被动翼复合船型航行性能模型试验研究

李 鹏，姜治芳，黄卫刚

(中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064)

被动翼复合船型航行性能模型试验研究

李 鹏，姜治芳，黄卫刚

(中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064)

针对被动翼复合船型，采用模型试验方法，开展阻力和耐波性模型试验，分析一对首水翼和一型 T型翼对阻力和垂向运动的综合影响。试验结果表明，加装被动翼之后，中低速时静水阻力增幅较大，高速时静水阻力增幅减缓；在 1 倍波长船长比附近，纵摇、垂荡、首尾垂向加速度大幅减小；波浪增阻显著降低。综合而言，被动翼复合船型在风浪中航行时，快速性与原船型相当，耐波性大幅提升，对改善船员舒适性和船上设备使用环境具有有益效果。

首水翼；T型翼；阻力；耐波性；模型试验

0 引 言

船舶在风浪中航行时受海浪影响会产生六自由度运动，其中纵摇、横摇和垂荡运动由于幅度大、周期短，不仅影响船员的舒适性，而且对船上设备的使用产生较大的影响，海况恶劣时甚至会引起船上设备的损坏或船舶倾覆。对于横摇运动，国内外已开展了大量研究，形成了诸如舭龙骨、减摇鳍、减摇水舱等主/被动减摇装置，减摇效果明显。但对于大中型水面船舶的纵摇和垂荡运动，目前还没有形成技术成熟的抑制装置。

在抑制垂向运动方面，国内外针对主/被动减摇技术也开展了一定的研究。丁勇等[1]基于千吨级船舶，开展了减纵摇试验研究，提出了减横摇主动鳍、船首椭圆形环翼与纵列片翼综合减纵摇方法，综合减纵摇效率令人满意，且认为工程上可以实现。蔡新功等[2]提出了减纵摇组合附体的概念，采用倒三角翼型和椭圆剖面流线型半潜体，并加装于单体排水式圆舭导弹护卫艇，开展了快速性和耐波性模型试验研究，试验结果表明减纵摇组合附体可显著抑制舰船的纵向运动，而且经优化设计的组合附体尺度和布局对艇静水阻力基本没有影响。孙树政等[3]在千吨级单体深 V 复合船型构型研究中加装了减纵摇组合附体以及尾压浪板，经多方案优选，令复合船型静水阻力与同吨级圆舭船型相当，耐波性得到大幅提升。孔卫等[4]通过对某深V型快速渡轮加装首尾主动减摇鳍，比较了 2 种控制策略，分析了鳍摆角对减摇效果的影响，通过算例分析取得了明显的减摇效果。李为、黄昊等[5-6]对一种新型的十字型被动式抗纵摇舵在波浪中的减摇效果开展了研究，经仿真分析，加装抗纵摇舵后，迎浪响应曲线峰值附近纵摇幅值减小 10%，垂荡幅值减小6%，取得了一定的减摇效果。J.M. Giron-Sierra 和 S. Esteban 等[7-8]开展了快速渡船上加装可控尾压浪板和 T型翼对耐波性的改善研究，采用数值仿真和模型试验方法，分析了被动状态下和主动状态下的减摇效果，以及对船员舒适性的影响。

在减纵摇装置方面的研究虽然取得了一定的成果，但研究对象以千吨级以下的船舶为主，而且部分研究未考虑减摇装置对船舶的另一个重要指标快速性的影响；另一部分研究虽然考虑了快速性问题，但对于球鼻首内有设备安装需求的约束问题没有考虑。因此在工程应用方面仍有待进一步研究。

本文以工程上可行的某万吨级穿浪内倾单体船为对象，构建被动翼复合船型，分别设计置于首部的一对首水翼和一型置于首底部的 T 型翼，并通过模型试验，分析首水翼和 T 型翼对静水阻力、垂向运动以及波浪增阻的综合影响。

