多附体对滑行艇静水阻力及航态影响的试验研究

张作琼, 邓锐, 李超, 冯峰, 曲先强

(1. 探海海洋科技有限责任公司，江苏 苏州 215600；2.哈尔滨工程大学 船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)



多附体对滑行艇静水阻力及航态影响的试验研究

张作琼1, 邓锐2, 李超2, 冯峰2, 曲先强2

(1. 探海海洋科技有限责任公司，江苏 苏州 215600；2.哈尔滨工程大学 船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

本文采用试验方法研究了两种附体对滑行艇静水阻力性能及航行姿态的影响。开展了艉部不带有拖曳力和带有拖曳力两种情况下的模型试验。在不带艉部拖曳力的情况下，分别研究了防溅条长度一定时不带阻流板、带有不同高度阻流板和阻流板高度一定时防溅条长度变化等情况下模型静水阻力和航态的变化，讨论了两种附体的影响及耦合作用。在带有尾部拖曳力的情况下，进行了防溅条长度不变时不带阻流板和带阻流板的试验，以及阻流板高度不变时带有不同长度防溅条的试验。通过试验结果的对比分析获得了这两种附体产生影响规律及两附体耦合作用下的参数建议。

滑行艇；静水阻力；航态；阻流板；防溅条；多附体

滑行艇因其具有较高的航速，是进行水上侦查、搜救、旅游和执行其他特殊任务的良好载体。但是滑行艇的长宽比通常较小，高航速情况下首部飞溅严重，并且由于水动力的作用，使滑行艇在航行过程中会出现较大的纵倾，导致水动力性能恶化，容易出现海豚运动。因此，对于滑行艇阻力性能的研究和航态控制，一直是滑行艇研究和设计中的重点之一[1]。近年来，针对滑行艇的阻力性能，仍有一部分学者[2-3]在计算和试验方面持续开展相关的研究，甚至有一些机理性的探索[4]。而更多的研究则关注于滑行艇的航行姿态对其水动力之性能的影响，如Ignazio Maria Viola等[5-9]的研究，从多角度对滑行艇航态和运动响应与船体水动力特性之间的关系进行了探讨。另外，滑行艇船型的设计也在前进，如在减小高速飞溅方面，一种槽道型滑行艇[10]也取得了较好的效果。

为保证航速或内部空间，滑行艇艇体型线难以像排水型船舶一样可以有多种选择，型线一旦确定，增加附体就是改善其阻力性能和航态的重要手段。一般情况下，防溅条和艉压浪板是高速船性能改善的重要附体[11-13]，但是近年来有部分研究认为艉阻流板的作用效果更加显著[14-15]，更加适用于滑行艇[16-17]，但相关的研究报道较少。

本文对带有防溅条和艉阻流板的滑行艇进行试验研究，比较不同防溅条长度、是否带有阻流板以及不同高度阻流板对滑行艇模型静水阻力性能及航态的影响，并在滑行艇艉部增加线性拖曳力的情况下，进一步研究分析带有艉部拖曳力时防溅条和艉阻流板所产生的影响及耦合作用。

1　试验模型及方法

试验船模主尺度见表1，型线图如图1所示。

表1　船模主要参数

图1　试验船模横剖面Fig.1　Cross sectional plan of the test model

图2　试验船模Fig.2　Test model

图3　拖曳力设置方式Fig.3　Towing method of the towing force

试验船模采用松木制作，拖曳力作用点距离模型艉封板500 mm，距离模型基线600 mm。在调节艉部拖曳力大小时，为克服滑轮机构存在的摩擦力，通过船模阻力仪测量加载对船模的水平拉力，使实际水平拉力与理论加载的水平拉力相等。在调节艉部拖曳角度时，根据拖点与水下滑轮的间距得到水下滑轮在不同角度下入水深度，再固定水下滑轮的高度，以实现对水下滑轮高度的控制，达到艉部拖曳角度的要求。阻力仪通过拖线与船模连接，陀螺仪和升沉测量点均在重心处，倾角传感器安装于船艏部。船模及艉部拖曳力设置方式见图2和图3。试验前对船模进行称重和配重，调整船模浮态和吃水，并将船模重心高度调至理论值。

