局部气垫双体船试验方案设计

邹 劲，韩颖骏，施亚光，孙寒冰

(哈尔滨工程大学 船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨150001)

0 引 言

局部气垫双体船是一种以瘦长型双体船为基础，辅以局部气垫作为支撑的双体船结构。这种船型的侧船体比一般的侧壁式气垫船的侧船体要宽，气垫位于侧船体和尾部密封装置之间，使用时由船上的升力风扇充气。借助这种宽大的侧船体，船只在航行过程中可以拥有较大的浮力和较高的航速，吃水也比较浅，因此该种船型结构在高速运载方面具有很大的应用价值［1］。

在设计上，它以排水型船的刚性结构和“部分垫升”气垫作为支承，融合了传统排水型高速船、气垫船以及滑行型的原理。虽然局部气垫的气垫面积较全垫升气垫船成倍减少，但经过精心设计，运用部分垫升气垫支承技术，统筹考量排水量与船型结构，局部气垫双体船仍然可以依靠高压空气，在艇下方形成强有力的气垫，使它获得高速机动航行的升力，航速可不亚于全垫升气垫船［2］。

鉴于局部气垫双体船的巨大发展潜力以及国内对该船型的理论研究尚未完善，因此本文对其进行相关研究并开展模型拖曳试验。

1 试验方案设计

1.1 船模情况

本试验的模型横剖面图如图1所示。

图1 船模横剖面图Fig.1 Model sections

模型主体采用木质结构，考虑加工和试验要求，将船模分成连接桥和左右片体3 个部分。连接桥为一箱型空腔，设有进气孔和出气孔，起到稳定流场的作用;左右片体与连接桥用角铁固定连接，并涂上硅胶密封;首尾气囊采用柔性复合材料制作，通过热粘合技术成形。船模结构如图2所示，其主要参数见表1。

图2 船模Fig.2 Ship model

表1 船模型主要参数Tab.1 Main dimension of model

1.2 垫升系统

在实际船模拖曳实验过程中，由于受实验条件限制，垫升系统在设计过程中，只能按照垫升性理论估算得到流量和压强范围值［3］。然后在风机选型时，依照伯努利方程，考虑沿程管道损失下，风机只要满足能够提供气垫所需的流量和压强即可。本试验根据理论估算和数值模拟所得的充气流量和气垫压强进行风机选型。

常见的风机有轴流式风机和离心式风机 轴流式风机中的流体不受离心力的作用，所以由于离心力作用而升高的静压能为0，因而它所产生的能头远低于离心式风机，故一般适用于大流量低扬程的地方，属于高比转数范围。观察2 种风机的特性曲线，发现轴流风机风压与流量关系并非成线性趋势变化，其存在不稳定工作区，在使用前需进行测试试验以避免工作在不稳定区，相对复杂;而离心式风机特性曲线则成线性趋势变化。

经综合考虑，本试验选取离心式风机，将风机安装固定在拖车上，通过柔性管道与船模的增压室连通。柔性管道尽量减少弯曲以减小压头损失。在位于拖车上的一段管道安装数字显示涡街流量计，用于时时测量通气流量大小。图3和图4 分别是垫升系统示意图和模型垫升测试。

图4 垫升测试Fig.4 Cushion test

经过静水垫升试验表明，选定的风机能够满足试验所需的流量和压强，并且运行稳定。

1.3 气垫压强监测系统

目前，对于非全垫升式气垫船水压场的研究相对较少［4］。为了验证数值模拟得到的气垫舱压强准确性，以及分析气垫内压强分布对气垫兴波的影响，需要监测气垫舱压强沿船长的分布情况。经过理论值估算和数值模拟得到的气垫压强均在1 kPa 以内，相对于大气压是小量，因此压强传感器选为微压差传感器。

本试验选用西安交大维纳仪器公司生产的微压差传感器，量程0 ～2 kPa，配合信号放大器可输出1 ～5 V 电压信号。将一侧片体均匀开5 个孔，安装压力传感器探头。图5所示为不同工况下测量的气垫内压强分布。

1.4 气垫内波形摄像系统

气垫内波形对船体兴波阻力有重大影响，研究气垫内波形以及其与气垫内压强的关系有很大意义;此外，船模静水阻力试验结束后，需换算得到实船有效马力曲线，我国习惯沿用二因次法［5］。二因次法换算过程中，船模湿表面积的准确与否将直接影响实船有效马力换算的准确性。由于局部气垫支撑双体船的船形特点，其气垫内外吃水有较大的不同，外吃水可根据升沉和纵摇数据进行估算，而气垫内船体的吃水情况目前还没有较准确的经验公式可依，因此最直接的办法就是通过采集气垫内吃水的波形图像，经测量后得出其湿表面积。这样，在进行实船有效马力换算时才有可能更精确。

