高速深V型小艇耐波性试验研究

孙 云

（海军驻上海沪东中华造船（集团）有限公司军代表室 上海200129）

引 言

传统排水型小艇设计一般采用圆舭型线型，以利于改善阻力性能，但自20世纪80年代以后，世界各国对高速小艇综合航行性能极为关注，特别重视在恶劣海况下执行任务的高速小艇的耐波性，并不惜以牺牲一定的静水快速性为代价，来换取耐波性的提高。深V型小艇的出现就是高速排水式单体艇追求优良耐波性的艇型演变结果。高速排水型小艇采用深V型艇的突出优点是在波涛中的耐波性能较常规圆舭艇有很大改善，且在风浪中失速较小［1］。深V型艇通常采用尖舭或折角线型的舭部形状，因此深V型艇最主要特点之一是其底部横向斜升角β要比常规尖舭或圆舭艇的底部横向斜升角大得多（一般艇底横向斜升角β≥26°），这有利于减少艇体底部所受到的波浪冲击、减少艇体对波浪纵向和垂向运动的响应，从而有利于改善和提高小艇的耐波性［2］。

1 深V型艇特征

深V型艇的最基本特征是沿艇长整个底部都有较大且几乎不变的横向底部斜升角。这种特点决定了深V型艇的艇型参数。此外，深V型艇的龙骨为内龙骨，这也明显区别于常规艇型。归纳起来，深V型艇的特征如下：

（1）“V”型横剖面形状，呈直线状或近乎直线状，舭部呈折角尖舭形状，底部横向斜升角β≥20°，如图1所示。

图1 艇型特征图

（2）整个后体的横剖面底部横向斜升角β设计成不变或近乎不变以增加尾板附近的沉深和浸湿面积。

（3）在水线下设置舭板或楔块，以进一步改善艇的耐波性和航向稳定性。

2 艇型V度对阻力的影响分析

在艇体主尺度一定的情况下，底部横向斜升角是影响高速排水型艇流体动力性能的主要参数［3］，实际研究表明，不同航速范围的深V型艇所选取的底部横向斜升角的大小是不同的。为具体分析艇型V度对阻力的影响程度，开展在艇体主尺度一定的情况，变更艇型V度的模型试验研究。3型试验艇的艇型要素参见表1。

表1 模型艇的艇型要素表

试验模型的排水体积长度系数为：

底部横向斜升角β分别为15°、20°、30°，它们的横截面形状如图2所示。根据试验结果，底部横向斜升角对总阻力的影响见图3。

图2 三型艇横截面示意图

图3 横向底部斜升角对总阻力的影响图

从试验结果可以看出，在低速范围，底部横向斜升角大者阻力较低，表明对于载荷较重和航速较低的排水型船采用极深V型艇，可以同时获得更好的推进性能和耐波性。

3 深V型艇耐波性试验

通过对8.5 m小艇在珠江口桂山岛海域进行实艇试验，试验海区海况为4级（有义浪高1.87 m），平均风速10.1 m/s。测试工况见表2。

测试结果如下：

（1）艇体运动测量结果

表3给出了8.5 m小艇在各工况下艇体垂荡、纵摇、横摇运动幅度（单幅）及各自的平均周期测量结果，表4给出了小艇首部、中部、尾部垂向运动加速度的最大值和有义值测量结果，下页表5给出艇体纵摇角速度、横摇角速度的测量结果。

表2 实艇试验测试工况表

表3 运动位移（单幅）测量结果

表4 垂向运动加速度测量结果

表5 垂荡运动速度、纵摇运动角速度、横摇运动角速度测量结果

（2）船体运动测量结果分析

图4、图5和图6分别给出小艇主机2 000 r/min时，浪向角对艇体垂荡位移、纵摇角位移和横摇角位移的影响。从图中可以看出，本艇的垂荡位移在横浪时最大、顺浪时最小，有义垂荡位移的最大值为0.931 m。本艇的纵摇角位移在顶浪时最大、横浪及顺浪时较小，有义纵摇角的最大值为6.89°。本艇的横摇角位移在首斜浪和横浪时较大，顺浪时最小，有义横摇角的最大值为7.73°。

图4 转速2 000 r/min时，浪向对有义垂荡位移的影响

图5 转速2 000 r/min时，浪向对有义纵荡摇角位移的影响

图6 转速2 000 r/min时，浪向对有义横摇角位移的影响

图7和下页图8分别给出小艇主机2 000 r/min时浪向角对纵摇角速度、横摇角速度的影响。从图中可以看出，本艇的有义纵摇角速度在顶浪和首斜浪时较大、横浪时最小，有义纵摇角速度的最大值为8.37 °/s。本艇的横摇角速度在横浪时较大、顺浪时最小，有义横摇角速度的最大值为9.75 °/s。

图7 转速2 000 r/min时，浪向对有义纵摇角速度的影响

图8 转速2 000 r/min时，浪向对有义横摇角速度的影响

图9给出小艇主机转速2 000 r/min时艇体有义垂向加速度沿艇体纵向位置的变化。从图中可以看到，本艇垂直运动加速度在首部处最大、尾部处次之、重心处最小，从总体上看，顺浪时本艇的垂向运动加速度最小。

图9 转速2 000 r/min时，浪对有义垂向加速度沿艇体纵向位置的变化

表6给出本艇运动有义单幅值与有义浪高的比值。在表6中，Z13、φ13和θ13分别是有义垂荡单幅值、有义纵摇单幅值、有义横摇单幅值；（A1）13、（AG）13和（A19）13分别表示尾部、重心处和首部的有义垂向运动加速度；H13是有义浪高。

