半滑行前三体船型模型阻力对比试验研究

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(大连理工大学 船舶工程学院,辽宁 大连 116024)

三体船相对于常规型单体船，具有甲板面积宽、速度快、耐波性优、稳性好、抗沉性高、生存能力强及改装余地大等优点。作为一种新型非常规型船舶，三体船是在军用、民用市场均有广阔应用前景[1-3]。

三体船主体的L/B大约在12～18之间，侧体排水量则不超过主体排水量的10%。

侧体布置对阻力性能影响的试验研究是国内外对三体船性能研究的一个重点[4-8]。

三体船型的最大优势体现在高速性上，因此目前投入使用的三体船，其Fr多超过0.6。例如，由澳大利亚Austal造船厂建造的Benchijigua Express客/货滚装三体渡船，其Fr数达0.62；美国海军濒海战斗舰(LCS-2)“独立”号，海试中全速航行时Fr达0.70。因此，对处于半滑行状态的，特别是Fr=0.6～1.0的三体船型的阻力研究具有重要意义。

为了进一步研究侧体布局对三体船阻力性能的影响，探究前三体船船型在Fr=0.6～1.0的半滑行状态的阻力性能优劣，本文选择两艘线型互不相同，且均与文献[9]试验船模线型不同的高速三体船模型，制定不同的侧体位置方案，进行静水阻力试验研究。

1 船模试验

1.1 模型设计

设计两艘三体船模型，分别简称为模型A、B，主要船型参数见表1。

表1 三体船模型的主要船型参数

模型A、B均为方艉、圆舭型，左右侧体相对主体的中纵剖面对称布置。模型A侧体排水量占主体排水量的6.2%，为对称线型。而模型B仿照美国海军濒海战斗舰“独立”号设计，其侧体吃水非常小，为非对称线型。其横剖面形状示意见图1。

图1 三体船模型A、B横剖面示意

1.2 方案设计

试验的主要目的是探究三体船的阻力特征，尤其是侧体位置对阻力性能的影响，而主体与侧体之间的相互位置关系有多种。选取直角坐标系见图2。

图2 三体船模坐标系示意

坐标原点O为主体中纵剖面、中横剖面与设计水线面的交点，X轴沿船长方向并且指向船艏为正，Y轴沿船宽方向并且指向左舷为正。侧体中心线与主体中心线间的横向距离用b表示，b始终为正值；侧体船舯与主体船舯的纵向距离用a表示，当侧体船舯在主体船舯之前时，a为正值，当侧体船舯在主体船舯之后时，a为负值。

对于模型A，选择3个侧体横向位置和3个侧体纵向位置。对于船模B，保持横向位置不变，选择两个纵向位置。具体方案见表2。

表2 三体船模型试验方案

三体船静水阻力模型试验在大连理工大学船模拖曳水池中进行，该水池长160 m，宽7 m，水深3.7 m。试验时水温为15 ℃。

2 试验结果及分析

2.1 数据处理方法

试验得到三体船模型以不同速度在静水中航行所受总阻力Rt。将总阻力Rt划分为摩擦阻力Rf和剩余阻力Rr两部分。

由于三体船主体和侧体设计水线长度相差较大，因此雷诺数相差较大，所以在计算时应分别计算主体和侧体的雷诺数及摩擦阻力系数，进而计算整体的摩擦阻力系数和总摩擦阻力。

三体船的湿表面积S为

S=Scnt+2Sout

(1)

式中：Scnt——主体湿表面积；

Sout——单个侧体湿表面积。

雷诺数Re分别按式(2)、 (3)计算。

(2)

(3)

式中：V——船模航速，m/s；

v——水的运动粘性系数，m2/s，

取v=1.139×10-6m2/s；

Recnt、LWcnt——主体的雷诺数和水线长度；

Reout、LWout——单个侧体雷诺数和水线长度。

根据1957ITTC公式计算摩擦阻力系数

(4)

(5)

于是，三体船整体的摩擦阻力系数为

(6)

式中：Cfcnt——主体的摩擦阻力系数；

Cfout——单个侧体摩擦阻力系数。

那么，摩擦阻力Rf即为

(7)

式中：ρ——水的密度，kg/m3，取ρ=999 kg/m3。

剩余阻力Rr为

Rr=Rt-Rf

(8)

便可得到剩余阻力系数Cr

(9)

