M型艇与槽道型艇的阻力和耐波性比较

黄武刚

(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

M型艇与槽道型艇的阻力和耐波性比较

黄武刚

(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

对高速滑行艇M型与槽道型在相同主尺度下的阻力和耐波性能进行对比,根据模型静水阻力试验结果得到M型中高速阻力相比槽道型均有所减小，且减小值超过10%,随着航速增大(Fr▽>4时)，两者的阻力差值趋增大。不规则波迎浪情况下的耐波性试验表明，两种艇型的纵摇、垂荡、艏舯艉垂荡加速度均有明显的差别。如果高速滑行艇采用M型，有望获得更好的耐波性。

M型；槽道型；高速滑行艇；阻力；耐波性

我国对高性能船舶的需求越来越迫切，近年来高性能船舶发展较快，如水翼艇、气垫双体船、穿浪艇、滑行艇等。无论是单体滑行艇、气垫船还是双体船，都属于动力支撑型船，且双体船为静浮态型船，在特定的航行环境中，发挥各自的优势，然而都无法同时具备高速、低功率、消波、适航性好，高稳性和经济效益好的优点。M型艇则是常规单体滑行艇、高速双体船和气垫船的组合船型，它集中3种船型的优势，将流体力学和空气动力学较好地组合起来，其消波性能，有效载荷，操纵性以及在逆风逆浪中高速航行的效果更显出其卓越的性能，是各类船型中最具竞争力的一种新船型[1-4]。然而，由于出现时间尚短和专利约束等原因，国外对M型艇研究公开见报的极少。槽道型艇则具有底部动压力大、横摇小、喷溅少、艇重心处和艏部垂向加速度小及甲板宽敞等优点[5-7]。本文以某M型和槽道型高速滑行艇型为研究对象，对两种不同船型的阻力和耐波性进行比较，为进一步研究M型艇和实艇设计提供有用资料。对于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[8-10]。

1 两种不同船型主尺度及试验方案

为比较M型艇和槽道型高速滑行艇的阻力和耐波性，选取总长、重心纵向位置、排水量相同的两型艇进行模型试验。

某M型艇横剖面及艏艉形状如图1a)所示，主尺度如表1。它主要由三部分组成：中间部分是主船体部分，主要用来排水，为船体提供浮力；两侧是船体的围壁，其主要作用有些类似于气垫登陆艇的围裙，起着密封的作用；中间空白部分是空气通道。归功于M型艇特有的船型，高速航行下主船体和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小从而大大减小湿表面积，同时，M型船体利用槽道内作有旋运动的水流，很容易吸捕大气层中的空气，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，使得船体得到润滑，其结果使得摩擦阻力降低。

图1 两种艇型模型的横剖面和侧视图

某槽道型艇横剖面及艏艉形状见图1b)，主尺度见表1。它在艇底中央有一纵向贯通的槽道，槽道在艏部稍有外张，并形成一喇叭形开口。

表1 两种艇型主尺度

由于其艇底有一纵向槽道，并形成了两个不同高度的滑行面，可以使起滑速度加快，从而能使船迅速越过阻力峰；在高速行驶时，槽道顶部与水表面之间形成一个低粘性的二相流边界层，进一步减少摩擦阻力，使槽道型艇具有更好的快速性。

为保证船模在高速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，船模安装见图2。阻力模型试验通过自由拖曳法测量两种艇型在相同排水量和相同重心纵向位置下的船模的阻力、航行姿态角和升沉并对数据进行分析，以及对艇艏、艇艉、艇侧和气道等位置兴波、飞溅和尾迹的观察，拖曳速度从2 m/s逐渐增大到11 m/s或出现海豚运动为止，体积傅汝德数Fr▽为0.89～4.88。耐波性模型试验通过两种艇型进行相应于实船三一波高(ξW/3=1.25 m，Fr▽=2.796)，谱心周期(T1=4.32 s)下的耐波性试验。模型试验水池拖车速度范围为0.1～22 m/s，车速稳定精度优于0.2%。

图2 两种艇型的试验模型

2 静水阻力性能比较

根据模型的静水阻力试验结果，得到两种艇型在某同一状态下试验阻升比数据见表2。

表2 两种艇型模型阻力试验阻升比数据

图3 两种艇型模型阻力无因次对比

表2中同时给出了相同体积傅汝德数下M型艇阻力较槽道型艇减小的k值，Rm/△m～Fr▽对比曲线见图3，其中Rm为模型阻力，△m为模型排水量，Fr▽为体积傅汝德数。

由表2和图3知，除低速情况下，在Fr▽>1.7时，M型艇的静水阻力性能均优于槽道型艇，且在中高速范围内阻力减小值均超过10%，在Fr▽=4.883(实船航速约52 kn)时减小值达到21.91%，说明M型艇在高速时充分利用了舰艇高速航行时艇艏产生的能量，形成气垫，对船体进行抬升。同时，由图3可知，槽道型艇Fr▽=2.0附近遇到一个阻力峰值，阻力峰后阻力基本保持不变，但在Fr▽>3.0以后阻力一直逐渐上升；而M型艇则存在两个阻力峰，第一个阻力峰值在Fr▽=1.5附近。阻力峰值也稍较槽道型艇提前，并且在越过第一个阻力峰后随着航速的持续增大阻力值发生明显回落，直到第二个阻力峰值的临近。这是由于M型艇底部有两条对称于纵中剖面并纵向贯通的气道，并融合了气垫船的原理，其并不完全依靠排水和主船体滑行面水动升力来航行，因而它当航速持续增大越过第一个高速阻力峰时后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，使船体水阻力降低，航速突破常规船型的极限。特别的，随着航速持续增大(Fr▽>4.0时)，两者的阻力差值也越来越大。因此，如果设计航速更高时，M型艇较槽道型艇会有更优的阻力性能。

