M船型阻力模型试验研究

唐建飞，黄武刚

1 天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津300072

2 中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

0 引 言

随着我国经济的迅速发展，对高性能船舶的需求也越来越迫切。近年来，高性能船舶发展较快，如水翼艇、气垫双体船、穿浪艇和滑行艇等。无论是单体滑行艇、气垫船还是双体船，均属动力支撑型船，且双体船还为静浮态型船，在特定的航行环境中，它们发挥着各自的优势，但都无法同时具备速度快、功率低、消波、适航性好、稳性高和经济效益好的优点。M 船型是常规单体滑行艇、高速双体船和气垫船的组合船型，它集中了3 种船型的优点，将流体力学和空气动力学较好地结合了起来，其在消波性能、有效载荷、操纵性以及在逆风、逆浪中高速航行方面更显出其优越的性能，是各类船型中最具竞争力的一种新船型［1］。

然而，由于M 船型的概念新颖、性能优越、出现的时间尚短和专利约束等原因，国外有关该船型研究的公开文献极少，只限于部分实船和船模图片。国内虽尚无对M 船型的实质性研究，但对类似船型已有相关学者开展研究。刘谦等［2-4］通过大量的船模和实艇试验，对双槽道滑行艇的水动力性能和相关设计参数进行了研究；池云鹏等［5］通过试验对高速槽道艇的阻力及耐波性进行了研究；赵连恩等［6］对槽道水翼滑行艇的工作原理和船型特征进行了研究；孙华伟等［7］应用模型试验对普通三体滑行艇和断阶三体滑行艇的阻力特性进行了研究；苏玉民等［8］应用模型试验对三体槽道滑行艇的阻力特性进行了研究；陈辉等［9］应用商业FLUENT 软件对M 船型的阻力进行了数值模拟。

对高性能船舶水动力性能的研究，鉴于理论计算及数值方法尚未成熟，模型试验仍然是必不可少的手段之一［10］。本文将以某M 船型为研究对象，对该新兴高性能船型在不同排水量和不同重心纵向位置下的阻力性能进行试验研究，以找到较优的阻力性能所对应的设计参数，并为后续相关的船型设计提供参考。

1 试验模型及方案

1.1 试验船模

某M 船型的横剖面及艏艉形状如图1 所示，主尺度如表1 所示。该型船主要由3 部分组成：字母M 的中间部分为主船体部分，主要用来排水，为船体提供浮力；字母M 的两个脚则是船体的两个围壁，其主要作用类似于气垫登陆艇的围裙，起密封的作用；字母M 的中间空白部分则为空气通道。归功于其特有的船型，高速航行下，主船体及气道底部的水动力和气动力的增升使得船体吃水进一步减少，从而大幅减小了湿表面积；同时，M型船体利用在槽道内做有旋运动的水流，极易吸捕大气层中的空气以形成高压的气水混合物并被自动压进槽道，在槽道表面形成一个低粘性的二相流边界层而使船体得到润滑，其结果使得摩擦阻力大幅降低。

图1 M 船型船模横剖面和艏艉形状Fig.1 Transversal section，bow and aft form of the M-form hull model

表1 M 船型船模主尺度Tab.1 Main dimensions of the M-form hull model

为保证船模在高航速时拥有较好的强度，船模采用框架式木质结构制作。船模表面经打磨光滑、喷漆处理，船模安装如图2 所示。

图2 M 船型的试验模型Fig.2 Experimental model of the M-form hull

1.2 试验目的及方案

本试验采用自由拖曳法来测量3 个不同排水量和3 个不同重心纵向位置下船模的阻力、航行姿态角和升沉，并对数据进行分析，同时通过对艇艏、艇艉、艇侧和气道等位置处兴波、飞溅和尾迹的观察，得到该船型在该线型下的较优设计参数，并确定该艇型的最佳滑行状态，以为后续的实艇设计提供参考。模型试验水池拖车的速度范围为0.1～22 m/s，车速稳定精度优于0.2%。试验方案如表2 所示，排水量为125.0～152.8 kg，重心纵向位置在船舯后20%～25%之间变化，拖曳速度从2 m/s 逐渐增大至12 m/s 或出现海豚运动为止，体积傅汝德数FN▽=0.89～5.33。