2.2 试验结果及分析

由于各构型的摩擦阻力均相等，所以依靠剩余阻力的大小来判断三体船总阻力性能。经过换算得到各型三体船剩余阻力系数随Fr变化。

2.2.1 模型A

为便于分析，将各型剩余阻力系数曲线分组，分别讨论侧体横向位置、纵向位置对剩余阻力的影响。

图3分别给出了：侧体纵向位于a=750 mm(舯前)、a=0 mm(船舯)、a=-1 300 mm(舯后)时，侧体与主体之间横向距离变化，对剩余阻力系数的影响。对图3进行如下分析。

1)总体趋势上来说，在侧体纵向位置相同的前提下，侧体与主体之间横向距离较大的构型剩余阻力更小，尤其是在高速段更是如此。

2)由图3c)可见，a=-1 300 mm(舯后)时，各构型的剩余阻力受横向位置影响起伏波动较大，在Fr>0.6区间，侧体与主体之间横向距离居中的构型的剩余阻力反而更高，这是因为，在高速段主体兴波对侧体直接作用引起喷溅、附加兴波喷溅现象，横向距离居中时侧体受主体兴波的影响更大，喷溅现象更严重。对比发现试验中观察到的喷溅现象与上述结论相符，见图4。

图3 模型A不同横向位置剩余阻力系数曲线

图4 试验喷溅现象图片

图5分别给出了侧体横向位于b=550 mm(窄)、b=690 mm(中)、b=830 mm(宽)时，侧体纵向位置变化，对剩余阻力系数的影响。对图5进行如下分析。

图5 模型A不同纵向位置剩余阻力曲线

1)在高弗劳德数区域，侧体相对于主体的纵向位置越靠前，阻力性能越好。原因是侧体位于主体舯后时，喷溅现象严重，导致剩余阻力增加严重，这一现象在试验过程中也能清楚地看到，见图4。验证了前三体船型在高速段阻力性能更好这一结论。

2)横向位置越远离主体，侧体纵向位于a=750 mm(舯前)的构型其阻力性能优于另外两种构型的弗劳德数区域越大。即b=550 mm(窄)时，在Fr>0.67区域，侧体位于a=750 mm(舯前)的阻力性能最优，见图5a)；b=690 mm(中)时，这个区域扩大到Fr>0.57，见图5b)；b=830 mm(宽)时，这个区域则进一步扩大到Fr>0.52，见图5c)。因此，对于侧体a=750 mm(舯前)的构型，侧体与主体的横向距离越大其阻力性能越好。

3)在Fr<0.51区间，侧体纵向位于a=-1 300 mm(舯后)的构型的阻力性能明显优于侧体位于a=0 mm(船舯)和a=750 mm(舯前)。侧体与主体之间横向距离越小，纵向位于a=-1 300 mm(舯后)的构型优于另外两种构型的弗劳德数区域越大。

2.2.2 模型B

为了进一步验证前面的观点，以美国海军濒海战斗舰(LCS-2)“独立”号为母型设计三体船模型B，进行阻力试验来对比侧体纵向位置对三体船阻力性能的影响。模型B特点是吃水非常小，与模型A在线型和吃水上明显不同。为了节省试验费用，只选取两种方案进行试验，即侧体横向位置b=450 mm相同，纵向位于a=-1 070 mm(舯后)和a=430 mm(舯前)。

三体船模型B的剩余阻力系数随Fr变化曲线见图6。其Fr变化范围为0.39～1.05。

由图6可见，在0.39

图6 模型B不同纵向位置剩余阻力曲线

在0.39

因此，当Fr>0.61时，选择侧体位于主体舯前的构型能够获得更好的阻力性能，进一步验证了“前三体船”概念。

3 结论

1)纵向位置相同时，侧体距主体横向距离较大的三体船构型剩余阻力更小，除了侧体纵向位于主体舯后且Fr>0.6时，侧体距主体横向距离居中的三体船构型，由于喷溅现象更严重等复杂因素，其剩余阻力更大。

2)侧体纵向位置比侧体横向位置对三体船的阻力的影响更大。

3)侧体纵向位于主体舯后的三体船构型(后三体船型)，在Fr<0.6时具有较好的阻力性能，且侧体和主体之间的横向距离在适当范围内以小为好。

4)侧体纵向位于主体舯前的三体船构型(前三体船型)，侧体和主体之间的横向距离在适当范围内以大为好。前三体船型在Fr>0.6时具有较好的阻力性能，可以有效地避免喷溅现象。

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