五體船阻力性能試驗(yàn)研究

五體船阻力性能試驗(yàn)研究

越來越多的多艘船（ssmh）引起了國際造船界的廣泛關(guān)注。目前，五艘船的研究和開發(fā)已成為許多著名的國際學(xué)術(shù)會(huì)議，如s名稱、fast、rina等。五艘船的基本含義是，在水動(dòng)力學(xué)優(yōu)化的主船兩側(cè)加上四個(gè)穩(wěn)定的小浮體。靜浮時(shí)，左右兩個(gè)浮體輕微可見，前兩個(gè)浮體的骨頭線位于滿水線上。結(jié)果表明，五艘船的體型和特點(diǎn)如下：低速度阻力、高適性、穩(wěn)定性好、總配置和結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。作為一種新船型,首要問題之一是快速性,這是評(píng)價(jià)新船型優(yōu)劣的基本依據(jù)之一.阻力研究途徑包括理論計(jì)算方法和船模試驗(yàn)研究方法.本文著重應(yīng)用船模試驗(yàn)研究方法對(duì)五體船型的阻力性能進(jìn)行系統(tǒng)的研究.五體船船模阻力的各項(xiàng)試驗(yàn)在上海交通大學(xué)拖曳水池進(jìn)行.1模型選擇1.1主尺度參數(shù)優(yōu)化由于4個(gè)側(cè)體的存在,五體中主體長寬比L/B可以不顧及穩(wěn)性要求,取較大值,以實(shí)現(xiàn)減少其興波阻力的目的.但L/B較大意味著船體濕表面積較大,因此選取的L/B值應(yīng)使主體總阻力最小.寬度吃水比B/T、方形系數(shù)CB等也是影響剩余阻力的重要因素.本文采用文獻(xiàn)的方法對(duì)主尺度進(jìn)行優(yōu)化,選取L/B=14～16、B/T=1.9～2.2、CB=0.46～0.61的一系列主尺度參數(shù),采用64系列船模圖譜進(jìn)行主體的航速估算.綜合考慮阻力、空船重量等因素后,選取了一組主體主尺度參數(shù).在對(duì)某優(yōu)秀單體船型線進(jìn)行修改后,得到了本船的主體型線,并按1∶40比例制造了船模.其主要參數(shù)如表1所示.1.2側(cè)體的改進(jìn)試驗(yàn)主體型線生成后,需要選擇側(cè)體型線形式.某些五體船資料顯示,側(cè)體的尾部呈現(xiàn)一種直削的深方尾形狀.為此采用這種形式的側(cè)體進(jìn)行了初步試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)過深的方尾致使尾部水流被強(qiáng)烈激起,形成“雞尾”,如圖1所示.因此側(cè)體型線形式最終修改為普通的尾部平滑過渡形式.側(cè)體修改后的阻力試驗(yàn)顯示,“雞尾”大大減小,船模總阻力在某些航速降低最高達(dá)20%.試驗(yàn)證明了側(cè)體的方尾不能過深.改進(jìn)前后的側(cè)體型線對(duì)比如圖2所示.1.3對(duì)稱水體對(duì)應(yīng)各試驗(yàn)方案的側(cè)體形式如下:(1)方案1,考察后側(cè)體位置影響.本文在橫向和縱向各選取了3個(gè)位置,共9個(gè)位置方案進(jìn)行阻力試驗(yàn);選取其中的最優(yōu)位置,進(jìn)行后續(xù)的各試驗(yàn)方案.本項(xiàng)試驗(yàn)采用后側(cè)體組A.(2)方案2,考察后側(cè)體對(duì)稱性影響.對(duì)于單體船,不對(duì)稱船體總是劣于對(duì)稱船體;在五體船中,主、側(cè)體間因存在興波干擾,不對(duì)稱后側(cè)體有可能降低總阻力.