三體船側(cè)體布局對(duì)阻力性能的影響

三體船側(cè)體布局對(duì)阻力性能的影響

與一般公務(wù)船相比，三體船具有寬裝甲、速度快、抗波性好、穩(wěn)定性好、抗沉降性好、生存能力強(qiáng)、換水區(qū)大等優(yōu)點(diǎn)。作為一種新型非常規(guī)型船舶,三體船是在軍用、民用市場均有廣闊應(yīng)用前景。三體船主體的L/B大約在12～18之間,側(cè)體排水量則不超過主體排水量的10%。側(cè)體布置對(duì)阻力性能影響的試驗(yàn)研究是國內(nèi)外對(duì)三體船性能研究的一個(gè)重點(diǎn)。三體船型的最大優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在高速性上,因此目前投入使用的三體船,其Fr多超過0.6。例如,由澳大利亞Austal造船廠建造的BenchijiguaExpress客/貨滾裝三體渡船,其Fr數(shù)達(dá)0.62;美國海軍瀕海戰(zhàn)斗艦(LCS-2)“獨(dú)立”號(hào),海試中全速航行時(shí)Fr達(dá)0.70。因此,對(duì)處于半滑行狀態(tài)的,特別是Fr=0.6～1.0的三體船型的阻力研究具有重要意義。為了進(jìn)一步研究側(cè)體布局對(duì)三體船阻力性能的影響,探究前三體船船型在Fr=0.6～1.0的半滑行狀態(tài)的阻力性能優(yōu)劣,本文選擇兩艘線型互不相同,且均與文獻(xiàn)試驗(yàn)船模線型不同的高速三體船模型,制定不同的側(cè)體位置方案,進(jìn)行靜水阻力試驗(yàn)研究。1船舶試驗(yàn)1.1側(cè)體回采模型b設(shè)計(jì)兩艘三體船模型,分別簡稱為模型A、B,主要船型參數(shù)見表1。模型A、B均為方艉、圓舭型,左右側(cè)體相對(duì)主體的中縱剖面對(duì)稱布置。模型A側(cè)體排水量占主體排水量的6.2%,為對(duì)稱線型。而模型B仿照美國海軍瀕海戰(zhàn)斗艦“獨(dú)立”號(hào)設(shè)計(jì),其側(cè)體吃水非常小,為非對(duì)稱線型。其橫剖面形狀示意見圖1。1.2模型位置選擇試驗(yàn)的主要目的是探究三體船的阻力特征,尤其是側(cè)體位置對(duì)阻力性能的影響,而主體與側(cè)體之間的相互位置關(guān)系有多種。選取直角坐標(biāo)系見圖2。坐標(biāo)原點(diǎn)O為主體中縱剖面、中橫剖面與設(shè)計(jì)水線面的交點(diǎn),X軸沿船長方向并且指向船艏為正,Y軸沿船寬方向并且指向左舷為正。側(cè)體中心線與主體中心線間的橫向距離用b表示,b始終為正值;側(cè)體船舯與主體船舯的縱向距離用a表示,當(dāng)側(cè)體船舯在主體船舯之前時(shí),a為正值,當(dāng)側(cè)體船舯在主體船舯之后時(shí),a為負(fù)值。對(duì)于模型A,選擇3個(gè)側(cè)體橫向位置和3個(gè)側(cè)體縱向位置。對(duì)于船模B,保持橫向位置不變,選擇兩個(gè)縱向位置。具體方案見表2。三體船靜水阻力模型試驗(yàn)在大連理工大學(xué)船模拖曳水池中進(jìn)行,該水池長160m,寬7m,水深3.7m。試驗(yàn)時(shí)水溫為15℃。2試驗(yàn)結(jié)果及分析2.1體船整體的摩擦阻力試驗(yàn)得到三體船模型以不同速度在靜水中航行所受總阻力Rt。將總阻力Rt劃分為摩擦阻力Rf和剩余阻力Rr兩部分。