3 不规则波上迎浪试验

迎浪是船舶在航行中经常遇到的航态，在这种航态下，船的纵摇、垂荡、垂向加速度、甲板上浪及砰击等则是影响船舶作业的主要因素。由于出现时间尚短和专利约束等原因，目前关于M型艇的耐波性研究的公开报道极少，本试验内容主要是两个船型不规则波中有航速迎浪纵向运动试验，试验采用第十一届国际船模水池会议(ITTC)和国际船舶结构会议(ISSC)先后推荐的双参数波谱，它的一般形式为

(1)

式中：ξW/3——三一平均波高，m;

T1——谱心周期,s;

ω——波频,rad/s。

对于双参数波谱，它不仅适用于充分发展的海浪，也适用于成长中的海浪或含有涌浪成分的海浪，并在波频ω=4.849T-1处达到最大值。本试验主要测定相应于实际海况在ξW/3=1.25 m，T1=4.32 s下的两种船型的船模阻力、航行姿态角和升沉等参数。

表3～6给出了不规则波中M型艇和槽道型艇迎浪航行各项运动幅值的相对百分数kp(M型艇/槽道艇)，及不规则波中模型阻力增值kRW(kRW=△RW/R)。

3.1 纵摇运动

模型不规则波纵摇双幅值比较见表3。

表3 两种艇型模型不规则波纵摇双幅值比较

3.2 垂荡运动

模型不规则波垂荡双幅值比较见表4。

表4 两种艇型模型不规则波垂荡双幅值比较

3.3 垂向加速度

模型不规则波耐波性试验数据见表5。

表5中槽道型艇在不规则波试验中由于运动过于激烈以至于拖车中途停车，艇舯部和艉部垂向加速度没有采集到。

3.4 波浪增阻

两种艇型模型不规则波波浪增阻数据对比见表6。

表5 两种艇型模型不规则波耐波性试验数据

表6 两种艇型模型不规则波耐波性试验数据

显然可见，不规则波的三一波高ξW/3=210 mm，Fr▽=2.796时，M型艇的各项运动幅值均较槽道型艇有所减小。从波浪中两者阻力平均值结果来看，M型艇减小20%，这与静水阻力模型试验中两者的比较结果是一致的，且M型艇在不规则波中阻力增值较槽道型艇要小。从纵摇双幅值和垂荡双幅值来看，M型艇分别减小70.4%和34.5%，这说明M型艇对于改善高速艇的纵摇和垂荡有较明显的效果。从艏、舯、艉的垂向加速度来看，试验过程中由于槽道型艇船模运动较为激烈，整个不规则波试验行程中前半段船模运动较为激烈，后半段船模运动特别激烈，以致中途停车，槽道型艇则只采集到了艏部垂向加速度，而M型艇顺利采集到了艏、舯、艉的垂向加速度，M型艇艏部垂向加速度较前者减小59.3%，这说明M型艇对于改善升沉加速度也有较明显的作用，同时由此可以进一步说明M型艇在恶劣海况下更有利于保持其高速的特性。

4 结论

1)M型艇与槽道型艇相比，中高速阻力的减小值超过10%。特别是随着航速增大(Fr▽>4.0时)，两者阻力差值趋增大，M型艇阻力性能更优。

2)M型艇的各种耐波性参数优于槽道型艇，特别是波浪中的纵摇和垂荡运动有所减小，以及加速度的改善比较明显。如果高速滑行艇采用M型艇，有望获得更好的耐波性。

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Comparison of Resistance and Sea-keeping between M and Channel-type Hull Forms

HUANG Wu-gang

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

A comparative study between M and channel-type hull forms for high speed planing craft under the same particulars is carried out. Based on the results of model resistance tests, the resistance of M hull form in calm water has decreased 10% or more compared with the channel-type hull form for the same displacement in medium and high speeds. The resistance difference between two hull forms will be increased as the speed increased while FN▽>4. The seakeeping tests in irregular head seas show that there is a great difference between M and channel-type hull forms, in the term of pitch, heave, vertical acceleration in bow, midship and stern. The better seakeeping qualities may be expected, if M hull form is adopted in high speed planing craft.

M hull form; channel-type hull form; high speed planing craft; resistance; seakeeping

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.01.014

2014-09-26

中国舰船研究设计中心研发基金 (02011004)

黄武刚(1987- )，男，硕士，工程师

U661.312

A

1671-7953(2015)01-0056-04

修回日期：2014-10-23

研究方向:船舶总体研究设计

E-mail:pzhuangwg@163.com