片体形式对WPCat快速性和耐波性的影响

朱巍巍，李 艳

（1. 上海华润大东船务工程有限公司，上海 202155；2. 南通航运职业技术学院船舶与海洋工程系，南通 226010）

0 引 言

WPCat是高速双体船（HSCat）的一个重要发展分支，在保持HSCat基本特征的同时吸收了小水线面双体船（SWATH）的“小水线面”的特征，是HSCat与SWATH的混合船型。这种船型由澳大利亚InCat公司于1983年率先开发[1]。随后，世界各国相继对这种船型进行了开发研究，并逐步应用于民用、军用领域，在船舶市场中所占比例迅速上升。该船型的性能优势主要表现为：瘦长及大间距布置的片体使其阻力性能在低速时优于单体深V船型，高速时优于常规圆舭型HSCat和SWATH；相对HSCat明显减小的水线面面积，结合尖削的穿浪艏，使得波浪中的恢复力和力矩减小，从而缓和了波浪中的运动响应；横稳性大，抗风能力强，易于满足破损稳性规范的要求；操纵性亦优于HSCat，其航向稳定性、回转性和制动性能均较好。上述性能优势主要取决于WPCat的所采用的特殊片体形式，而片体的横剖面线型又是影响其性能的关键因素。本文就不同剖面形状的片体，附加考虑球鼻艏对快速性、耐波性的影响，做了多方案的计算比较。具体为5种片体形式：不对称型、深V型、圆舭型、深V球艏型、圆舭球艏型。

1 片体形式的设计

根据服务航速的不同，双体船的片体一般可选用圆舭型和尖舭型两大类，而穿浪船型也有采用不对称型片体的[2]；此外，考虑到球鼻艏可能对阻力性能产生的影响，计算中相应增加了附带球鼻艏的片体方案。

1) 不对称型。不对称片体对于其自身的中心是非对称的，可以用单体船沿纵中剖面剖开分成两个片体。得到的直壁一般置于内侧，并适当倾斜，一来便于实现与主船体的光顺连接，二来可以减少片体间的兴波干扰；

2) 深V型。一种典型的尖舭型片体，其横剖面形状从艏至艉呈“V”型，舭部有折角，横剖面的底部有斜升角且较大。这种片体的耐波性、稳性较优越，但低海情时阻力性能较常圆舭型片体差，这与其湿面积相对较大有关；

3) 圆舭型。圆舭型片体相当于常规圆舭型船的演变，只是瘦长度系数比常规圆舭型船大得多，一般ψ=8～10，且舭部升高较大；

4) 深“V”球艏型。借鉴超细长双体船（SSTH）在其片体前端加设球鼻艏以降低兴波阻力的成功经验，在深V型片体上做了同样的尝试，得到这种片体形式；

5) 圆舭球艏型。和深V球艏型片体相似，在圆舭片体的基础上加设球鼻形成这种片体形式。

为便于比较计算结果，在相同主尺度、排水量及相近船型系数的前提下，针对上述5种片体形式进行型线设计和模型建立，主要技术参数见表1，各片体型线如图1～5所示。

表1 片体主要技术参数

图1 不对称型

图2 深V型

图3 圆舭型

图4 深V球艏型

图5 圆舭球艏型

2 静水阻力计算

针对5种片体模型，分别进行单片体静水阻力计算，片体吃水2.70m，航速范围30～40kn，计算结果比较见图6。

可以看出，仅就静水阻力而言，圆舭型片体最优，深V型其次，不对称型最差。这种计算结果是合理的：深V型片体剖面较尖瘦，导致湿面积增大，这是其静水阻力性能劣于圆舭型片体的主要原因；不对称片体会产生严重的横向绕流，从而阻力相应增加。对于附加球艏的情况，没有达到预期的减阻效果，这与计算航速范围内的阻力成分有关，对减小兴波作用不明显。但总的来说，不同片体间的阻力性能差异不大，设计时可以从耐波性能和推进要求进行考虑。

图6 静水阻力计算结果比较

3 耐波性计算

计算模型描述为：选用ITTC2海浪谱，有义波高H1/3，斜横浪135°，风速12.8m/s[3,4]。航速35kn，片体中心距均取为19m。由于片体形式对船体横、纵向惯性半径和重心高的影响很小，因此可设置相同的参数：重心高 7.5m，纵向惯性半径为 17%船长，横向惯性半径为55%船宽。

计算结果分别从5种片体的波浪增阻、横摇角及纵摇角、横摇速度及纵摇速度、横摇加速度及纵摇加速度和垂荡速度及加速度等5个方面予以综合比较，如图7～11所示。

图7 波浪增阻比较

图8 横摇/纵摇角度比较

图9 横摇/纵摇速度比较

图10 横摇/纵摇加速度比较

图11 垂荡速度/加速度比较

图7～11给出了5种片体形式的耐波性能计算结果，比较分析后可以看出：

1) 深V型片体的波浪增阻最小，即风浪快速性最佳。这是由于在Fr>0.5时，剩余阻力系数Cr迅速下降，阻力性能有了一定的改善；

2) 不考虑球艏影响的前提下，深 V型的横摇角和横摇加速度最小，这与其舭部的折角线及其剖面形状有关，V型剖面增加了片体的横摇阻尼；

3) 纵摇性能以不对称片体最好，深V次之；

4) 垂向运动响应明显大于横向运动响应，这与片体的瘦长度系数偏大有关，若考虑设计防艏沉浮力舱，垂向运动响应将会受到抑制；

5) 球艏对于改善耐波性能没有发挥作用。

4 结 语

采用模糊评判法[5]综合分析比较5种片体方案的静水阻力及耐波性能的计算结果，发现采用深V型片体虽然静水阻力性能略劣于圆舭型片体，但其波浪增阻最小，而且耐波性能也有明显优势，因此更适合风浪航行，可以充分发挥WPCat船型的性能优势。后续的工作可以在此基础上围绕优化穿浪艏及片体艉部线型展开，并辅以模型试验的验证。

[1] 李百齐. 21世纪海洋高性能船[M]. 北京：国防工业出版社，2001.

[2] 卢晓平，黄 衍. 穿浪双体船兴波阻力研究[J]. 船舶，1999.(4).

[3] 管义锋，姚震球，方智勇. 大型高速穿浪船性能分析[J]. 华东船舶工业学院学报，2004,18 (1): 1-4.

[4] 吴伟良. 台湾海峡高速客船船型探讨[J]. 船舶，2003.(2).

[5] 徐昌文. 模糊数学在船舶工程中的应用[M]. 北京：国防工业出版社，1992.