由于三體船主體和側(cè)體設(shè)計(jì)水線長度相差較大,因此雷諾數(shù)相差較大,所以在計(jì)算時(shí)應(yīng)分別計(jì)算主體和側(cè)體的雷諾數(shù)及摩擦阻力系數(shù),進(jìn)而計(jì)算整體的摩擦阻力系數(shù)和總摩擦阻力。三體船的濕表面積S為S=Scnt+2Sout(1)式中:Scnt——主體濕表面積;Sout——單個(gè)側(cè)體濕表面積。雷諾數(shù)Re分別按式(2)、(3)計(jì)算。Recnt=VLwcntv(2)Recnt=VLwcntv(2)Reout=VLwoutv(3)Reout=VLwoutv(3)式中:V——船模航速,m/s;v——水的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù),m2/s,取v=1.139×10-6m2/s;Recnt、LWcnt——主體的雷諾數(shù)和水線長度;Reout、LWout——單個(gè)側(cè)體雷諾數(shù)和水線長度。根據(jù)1957ITTC公式計(jì)算摩擦阻力系數(shù)Cfcnt=0.075(lgRecnt?2)2(4)Cfcnt=0.075(lgRecnt-2)2(4)Cfout=0.075(lgReout?2)2(5)Cfout=0.075(lgReout-2)2(5)于是,三體船整體的摩擦阻力系數(shù)為Cf=Cfcnt×Scnt+Cfout×2SoutScnt+2Sout(6)Cf=Cfcnt×Scnt+Cfout×2SoutScnt+2Sout(6)式中:Cfcnt——主體的摩擦阻力系數(shù);Cfout——單個(gè)側(cè)體摩擦阻力系數(shù)。那么,摩擦阻力Rf即為Rf=12ρV2S?Cf(7)Rf=12ρV2S?Cf(7)式中:ρ——水的密度,kg/m3,取ρ=999kg/m3。剩余阻力Rr為Rr=Rt-Rf(8)便可得到剩余阻力系數(shù)CrCr=Rr12ρV2S(9)Cr=Rr12ρV2S(9)2.2試驗(yàn)結(jié)果及分析由于各構(gòu)型的摩擦阻力均相等,所以依靠剩余阻力的大小來判斷三體船總阻力性能。經(jīng)過換算得到各型三體船剩余阻力系數(shù)隨Fr變化。2.2.1橫向位置對(duì)阻力性能的影響為便于分析,將各型剩余阻力系數(shù)曲線分組,分別討論側(cè)體橫向位置、縱向位置對(duì)剩余阻力的影響。圖3分別給出了:側(cè)體縱向位于a=750mm(舯前)、a=0mm(船舯)、a=-1300mm(舯后)時(shí),側(cè)體與主體之間橫向距離變化,對(duì)剩余阻力系數(shù)的影響。對(duì)圖3進(jìn)行如下分析。1)總體趨勢(shì)上來說,在側(cè)體縱向位置相同的前提下,側(cè)體與主體之間橫向距離較大的構(gòu)型剩余阻力更小,尤其是在高速段更是如此。2)由圖3c)可見,a=-1300mm(舯后)時(shí),各構(gòu)型的剩余阻力受橫向位置影響起伏波動(dòng)較大,在Fr>0.6區(qū)間,側(cè)體與主體之間橫向距離居中的構(gòu)型的剩余阻力反而更高,這是因?yàn)?在高速段主體興波對(duì)側(cè)體直接作用引起噴濺、附加興波噴濺現(xiàn)象,橫向距離居中時(shí)側(cè)體受主體興波的影響更大,噴濺現(xiàn)象更嚴(yán)重。對(duì)比發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)中觀察到的噴濺現(xiàn)象與上述結(jié)論相符,見圖4。圖5分別給出了側(cè)體橫向位于b=550mm(窄)、b=690mm(中)、b=830mm(寬)時(shí),側(cè)體縱向位置變化,對(duì)剩余阻力系數(shù)的影響。