2　不带艉部拖曳力的静水试验

对于高速滑行艇而言，由于其在高速情况下会产生严重的飞溅现象，导致底部压力损失和能量损耗，并且对于其水动力性能有不利影响，因此，一般情况下均会安装防溅条以减小飞溅。试验中首先安装长度为1 204 mm的防溅条，从船体第6站开始向船首延伸，基本覆盖船体6站以前位置。防溅条宽度15 mm，平行于水平面，距离基线205 mm。防溅条及安装位置如图4所示。

图4　防溅条安装位置Fig.4　Location of the spray strips

图5　阻流板Fig.5　 Interceptor

在安装长度s为1 204 mm防溅条的基础上，分别在船体艉部不安装艉阻流板和安装高度l为2 mm及4 mm的艉阻流板，研究是否带有阻流板对船体阻力及航态的影响以及阻流板高度的影响。阻流板外形如图5所示，固定安装于船体的艉封板上，通过调整连接位置使其分别伸出船体底部2 mm和4 mm。试验航速分别为1.29、2.57、3.86、5.14、5.40、5.66、6.17、6.43、7.20和7.72 m·s-1，相应的体积傅汝德数Fr分别为0.52、1.03、1.55、2.07、2.17、2.28、2.48、2.59、2.90和3.11。将安装有长度s为1 204.0 mm防溅条，分别带有高度l为2.0 mm和4.0 mm的模型试验结果与仅安装防溅条，不带阻流板(l=0.0 mm)模型的试验结果相比较，如图6所示。图中，s表示防溅条长度；l表示阻流板的高度；Vm为模型试验速度；Rt为静水总阻力。在带有高度为l=4.0 mm阻流板的情况下，航速达到6.17 m·s-1时，阻流板所产生的埋艏力矩已经较大，船体呈埋艏状态，因此停止试验。从图中的比较可以看出，在安装有1 204.0 mm防溅条的情况下，带有2.0 mm和4.0 mm高度阻流板的船体静水总阻力分别在1.29～6.43 m·s-1及1.29～6.17 m·s-1的速度范围内明显优于不带阻流板的船体；在1.29～5.66 m·s-1速度范围内，带有高度为4.0 mm阻流板的船体静水阻力进一步小于带有高度为2.0 mm阻流板的船体总阻力。当航速继续增大时，带有阻流

板的船体总阻力增加较为迅速，超过了不带阻流板的船体。为分析这一现象，将不同情况下船体的纵倾和升沉对比如图7所示。

图6　带有不同高度阻流板情况下的船体静水阻力比较Fig.6　Comparison of clam water resistance in the conditions of different interceptor height

图7　带有不同高度阻流板情况下船体升沉和纵倾的比较Fig.7　Comparison of sinkage and trimming in the conditions of different interceptor height

图中:h表示船体重心处升沉，正值表示船体上升，负值表示船体下沉；α表示船体纵倾，正值为抬艏，负值为埋艏。从图中的比较可见，带有阻流板的船体，其升沉和纵倾显著小于不带阻流板的船体，而且，随着航速的增加，阻流板在减少升沉和减小纵倾上的效果也在增加。同时，相同航速下，随着阻流板高度的增加升沉和纵倾的减小幅度也在增加。但是，高度过大的阻流板会使船体艉部获得较大的动升力，导致埋艏现象。结合带有不同高度阻流板的船体静水总阻力，2.0 mm高度的阻流板既能有效的降低阻力，减小升沉和纵倾，又能使船体保持一定的纵倾角，较为适合本文所研究的船型。

试验结果的对比表明，阻流板能够在船体艉部提供一定的动升力，产生埋艏力矩，减小船体纵倾。同时，阻流板所产生的动升力结合纵倾的变化对船体的升沉具有一定的影响，能够起到减小湿面积的作用，航态的优化和湿面积的减小是滑行艇阻力得到降低的重要原因。合理高度的阻流板能够降低阻力，优化航态，高度过小的阻流板难以在艉部形成足够的动升力产生有效的影响，高度过大的阻流板会产生较大的埋艏力矩，导致船体纵倾严重。

