之前,是否安裝壓浪條對三體滑行艇的阻力與航態(tài)影響不大;出現(xiàn)第2次阻力峰時,安裝壓浪條后阻力變大,最大增幅約2.5%,而壓浪條的設置對阻力峰的位置沒有影響.如圖3(b)所示,與單體滑行艇不同,三體滑行艇在航行過程中縱傾角出現(xiàn)了2次峰值,第2個峰值要明顯小于第1峰值.圖3(c)中,三體滑行艇出現(xiàn)了2次艇體大幅抬升,第1次在進入滑行艇狀態(tài)之前,第2次出現(xiàn)在越第2阻力峰,從兩次變化幅度來看,第2次抬升程度遠小于第1次.是否安裝壓浪條對起滑前的縱傾角和升沉幾乎沒有影響,安裝壓浪條在起滑后比在未安裝壓浪條的情況下的縱傾角和升沉值略小,曲線相對平坦.由于Fr?>6以后氣動升力已經(jīng)不可忽略,可以看出,氣動升力對高速航行的三體滑行艇的航態(tài)有著很好的改善作用.試驗過程中觀察到以下現(xiàn)象:船模靜止時,兩側(cè)槽道浸沒于水中;在排水航行及半滑行階段(0<Fr?≤3.0),槽道和片體浸濕寬度隨著速度提升不斷減小,起滑時(Fr?≈3.0)槽道通氣,槽道頂全部位于水面之上.高速艇在航行過程中由于船舶運動興起波浪,產(chǎn)生興波,同時,由于滑行面兩端與大氣相通,在滑行面壓力和大氣壓差作用下,水流產(chǎn)生橫向運動在兩端產(chǎn)生上翻的水花形成噴濺.如圖4(a)所示,艇體兩側(cè)產(chǎn)生較大的興波與少量的噴濺,并在尾后形成“雞尾流”,隨著速度的提升,興波逐漸減小,噴濺逐漸增大,“雞尾流”與船尾的距離不斷增加.如圖4(b)所示,在滑行階段(3.0<Fr?<6.0),噴濺進一步增大,“雞尾流”逐漸變小,尾跡向中間收攏.此時阻力與Fr?近似呈線性關系,槽道中充滿了氣水混合物,片體的浸濕寬度隨速度提升不斷減小.如圖4(c)所示,在超高速滑行階段(Fr?>6.0),隨著航速的提高,艇體抬升,片體逐漸離開水面直到僅僅片體尾部與水面接觸,主船體產(chǎn)生的興波與噴濺都被片體所吸收和遮蔽,槽道中自上而下形成空氣層(或氣膜)、氣水混合物層以及噴濺水流層,水流在尾部以噴柱形式射出,尾流較平坦.根據(jù)試驗現(xiàn)象可見,在靜止和排水航行狀態(tài)下主船體提供三體滑行艇的大部分有效浮力,高速時主船體是主要水動力滑行面,提供大部分水動升力.高速航行狀態(tài)下艇體主要由水動升力和空氣動升力支撐,因而主船體即便相對較狹窄,依然能夠保證足夠的動升力.兩側(cè)槽道主要作用是在高速時提供氣動升力,一方面支撐船體,另一方面改善三體滑行艇的航態(tài).靜止或低速航行時,輔助片體全部浸沒于水中,給艇體提供額外的靜浮力,超高速航行時則起著遮蔽主船體的興波與噴濺的作用.3主船在高速工況下的穩(wěn)定性分析本研究中通過對自行設計的三體滑行艇超高速航行的阻力研究與特性分析,得到以下結(jié)論:1)三體滑行艇具有很好的縱向穩(wěn)定性,具備很強的超高速航行能力.2)受氣動升力的影響,三體滑行艇具有2個明顯的阻力峰,在高速航行時航態(tài)穩(wěn)