表2 M 船型船模试验方案Tab.2 Testing program of the M-form hull model

2 试验结果分析

2.1 M 船型的阻力特性

通过测定某工况的阻力、航行姿态角和升沉，得到船模阻力、纵倾角和升沉曲线如图3 所示。图中：Rm为模型阻力；Δm为模型排水量；θ为纵倾角；h 为升沉值；FN▽为体积傅汝德数。由图3 可知，该船型具有与常规滑行艇不一样的阻力特性。该船型拥有2 个高速阻力峰，当航速持续增大越过第1 个高速阻力峰后，阻力值有明显的回落。这是因为M 船型底部有两条对称于纵中剖面并纵向贯通的气道，其融合了气垫船的原理，并不完全依靠排水和主船体滑行面的水动升力来航行，因此当其航速持续增大越过第1 个高速阻力峰后，便会拥有较优的阻力性能，并充分借助静浮力、水动力和空气动力的增升作用来降低船体水阻力，使航速突破常规船型的极限；当航速继续增大越过第2 个高速阻力峰后，阻力值基本保持不变。

图3 某工况下M 船型的阻升比、纵倾角和升沉Fig.3 The drag lift ratio，pitch angles and heave motions curves of M-form hull

图4 给出了M 船型在FN▽=4.88 时，艇艏部和艉部的兴波情况。由图4（a）可知，艇艏部有2 个对称布置的喇叭口进气道，主艇体滑行面和两侧片体均与水面接触并形成封闭的气道。在艇高速滑行时，空气从艏部喇叭口进入并被压缩，从而在气道内产生空气动升力抬升艇体以使艇的吃水进一步减少，从而减小阻力。由图4（b）可知，由于M船型两侧片体的封闭作用，可以看到由主艇体滑行产生的兴波几乎完全被片体和气道所吸收，片体以外的兴波较少。

2.2 不同排水量对阻力性能的影响

由于有关M 船型的研究资料很少，因此在本文的研究设计过程中，M 船型的很多参数都需要通过大量的试验来进行验证，其中排水量就是影响M 船型阻力性能的重要影响因素之一。图5 所示为船模重心纵向位置在Xg=920 mm 时不同排水量下的阻升比曲线，从图中可以较容易地得到不同排水量下的阻力性能。由图5 可知，当1.0＜FN▽＜3.0 时，阻升比随着排水量的增加而升高，表明小排水量比较适合中速（1.0＜FN▽＜3.0）航行，这是与常规滑行艇和三体滑行艇的阻力性能不一致的地方。值得注意的是，当FN▽＞3.0 时，阻升比随着排水量的增加而有增有减，但总体上呈现降低的趋势，表明大排水量比较适合高速（FN▽＞3.0）航行。基于这一点，如果将设计航速的设计点设置在FN▽＞3.0 的速度区间内，较大的排水量反而会得到更大的设计航速。

图4 FN▽=4.88 时M 船型艇艏和艇艉情况Fig.4 Bow and aft of the M-form hull at FN▽=4.88

图5 Xg=920 mm 时不同排水量下的阻升比曲线Fig.5 The drag lift ratio curves of different displacements with Xg=920 mm

2.3 不同重心纵向位置对阻力性能的影响

除排水量外，与常规滑行艇一样，重心纵向位置也是影响M 船型阻力性能的重要影响因素之一。重心纵向位置的调整将直接影响到船在航行过程中的纵倾角和垂向运动，进而影响整船的阻力性能。图6 所示为船模排水量在Δm=138.9 kg 时不同重心纵向位置下的阻升比曲线。由图6 可知:当1.0＜FN▽＜2.2 时，阻升比会随着重心纵向位置的后移而升高；当FN▽＞2.2 时，阻升比随着重心纵向位置的后移而降低。这种变化趋势与常规滑行艇一致，即随着重心纵向位置的后移，中、低速阻力增加，中、高速阻力显著降低。值得注意的是，重心纵向位置后移时，船模阻力虽然有所降低，但船模同时也会遭遇海豚运动和初稳性高降低等不利因素的影响，导致耐波性较差，故选择一个合适的重心纵向位置对船的设计至关重要。

图6 Δm=138.9 kg 时不同重心纵向位置下的阻升比曲线Fig.6 The drag lift ratio curves of different longitudinal centers of gravity with Δm=138.9 kg

综合以上5 种工况的阻升比曲线可以看出，M船型拥有2 个高速阻力峰，第1 个高速阻力峰在FN▽=1.5 附近，第2 个高速阻力峰在FN▽=4.5～5.0之间，并且高速阻力峰出现的航速与排水量大小和重心纵向位置的相关性不大。基于这种阻力特性，实船设计时，可尽量将设计航速的设计点设置在FN▽＞5.0 区间内，以获得最优的阻力性能。

3 结 论

通过对某M 船型的阻力特性进行模型试验研究，得到如下结论：

1）M 船型拥有2 个高速阻力峰，当航速持续增大越过第1 个高速阻力峰后，阻力值有明显的回落，当航速继续增大越过第2 个高速阻力峰后，阻力值基本保持不变。

2）从不同排水量和重心纵向位置下的阻升比曲线可以得到，M 船型2 个高速阻力峰出现的航速与排水量大小和重心纵向位置的相关性不大。

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