表6 运动有义单幅值与有义浪高的比值

4 横剖面形状对耐波性的影响

深V型艇的横剖面按折角线分为可有单折角和双折角两种基本线型。按底部的线型又可分为：深凸V型、深V型和深凹V型三种线型。

艇在纵摇时，艇首向下运动时的初期，虽然深凸V型横剖面具有较大阻力，但这时向下速度并不很大，因此艇首不会产生大的垂向加速度。当艇首继续下降时，虽然下降速度增大，但深凸V型剖面的入水阻力增加缓慢，因此艇首下降运动的整个过程中，艇体受到的是几乎不变的向上作用力，向上加速度不会达到很大的峰值。对于深凹V型横剖面的情况则不同，在艇首下降运动的过程中，向下速度和入水阻力可能会同时达到最大，特别是在舭部附近的入水阻力将急剧增大，因此深凹V型艇的冲击加速度要比深凸V型艇略大［4］，通常很少采用。

对8.5 m小艇进行的耐波性试验结果显示，深V型艇的吃水较深，尖舭的折角线无论是对横摇运动还是对纵摇运动都会产生更大的阻力，因此在同等情况下，横摇幅度和纵摇幅度均比深凸V型和深凹V型艇要小，同时由于底部横向斜升角越大吃水越深，对减小纵横摇幅度有利。深V型艇的后体均保持有较大的底部横向斜升角，从而使其纵摇轴更接近于艇的重心纵向位置，因此纵摇固有周期更短，在海浪中更容易引起谐振。但由于纵摇轴移到中部，故不仅转动惯性半径减小而且转动力矩也减小。认为这是深V型艇首部冲击加速度明显减小的主要原因［5］，表7根据艇内典型乘员座位实测数据显示，艇在运动时对乘员的影响。

表7 深V型艇运动加速度计算表

表7中：Ax、Ay和Az分别为在X、Y、Z方向所测得的加速度，gx、gy、gz分别为因座位角度产生的在X、Y、Z方向的修正值。根据SOLAS公约，Gx=15、Gy=7、Gz=7，a为加速力极限系数，具体参数计算见式（2）至式（5）［6］。

按SOLAS要求，加速力a不能大于1。根据上述计算可知，加速力的评定（冲击影响频谱系列）最大值为0.21，低于SOLAS公约规定值（≤1），所以深V型线型对乘员因承受加速度损伤潜势较小，对乘员几乎无影响。

5 结 论

本文在艇体主尺度一定的情况下，系统分析了艇型V度对阻力的影响。在相同负荷条件下，较大底部横向斜升角β的滑行面具有较大的浸湿长度及阻力，因为随着底部横向斜升角β增大、水动升力减小，滑行面吃水增加导致湿面积增加，摩擦阻力增大，同时使全艇重心升高、静横稳性复原力臂及其复原力矩减小。在合理的底部横向斜升角β（20°～25°之间）和半滑行状态下，艇首抬起，此时阻力明显增大（在17%～20%之间）；而进入滑行状态后，则阻力减小。当航行纵倾角在3°～5°之间时，阻力最小，所以小艇的最佳艇行纵倾角也是减小阻力提高航速的主要途径。

通过耐波性试验，得出了深V型艇在各工况下艇体垂荡、纵摇、横摇运动幅度（单幅）、首部、中部、尾部垂向运动加速度的最大值和有义值以及纵摇角速度、横摇角速度的测量结果。通过对试验结果进行分析可知耐波性品级指标与六个最有影响的船型参数之间的关系，即其主要与首、尾的垂向棱形系数和水线面积系数（即首、尾端的形状），以及艇长与吃水比L/d等系数有关；长宽比L/B的变化对运动和加速度影响不显著；长吃水比L/d的增大和在一定范围内方形系数Cb的增大会使纵摇和升沉运动得到改善，但过大的Cb是不利的，也就是说吃水深的艇比吃水浅的艇运动幅度要大，因为吃水浅的艇具有较大的兴波阻尼；垂向棱形系数和较大的方形系数可以获取较大的水线面系数，这些都有利于增加艇的摇荡阻尼、减小运动幅值。实际上，通过权衡这些主要艇型因素对艇耐波性和快速性能的利弊并作出合理的选择，可有效解决上述矛盾，得出深V艇的吃水较深，尖舭的折角线无论对横摇运动或纵摇运动都有较大的阻力作用，且具有较好的耐波性能。

［1］ 许蕴蕾.调幅速滑行艇的纵向运动分析与仿真研究［J］.船舶，2011（1）：21-25.

［2］ 夏翔，岳国强，杨帅.提高深V型滑行艇航速的综合研究［J］.中国舰船研究，2007（1）：77-80.

［3］ 姚朝帮，董文才，许勇.深V型艇系列模型纵向运动试验研究［J］.哈尔滨工程大学学报，2010（9）：1138-1143.

［4］ 卢晓平，郦云，董祖舜.几种排水型高性能船阻力性能对比研究［J］.海军工程大学学报，2006（1）：34-41.

［5］ 邵世明，王云才.深V型艇与圆舭型艇的阻力和耐波性比较［J］.上海交通大学学报，1996（12）：53-57.

［6］ 朱珉虎.高速艇与游艇设计手册［M］.珠海：珠海出版社，2008：28-30.