本項(xiàng)試驗(yàn)采用半邊平面半邊曲面的后側(cè)體組B(平面面對(duì)主體).為使試驗(yàn)結(jié)果與方案1具有可比性,后側(cè)體組B的排水量、長寬比、吃水與A相同.(3)方案3,考察后側(cè)體排水量大小影響.三體船的單個(gè)側(cè)體約占全船排水量的3%,五體船多出的2個(gè)前側(cè)體允許后側(cè)體排水量進(jìn)一步降低,在這里減小至1.3%.本項(xiàng)試驗(yàn)采用后側(cè)體組C、D.(4)方案4,考察后側(cè)體長寬比影響.本項(xiàng)試驗(yàn)采用不同長寬比(排水量、吃水、方形系數(shù)均相同)的后側(cè)體組C、D相互比較.(5)方案5,考察前側(cè)體有靜水吃水情況的影響.本項(xiàng)試驗(yàn)采用前側(cè)體組E、后側(cè)體組A.方案1～4中前側(cè)體沒有靜水吃水,故未予以關(guān)注.以某優(yōu)秀單體船為基礎(chǔ)進(jìn)行修改后,得到了各側(cè)體型線,并按1∶40比例制造了船模,其主要尺度參數(shù)如表2所示.表中:Δs、Δo分別為單個(gè)側(cè)體及全船排水量.2船模阻力的確定為了對(duì)各方案進(jìn)行合理的考察比較,須將模型試驗(yàn)阻力換算為實(shí)船阻力,在此采用二因次法.對(duì)模型,設(shè):SM0為主體濕表面積;SM1為單個(gè)后側(cè)體濕表面積;SM2為單個(gè)前側(cè)體濕表面積;SM為總濕表面積;ρM為水的密度;vM為航速.對(duì)實(shí)船,設(shè):SS0為主體濕表面積;SS1為單個(gè)后側(cè)體濕表面積;SS2為單個(gè)前側(cè)體濕表面積;SS為總濕表面積;ρS為水的密度;vS為航速.考慮到粗糙度補(bǔ)償系數(shù),在前側(cè)體無靜水吃水的情況下,實(shí)船阻力為RS=ρSSSv2S(Cr+0.0004)/2+ρSSS0v2SCfS0/2+ρSSS0v2SCfS1(1)在前側(cè)體有靜水吃水的情況下,實(shí)船阻力為RS=ρSSSv2S(Cr+0.0004)/2+ρSSS0v2SCfS0/2+ρSSS1v2SCfS1+ρSSS2v2SCfS2(2)式中:Cr為剩余阻力系數(shù),在前側(cè)體有、無靜水吃水的情況下分別為Cr=RM?ρMSM1v2MCfM1?12ρMSM0v2MCfM0?RΜ-ρΜSΜ1vΜ2CfΜ1-12ρΜSΜ0vΜ2CfΜ0-ρMSM2v2MCfM212ρMSMv2M)(3)12ρΜSΜvΜ2)(3)Cr=RM?ρMSM1v2MCfM1?12ρMSM0v2MCfM012ρMSMv2M(4)Cr=RΜ-ρΜSΜ1vΜ2CfΜ1-12ρΜSΜ0vΜ2CfΜ012ρΜSΜvΜ2(4)RM為模型阻力,CfM0、CfM1、CfM2分別為船模主體、后側(cè)體、前側(cè)體摩擦阻力系數(shù);CfS0、CfS1、CfS2分別為實(shí)船主體、后側(cè)體、前側(cè)體摩擦阻力系數(shù),均按照1954ITTC公式計(jì)算.本文中所有阻力數(shù)據(jù)均為換算到實(shí)船的結(jié)果.3比較試驗(yàn)結(jié)果和分析3.1橫向位置對(duì)cr穩(wěn)定影響三體船或五體船各體間的興波干擾對(duì)阻力的影響是最近的熱點(diǎn)問題,文獻(xiàn)針對(duì)三體船進(jìn)行了研究.本文選取的后側(cè)體組A較文獻(xiàn)的側(cè)體短粗.