研究中为探讨防溅条长度对滑行艇阻力性能及航态的影响，将防溅条长度减少400.0 mm，安装位置不变，仍然从船体第6站开始向船艏延伸，距离基线205.0 mm，同时带有2.0 mm高度的阻流板。将带有804.0 mm防溅条和2.0 mm高度阻流板的船体静水阻力、升沉和纵倾与带有1 204.0 mm防溅条及2.0 mm高度阻流板的结果相比较，如图8所示。

图8　带有不同长度防溅条情况下试验结果的对比Fig.8　Comparison of experimental results in the conditions of different spray strips length

从图中的比较结果可以看出，当防溅条长度减少400.0 mm后，同航速下船体的升沉均有减小，纵倾角总体上也小于带有长度为1204.0 mm防溅条的情况，并且随航速增加纵倾角的较小幅度也在增加。而防溅条长度减小后，船体的静水阻力总体变化不大，在1.29～6.43 m·s-1速度范围内略有减小，之后有一定的增加。当航速为7.72 m·s-1，即体积傅汝德数约3.11时，带有804.0 mm防溅条的船体比带有长度为1 204.0 mm防溅条的船体总阻力增加了约4.93%。防溅条能够有效的降低高速时船体所产生的飞溅，吸收飞溅流体的能量，减少飞溅所带来的阻力增加，因此，增加防溅条的长度能够在高速时降低一定的阻力，但对于飞溅不明显的低速情况影响不大。带有高度为2.0 mm阻流板，不同长度防溅条的船体试验情况如图9所示。

图9　带有不同长度防溅条的船体飞溅比较Fig.9　Comparison of the spray in the conditions of different interceptor height

3　带有艉部拖曳力的静水试验

对于滑行艇，纵倾和排水量是非常受到关注的参数，因为纵倾过大会导致船体易出现海豚运动，影响水动力性能，威胁安全性；而排水量影响滑行艇的体积傅汝德数，决定其是否能进入滑行状态。试验中为进一步研究防溅条和阻流板对滑行艇阻力和航态的影响，在船体艉部增加了拖曳力。拖曳力幅值以线性方式增加，方向与模型前进方向相反，指向水平向下方，使船体在零航速情况下具有不同初始纵倾和排水量，以研究防溅条和阻流板对滑行艇所产生的作用。试验航速Vm，拖曳力Rad，拖曳力与水平面的夹角θ以及加载拖曳力后船体的初始纵倾角α0详见表2。

表2　带有拖曳力情况下试验模型的初始纵倾

表中:Rad为所增加的拖曳力；θ为拖曳力与水平面的夹角，负值表示拖曳力指向水平面以下；α0为带有拖曳力之后零航速情况下船体纵倾角，正值表示船体抬艏。带有拖曳力的滑行艇试验模型分别进行安装长度为804.0 mm防溅条不带阻流板、安装长度为804.0 mm防溅条带有高度为2.0 mm阻流板以及安装长度为1204.0 mm防溅条带有高度为2.0 mm阻流板的试验，研究是否带有阻流板以及防溅条长度产生的影响。试验结果的对比如图10所示。

从图10中的比较结果来看，防溅条长度为804.0 mm，不带阻流板的情况下，带有拖曳力之后船体的阻力、升沉和纵倾明显大于其他两种情况，而带有2.0 mm阻流板，不同长度防溅条时，船体的阻力、升沉和纵倾都差异不大.当带有804.0 mm防溅条时，安装高度为2.0 mm阻流板之后，最大减阻约11.9%，升沉减少最大约39.8%，纵倾减少最大约59.0%。而在带有2.0 mm高度阻流板的情况下延长防溅条至1 204.0 mm，阻力最大可继续减少约0.9%，但是升沉和纵倾略有增加，试验现象和试验结果与不带艉部拖曳力的情况一致。三种情况下船体试验状态对比如下。

由以上试验状态的比较可见，对于带有艉部拖曳力的高速滑行艇而言，艉阻流板能够有效的减小船体纵倾，优化航态。而对于带有艉部拖曳力的滑行艇而言，如果防溅条已经能够较好的抑制飞溅，则增加防溅条的长度带来的影响并不显著。针对本文所研究的船型和防溅条尺度，增加防溅条长度有助于减小阻力，同时会导致升沉和纵倾略有增加。