摄像头需安装在一侧片体上，其可能工作在水下、湍流界面、震动等恶劣环境下，因此摄像头的选择要考虑图像清晰度、防震、防抖、防水、宽视角等因素。经调研发现，车载倒车摄像头具有体积小、能防水、像素高等特点，满足试验要求。

经测试，气垫舱内均匀安装4 个摄像头即可拍摄到气垫舱全部，将另一侧片体画上边长2 cm 的黑白相间的正方形格子，安装照明灯后拍摄效果清晰，安装方式和拍摄效果如图6和图7所示。

图6 摄像头安装位置Fig.6 Camera location

图7 气垫内波形Fig.7 Waveform in the cushion

1.5 拖航试验

本试验在中国特种飞行器研究所拖曳水池进行。该高速水池长510 m，池宽6.5 m，池深6.8 m，水深5.0 m。拖车速度范围:0.1 ～22 m/s，车速稳定精度优于0.2%。本试验采用自由拖曳法进行，实验仪器有拖线式阻力仪、陀螺仪、拉线式线位移传感器等。某工况下静水阻力试验如图8所示。

图8 拖航试验Fig.8 Towing test

2 实船有效功率换算

2.1 二因次法

模型阻力换算采用二因次法，即将总阻力Rt分为摩擦阻力Rf和剩余阻力Rr［6］。

模型的总阻力系数:

式中:Rtm为船模阻力;Sm为船模浸湿面积;下标m 代表模型，s 代表实船，以下同。

剩余阻力系数:

实船总阻力系数:

式中:Cfm和CfS分别为船模与实船的摩擦阻力系数，按照ITTC-1957 公式计算。

实船在相应速度下的总阻力:

实船有效功率:

2.2 船模湿表面积及实船有效功率计算

根据船模拖航时纵倾角和升沉的变化，通过Catia 三维建模软件，可测量出船模的外浸湿面积，如图9所示。

图9 Catia 测量船模外湿表面积Fig.9 Measure outer wet surface by catia

气垫内湿表面积根据安装在片体上的摄像头拍摄到的图像经处理后得到。处理方法为:将四个摄像头同时截取图像，经Photoshop 图像处理软件消除鱼眼效应，然后将4 个图像剪切拼接在一起，以背景格子线为参照，将波形图像处理成CAD 样条曲线，然后用CAD 软件计算出面积。在CAD 软件中绘出与船体片体上相同的格子线，然后参照拍摄到的气垫内波形情况，用样条曲线命令绘出湿表面积形状，生成面域后即可计算出面积，如图10所示。

图10 CAD 测量船模内湿表面积Fig.10 Measure inner wet surface by CAD

将测得的船模内外湿表面积相加即可获得此工况下船模的总湿表面积，用二因次法即可换算得出实船的有效功率曲线，如图11所示。

图11 实船有效功率曲线Fig.11 Effective power curve

4 结 语

通过试验结果表明:本文设计的局部气垫双体船模型拖曳试验的试验方案，能够顺利完成静水阻力试验。试验除测量了船模的阻力、纵倾角、重心处升沉外，还监测了气垫内压强的分布以及波形，并根据船模内外吃水情况，计算出湿表面积，采用二因次法换算出实船的有效功率，对局部气垫双体船理论研究和船型优化有很大意义。

［1］李莉，石玉林.世界海军新型气垫登陆艇纵览［J］.当代海军，2007(4):53-55.

LI Li，SHI Yu-lin.Overview of the world navy new landing craft air cushion［J］.Modern Navy，2007(4):53-55.

［2］李想.几型创新的两栖舰船［J］.现代军事，2008(2):33-36.

LI Xiang.Several types of innovative amphibious ships［J］.Modern Military，2008(2):33-36.

［3］郓良.气垫船原理与设计［M］.北京:国防工业出版社，1990.

YUN Liang.The principle and design of hovercraft［M］.Beijing:National Defence Industry Press，1990.

［4］SWAAN W A，WAHAB R.The behaviour of a ground effectmachine over smooth waves［J］.Hovering Craft and Hydrofoil，1965，4(11).

［5］李云波.船舶阻力［M］.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，2005.

LI Yun-bo.Ship resistance［M］.Harbin:Harbin Engineering University Press，2005.

［6］周广利，黄德波，邓锐.600 t 级深V 艇阻力性能试验研究［J］.哈尔滨工程大学学报，2010，31(1):59-63.

ZHOU Guang-li，HUANG De-bo，DENG Rui.Experimental investigation of resistance of a 600 t deep Veevessel［J］.Journal of Harbin Engineering University，2010，31(1):59-63.