對(duì)圖5進(jìn)行如下分析。1)在高弗勞德數(shù)區(qū)域,側(cè)體相對(duì)于主體的縱向位置越靠前,阻力性能越好。原因是側(cè)體位于主體舯后時(shí),噴濺現(xiàn)象嚴(yán)重,導(dǎo)致剩余阻力增加嚴(yán)重,這一現(xiàn)象在試驗(yàn)過程中也能清楚地看到,見圖4。驗(yàn)證了前三體船型在高速段阻力性能更好這一結(jié)論。2)橫向位置越遠(yuǎn)離主體,側(cè)體縱向位于a=750mm(舯前)的構(gòu)型其阻力性能優(yōu)于另外兩種構(gòu)型的弗勞德數(shù)區(qū)域越大。即b=550mm(窄)時(shí),在Fr>0.67區(qū)域,側(cè)體位于a=750mm(舯前)的阻力性能最優(yōu),見圖5a);b=690mm(中)時(shí),這個(gè)區(qū)域擴(kuò)大到Fr>0.57,見圖5b);b=830mm(寬)時(shí),這個(gè)區(qū)域則進(jìn)一步擴(kuò)大到Fr>0.52,見圖5c)。因此,對(duì)于側(cè)體a=750mm(舯前)的構(gòu)型,側(cè)體與主體的橫向距離越大其阻力性能越好。3)在Fr<0.51區(qū)間,側(cè)體縱向位于a=-1300mm(舯后)的構(gòu)型的阻力性能明顯優(yōu)于側(cè)體位于a=0mm(船舯)和a=750mm(舯前)。側(cè)體與主體之間橫向距離越小,縱向位于a=-1300mm(舯后)的構(gòu)型優(yōu)于另外兩種構(gòu)型的弗勞德數(shù)區(qū)域越大。2.2.2體船模型b的剩余阻力為了進(jìn)一步驗(yàn)證前面的觀點(diǎn),以美國海軍瀕海戰(zhàn)斗艦(LCS-2)“獨(dú)立”號(hào)為母型設(shè)計(jì)三體船模型B,進(jìn)行阻力試驗(yàn)來對(duì)比側(cè)體縱向位置對(duì)三體船阻力性能的影響。模型B特點(diǎn)是吃水非常小,與模型A在線型和吃水上明顯不同。為了節(jié)省試驗(yàn)費(fèi)用,只選取兩種方案進(jìn)行試驗(yàn),即側(cè)體橫向位置b=450mm相同,縱向位于a=-1070mm(舯后)和a=430mm(舯前)。三體船模型B的剩余阻力系數(shù)隨Fr變化曲線見圖6。其Fr變化范圍為0.39～1.05。由圖6可見,在0.39<Fr<1.05區(qū)間,兩種構(gòu)型的三體船模型的剩余阻力出現(xiàn)很大差別,說明半滑行段側(cè)體縱向位置對(duì)阻力產(chǎn)生較大影響。在0.39<Fr<0.61區(qū)間,側(cè)體縱向位于a=-1070mm(舯后)比位于a=430mm(舯前)的三體船構(gòu)型的剩余阻力更小;在0.61<Fr<1.05區(qū)間,側(cè)體縱向位于a=430mm(舯前)比位于a=-1070mm(舯后)的三體船構(gòu)型的剩余阻力更小,且差距隨著弗勞德數(shù)增大而越發(fā)明顯。因此,當(dāng)Fr>0.61時(shí),選擇側(cè)體位于主體舯前的構(gòu)型能夠獲得更好的阻力性能,進(jìn)一步驗(yàn)證了“前三體船”概念。3體船的阻力特性1)縱向位置相同時(shí),側(cè)體距主體橫向距離較大的三體船構(gòu)型剩余阻力更小,除了側(cè)體縱向位于主體舯后且Fr>0.6時(shí),側(cè)體距主體橫向距離居中的三體船構(gòu)型,由于噴濺現(xiàn)象更嚴(yán)重等復(fù)雜因素,其剩余阻力更大。2)側(cè)體