图10　带拖曳力船模试验结果的对比Fig.10　Comparison of experimental results of the test model with towing force

图11　带拖曳力时船模航态的比较Fig.11　Gesture comparison of the test model with towing force

4　结论

本文首先对不带艉部拖曳力的滑行艇进行了模型试验，在带有相同长度防溅条的条件下研究比较了不带阻流板和带有不同高度阻流板情况下船体阻力和航态的变化，并选择了适用于本文所研究船型的阻流板高度；之后对带有相同高度阻流板、不同长度防溅条的模型进行了试验，研究防溅条长度带来的而影响；最后对带有艉部拖曳力的模型比较了防溅条长度和阻流板带来的影响。通过本文的试验研究，可以得到以下结论：

1)适当高度的阻流板对减小滑行艇纵倾和升沉具有显著的作用，并且在一定的航速范围内能够明显的减小滑行艇静水阻力。针对本文所研究船型，高度为尾部宽度0.48%以内的阻流板均有较好的作用效果；高度过大会造成船体埋艏并减小减阻范围。

2)达到一定抑制艏部飞溅作用之后，继续增加防溅条长度对于降低滑行艇阻力效果并不明显，同时可能会导致升沉和纵倾略有增大。针对本文所研究船型，从船艏开始，采用船长38.5%长度的防溅条，可达到较好的效果。

3)对于带有艉部拖曳力的滑行艇，高度为尾部宽度0.24%的阻流板在减阻和航态调整方面仍具有显著的作用，而长度为船长25.7%的防溅条已经能够较好抑制首部飞溅，进一步增加防溅条长度对静水阻力影响不大，并导致升沉和纵倾有略有增加。

本文对阻流板作用效果所开展的研究仅局限于相同形式、两种不同高度情况下的阻流板，阻流板形式及高度所带来的详细影响，需要在今后系统的模型试验中进一步深入研究。

[1]董文才, 郭日修. 滑行艇阻力研究进展[J]. 船舶力学, 2000, 4(4): 68-81.

DONG Wencai, GUO Rixiu. State of the art of prediction on resistance of planing crafts[J]. Journal of ship mechanics, 2000, 4(4): 68-81.

[2]SUN Hui, FALTINSEN O M. Hydrodynamic forces on a semi-displacement ship at high speed[J]. Applied ocean research, 2012, 34: 68-77.

[3]MA Weijia, SUN Huawei, ZOU Jin, et al. Test research on the resistance performance of high-speed trimaran planing hull[J]. Polish maritime research, 2013, 20(4): 45-51.

[4]DURANTE D, BROGLIA R, MAKI K J, et al. A study on the effect of the cushion pressure on a planing surface[J]. Ocean engineering, 2014, 91: 122-132.

[5]VIOLA I M, ENLANDER J, ADAMSON H. Trim effect on the resistance of sailing planing hulls[J]. Ocean engineering, 2014, 88: 187-193.

[6]凌宏杰. 高速滑行艇运动响应的实时数值预报与喷溅特性研究[D]. 镇江: 江苏科技大学, 2013.

LING Hongjie. Research of spray characteristics and real time numerical prediction of the motion response of high speed planing craft[D]. Zhenjiang: Jiangsu University of Science and Technology, 2013.

[7]杨爽. 三维滑行艇模型流体动力及升沉纵摇运动特性研究[D]. 镇江: 江苏科技大学, 2012.

YANG Shuang. Research on hydrodynamic performance and heave-pitch coupled motion response of three-dimensional planing ship[D]. Zhenjiang: Jiangsu University of Science and Technology, 2012.

[8]王庆旭. 三体滑行艇阻力和稳定性研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2012.

WANG Qingxu. Research on the resistance and stability of trimaran planing hull[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2012.

[9]张长斌. 基于灰色系统理论的滑行艇运动姿态预报研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2012.

ZHANG Changbin. Research on prediction of planing craft motion based on grey system theory[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2012.

[10]SU Yumin, WANG Shuo, SHEN Hailong, et al. Numerical and experimental analyses of hydrodynamic performance of a channel type planing trimaran[J]. Journal of hydrodynamics, series B, 2014, 26(4): 549-557.