1 试验模型

1.1 船型

船型采用穿浪内倾单体船型，排水量达到万吨级，该船型特点为首柱后倾，侧壁内倾。船型剖线图如图1 所示。

图1 船型剖线图Fig. 1 Sections ofmain hull

1.2 被动翼

被动翼分别为一对首水翼和一型 T 型翼。首水翼垂向投影为梯形，翼剖面为 NACA0012，安装在球鼻首后距首垂线 1 站距离的位置，首水翼沉于水线以下6m深处，见（图2）。

图2 首水翼图Fig. 2 Fore foil

T 型翼垂向投影为矩形，支撑臂剖面为 NACA0024，水平翼剖面为 NACA0012，安装在平板龙骨距首垂线 2站距离的位置，T 型翼沉于水线以下 10m深处（见图3）。

图3 T 型翼图Fig. 3 T-foil

1.3 试验方案

被动翼的主要设计参数见表1。

表1 主要参数Tab. 1 Main parameters

模型试验在哈尔滨工程大学船模拖曳水池中进行，共进行了 3 个方案的阻力和耐波性模型试验，缩尺比为 1∶50，试验方案见表2。

表2 试验方案Tab. 2 Experiment scheme

2 静水阻力试验

静水阻力试验测量的航速范围为 14 ～36 kn，测量结果对比见表3。

表3 模型静水阻力结果对比Tab. 3 Comparison of experimental resistance in calmwater

从表3 可知，加装被动翼之后，中低速时静水阻力增幅约为 10%，高速时静水阻力增幅减缓。其中 1对首水翼由于湿表面积略小，引起的静水阻力增幅略小于 T 型翼。

图4 静水阻力图Fig. 4 Resistance in calmwater

3 耐波性试验

耐波性试验主要开展了规则波中的运动响应和波浪增阻试验，以及不规则波中的运动响应和耐波性事件试验，测量了垂荡、纵摇、首尾垂向加速度、波浪增阻值以及首底部出水频度。

3.1 规则波试验

航速 30 kn 时规则波中的结果对比见图5～图9。

图5 航速 30 kn 下的纵摇Fig. 5 Comparison of pitch at the speed of 30 kn

图6 航速 30 kn 下的垂荡Fig. 6 Comparison of heave at the speed of 30 kn

图7 航速 30 kn 下的首垂向加速度Fig. 7 Comparison of fore vertical acceleration at the speed of 30 kn

图8 航速 30 kn 下的尾垂向加速度Fig. 8 Comparison of aft vertical acceleration at the speed of 30 kn

试验结果表明，在 1 倍波长船长比附近，加装一对首水翼之后，垂荡最大降幅达 35%，纵摇最大降幅达 45%，首垂向加速度最大降幅达 40%，尾垂向加速度最大降幅达 30%，波浪增阻最大降幅达 70%；加装T 型翼之后，垂荡最大降幅达 25%，纵摇最大降幅达35%，首垂向加速度最大降幅达 30%，尾垂向加速度最大降幅达 20%，波浪增阻最大降幅达 55%。

由于首水翼与 T 型翼的垂向投影面积一样，而首水翼的安装位置更靠近船首，因此首水翼减纵摇的效果更优；而且首水翼位于球鼻首后，具有一定的消波效果，令波浪增阻大幅降低。

3.2 不规则波试验

不规则波中的运动响应试验结果对比见表4，海浪谱采用 ITTC 双参数谱。在有义波高 4m，6m和 9m时，1 对首水翼可令垂荡分别减小 27%，19% 和13%，纵摇分别减小 31%，28% 和 25%，首加速度分别减小 33%，29% 和 26%，尾加速度分别减小 25%， 23% 和 21%。T 型翼可令垂荡分别减小 18%，12% 和8%，纵摇分别减小 22%、19% 和 17%，首加速度分别减小 25%，24% 和 22%，尾加速度分别减小 17%，17% 和 19%。