后側(cè)體的9個(gè)位置對(duì)應(yīng)圖3中l(wèi)=0,32,64m3個(gè)縱向位置和b=10.5,15.75,21m3個(gè)橫向位置.速度相同時(shí)摩擦阻力相同,本文只比較全船剩余阻力系數(shù)以反應(yīng)阻力特性.各位置在不同弗勞德數(shù)Fr下的剩余阻力系數(shù)曲線如圖4所示.由圖4可見,后側(cè)體的縱向位置變化對(duì)Cr的影響尤為明顯,而橫向位置變化影響較弱.總體而言,Cr約在Fr=0.3～0.35處于谷點(diǎn),在Fr=0.45以后接近或處于峰點(diǎn);但l=32m的3個(gè)位置,在Fr=0.3～0.35處于峰點(diǎn),說明縱向位置的變化可能會(huì)變谷點(diǎn)為峰點(diǎn).隨著Fr的變化,Cr在l=64m的3個(gè)位置起伏最大,l=0時(shí)最小.9個(gè)位置均未在全航速范圍內(nèi)保持最低的Cr值;綜合來看,可以認(rèn)為l=0的3個(gè)位置較優(yōu).l=0的3個(gè)位置的摩擦阻力占總阻力的比值η如表3所示,大致為50%～65%.η較高處對(duì)應(yīng)Cr谷點(diǎn),較低處對(duì)應(yīng)峰點(diǎn).3.2兩組患者的摩擦阻力將后側(cè)體組B置于l=0,b=15.75m處(此位置命名為P2),平面?zhèn)葘?duì)著主體.圖5所示為本方案試驗(yàn)結(jié)果與后側(cè)體組A位于P2時(shí)的Cr曲線比較.后側(cè)體組B的Cr在全航速下均高于后側(cè)體組A的Cr,因此,其摩擦阻力也較大.除非有特殊理由,不宜選擇不對(duì)稱側(cè)體.3.3c、d之間的阻力比較將后側(cè)體組C、D分別置于P2試驗(yàn),兩者與后側(cè)體組A置于P2的Cr曲線如圖6(a)所示.由圖6(a)可見,C、D之間相比,較細(xì)長的D的Cr稍小,但差別不大;C、D與A相比,A在低速情況下Cr明顯偏大.三者總阻力RS曲線如圖6(b)所示,C、D之間非常接近;C、D與A相比,在Fr=0.24時(shí),低于A20%,在Fr=0.43時(shí),低于A4.5%.若以每噸排水量總阻力評(píng)價(jià)阻力性能,則減小后側(cè)體排水量有效地提高了阻力性能.3.4前側(cè)體靜水飲水對(duì)sr的影響令后側(cè)體組A位于P2,前側(cè)體組E位于圖3中m=110m處試驗(yàn)(吃水1.2m).前側(cè)體組E有、無靜水吃水的RS如圖7所示.由圖可見,有靜水吃水時(shí)RS總阻力增加1.7%～3.4%.因此,從快速性的角度看,前側(cè)體有靜水吃水并不合適.3.5體船的快速性本次試驗(yàn)阻力中,后側(cè)體組C置于P2時(shí)最優(yōu).將其每噸排水量阻力與某優(yōu)秀單體船相比,在18kn航速下降低18%,20kn下降低15.6%,24kn下降低17.2%,25kn下降低19.8%,這證明五體船具有優(yōu)秀的快速性.如能對(duì)各船體進(jìn)行完整的型線優(yōu)化,快速性有望進(jìn)一步得到提高.從阻力角度看,五體船完全具有繼續(xù)深入研究的價(jià)值.4干擾阻力試驗(yàn)通過對(duì)五體船進(jìn)行的阻力試驗(yàn)研究,可以得到如下結(jié)論:(1)側(cè)體型線方尾不宜過深,應(yīng)選用過渡平緩的型線;(2)主、側(cè)體間興波干擾影響阻力的規(guī)律較為復(fù)雜;從全航速范圍看