[11]邵世明, 王云才, 钱章义, 等. 尾板宽度对高速排水型艇的阻力和耐波性影响[J]. 上海交通大学学报, 1997, 31(7): 35-39.

SHAO Shiming, WANG Yuncai, QIAN Zhangyi, et al. The influence of transom breadth on resistance and seakeeping qualities for high speed displacement vessels[J]. Journal of Shanghai jiaotong university, 1997, 31(7): 35-39.

[12]邵世明, 王云才. 防溅条对高速排水量艇航行性能的影响[J]. 中国造船, 1979(1): 45-53.

SHAO Shiming, WANG Yuncai. The influence of chine strips on resistance and motions of high speed displacement hull form[J]. Shipbuilding of China, 1979(1): 45-53.

[13]邵世明, 王云才. 改善高速排水型艇性能的措施[J]. 船舶工程, 1982(4): 10-19, 49.

SHAO Shiming, WANG Yuncai. Methods of reducing resistance and improving seakeeping qualities of high speed displacement vessels[J]. Ship engineering, 1982(4): 10-19, 49.

[14]DENG Rui, HUANG Debo, ZHOU Guangli, et al. Preliminary numerical investigation of effect of interceptor on ship resistance[J]. Applied mechanics and materials, 2011, 97/98: 1085-1090.

[15]邓锐, 黄德波, 周广利, 等. 阻流板水动力机理的初步计算研究[J]. 船舶力学, 2012, 16(7): 740-749.

DENG Rui, HUANG Debo, ZHOU Guangli, et al. Preliminary numerical research of the hydrodynamic mechanism of interceptor[J]. Journal of ship mechanics, 2012, 16(7): 740-749.

[16]马超. 阻流板和尾压浪板对滑行艇阻力性能影响[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2012.

MA Chao. The effect of interceptor and stern flap on the resistance of planning boat[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2012.

[17]赵超. 阻流板和导流板对滑行艇阻力性能的影响研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2013.

ZHAO Chao. The influence of interceptor and stern flap on planing hull resistance performance[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2013.

本文引用格式：

张作琼, 邓锐,李超，等. 多附体对滑行艇静水阻力及航态影响的试验研究[J]. 哈尔滨工程大学学报， 2016, 37(9): 1209-1214.

ZHANG Zuoqiong，DENG Rui，LI Chao，et al. Experimental research on the influence of multiple appendages on calm water resistance and navigation motion of a planing hull[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2016, 37(9): 1209-1214.

Experimental research on the influence of multiple appendages on calm water resistance and navigation motion of a planing hull

ZHANG Zuoqiong1，DENG Rui2，LI Chao2，FENG Feng2，QU Xianqiang2

(1. Marine Science and Technology Co. Limited, Suzhou 215600, China; 2. College of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China)

In this study, we experimentally investigated the influence of two kinds of appendages on the calm water resistance and motion of a high-speed planing hull test model. We carried out ship model tests in conditions with and without a tail towing force. In the planing hull without a tail towing force, we examined the change in the model's calm water resistance and navigation motion under the following conditions: First, we held constant the length of the spray strips, and mounted the plate baffle at different heights. Next, we held constant the height of the plate baffle, and mounted spray strips of different lengths onto the model. We also considered the influence of two appendages and the coupling effect. For the planing hull with a tail towing force, we conducted tests under the following conditions: First, we held constant the length of the spray-proof strip, and either attached or did not attach a plate baffle. Next, we held constant the height of the plate baffle, and varied the length of the spray-proof strip. Based on the analysis results for the test data in these different conditions, we obtained some laws with respect to the influence of the appendages and some suggested parameters with respect to the coupling of the appendages .

planing hull; calm water resistance; navigation motion; plate baffle; spray strip;multiple appendages

2015-06-10.

时间：2016-07-29.

国家自然科学基金项目(51209048;51309069);中央高校基本科研业务费项目(HEUCF150101).

张作琼(1980-), 男, 高级工程师；

邓锐,E-mail：dengrui@hrbeu.edu.cn.

10.11990/jheu.201506029

U661.31

A

1006-7043(2016)09-1209-06

邓锐(1981-), 男, 讲师, 博士.

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160729.1058.002.html