随着有义波高的增加，波浪产生的力和力矩增大，但被动翼产生的阻尼力矩等变化不大，因此首水翼和 T 型翼对垂荡和纵摇的改善效果逐渐减弱。

不规则波中的首底部出水测试显示，在有义波高9m时，首水翼出现少量的出水砰击，而 T 型翼由于安装位置偏后，且位于平板龙骨以下，即便在恶劣海况下也未发生出水现象，令其遭受的砰击载荷明显低于首水翼。

图9 航速 30 kn 下的波浪增阻Fig. 9 Comparison of added resistance in waves at the speed of 30 kn

表4 不规则波中的运动参数对比Tab. 4 Comparison ofmotions in irregular waves

4 航行性能综合分析

通过静水阻力和耐波性试验结果对比可知，1 对首水翼或 T 型翼均令静水阻力有所增加，而令波浪增阻有所降低。根据研究经验，在有义波高 6m时，波浪增阻约占静水阻力的 20%，因此 1 对首水翼或 T 型翼导致的静水阻力增加值与波浪增阻减小值相互抵消，令船舶在风浪中航行的总阻力基本不变。

同时，1 对首水翼或 T 型翼可令船舶的垂向运动大幅减小，其中影响船员舒适性和船上设备使用的纵摇与首尾垂向加速度改善效果明显。

文献[5]中指出，一般首鳍垂向投影面积为船体设计水线面面积的 2%～4%，不规则波中减少纵摇的平均效率为 10%～15%，最大达 17%。而本文设计的一对首水翼或 T 型翼，垂向投影面积仅为船体设计水线面面积的 1.5%，但不规则波中的减纵摇效果为 17%～31%，减摇效果均更优。

综合而言，加装被动翼之后，船舶在风浪中的快速性与原船型相当，耐波性改善效果明显，有益于改善船员舒适性和船上设备使用环境。

5 结 语

本文采用模型试验的方法，分析了 2 型被动翼对航行性能的综合影响，结果表明，加装被动翼令船舶垂向运动大幅减小，而且不影响船舶在风浪中的快速性，具有工程应用前景。

在后续研究中需关注工程化应用中的被动翼强度与振动等问题，其中 T 型翼由于沉深大，出水概率低，所受砰击载荷强度小，是后续研究的重要方向之一。

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[3]孙树政, 缪泉明, 赵晓东, 等. 千吨级单体深 V 复合船型构型研究[J]. 舰船科学技术, 2013, 35(6): 6-10. SUN Shu-zheng,mIAO Quan-ming, ZHAO Xiao-dong, et al. Research on ship-formof 1000 tons hybridmonohull[J]. Ship Science and Technology, 2013, 35(6): 6-10.

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Research on the experiment of navigation performance for hybridmonohull combined with passive foil

LI Peng, JIANG Zhi-fang, HUANG Wei-gang
(China Ship Design and Research Center, Wuhan 430064, China)

Based on themodel experiment, researched on the resistance and seakeeping performances of hybridmonohull combined with passive foil. Then the compositive effects on resistance and verticalmotions induced byapair of fore foils oratype of T-foil were analyzed. The experiment results indicated that when fixed passive foilthe resistance in calmwater increasedalot atmid or low speeds and amplification decreased at high speeds. When wave length-ship length ratio approximated one, the verticalmotions decreased greatly and added resistance in waves also decreased significantly. Inaword, when hybridmonohull combined with passive foil sails in waves, the resistance changesalittle. At the same time, the seakeeping performance improvesalot. So the hybridmonohull combined with passive foil have benefits to comfort and operating environments of shipboard equipments.

fore foil；T-foil；resistance；seakeeping；model experiment

U661.7

：A

1672 - 7619(2016)10 - 0025 - 04

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.010.005

2016 - 03 - 02；

2016 - 05 - 05

国防基金资助项目(51314010103)

李鹏(1985 - )，男，工程师，研究方向为舰船总体研究与设计。