基于数值模拟的水翼五体船耐波性分析

匡培钦，柳存根，汪学锋，周翀剑

基于数值模拟的水翼五体船耐波性分析

匡培钦，柳存根，汪学锋，周翀剑

为改善五体船在小摇荡时的耐波性，提出在侧体和主船体之间加装水翼构造水翼五体船，借助HydroStar水动力学软件，依托Wigley片体五体船进行水翼五体船耐波性计算对比。结果表明，由于水翼的减摇减震及升力作用，在侧体和主船体之间加装水翼可以明显降低五体船的纵摇幅值、横摇幅值及垂荡幅值，提高五体船的耐波性。

五体船；水翼；纵摇稳性；垂荡；横摇稳性

随着高性能船舶设计研发热度的增加，五体船以其在快速性、耐波性及节能减排方面的出色表现，逐渐引起国内外多方学者的关注[1-4]。经过多年的船型优化，五体船在侧体分布方面已经相对比较成熟，2个后侧体保证了其快速前进时的横摇稳定性，而在发生纵摇或垂荡运动时，2个前侧体入水，大大减小其纵摇和垂荡幅值[5]。

在空载或小摇荡时由于2个前侧体在水线之上，则五体船各性能与三体船无异[6]，抗风浪性能相应削弱。1981年美国华盛顿大学的Calkins首次提出多体水翼船的概念[7-8]，多体水翼船是水翼船与多体船的融合船型，兼具多体船和水翼船的优点。基于此，提出水翼五体船的船型，以Wigley片体五体船为依托，通过在侧体与主船体之间加装水翼构造水翼五体船；并借助耐波性通用软件HydroStar计算在波浪中的纵摇、垂荡、横摇等运动，以此研究加装水翼对五体船耐波性的改善情况。

1 数值模拟基本理论

1.1 横摇运动方程

(1)

由am=am0sin (ωt)可将式(1)改写为

(2)

得到横摇运动方程：

(3)

1.2 纵摇、垂荡耦合运动方程

根据切片法思想，某处垂向相对位置为

(4)

式中：X为纵向位置；θ为纵摇角。

等效波面方程为

则可得切片所受流体动力如下。

流体静力：

(6)

兴波阻力：

(7)

附加惯性力：

(8)

式中：NH为阻尼系数；MH为附加质量；V为船速。

沿船长积分可得垂荡力及纵摇力矩：

(9)

根据牛顿第二定律可得船体垂荡和纵摇运动方程为

(10)

式中：D为排水量；IYY为纵向惯性矩。

2 模型参数及计算设置

2.1 模型参数

主要对比研究加装水翼对五体船耐波性的改善问题，采用Wigley船型作为主船体及侧体船型进行研究。Wigley船型瘦长，符合线性理论小扰动假定[9]。船型参数见表1。

表1 船型参数

模型水翼采用NACA 4位数字标准翼型。NACA 4位数字翼型是美国NACA最早建立的一个低速翼型系列，有较高的最大升力系数和较低的阻力系数，适合用于快速艇水翼[10]。当相对低速时，NACA4415翼型的失速攻角为14°，且在-4°～14°范围内升力系数随攻角增大而增大[11]。保守起见，采用水翼攻角10°。水翼参数见表2。

表2 翼型NACA4415水翼参数

2.2 计算设置

五体船的侧体布局优化基本朝同一趋势发展，前侧体纵向位置基本稳定在主船体船舯附近，后侧体纵向位置则主要集中于主船体艉部，若假定前后侧体的横向坐标一致，则其大致分布于距船舯纵剖面1.5倍半船宽位置[12]。据此将前侧体置于主船体船舯稍前位置，后侧体置于船艉，前后侧体横向位置一致，位于1.5倍船宽处。见图1。

水翼均置于侧体中间部分，用于连接4个侧体和主船体。后水翼横向水平，前水翼从前侧体向下斜插入水中。

不同海域海况不同，以北大西洋为例，波高在5 m以下出现的概率为90.42%，其中2～3 m波高出现频率最高为30.10%；波浪周期在11 s以下的概率为96.17%，其中波浪周期在7～9 s范围内出现频率最高，可达35.87%[13]。选取周期为1～10 s有义波高为3 m的非规则波作为计算海况，分别计算迎浪、斜浪和横浪3种情况下有无水翼2种五体船型耐波性指标，进行对比研究。

3 计算结果及分析

由于后水翼横向水平，前水翼向中间横向斜插入水面以下，因此前后水翼主要对纵摇、垂荡，以及横摇产生较大影响。

3.1 纵摇分析

为了便于不同波幅下对比分析，引入标准化变量纵摇响应因子HP。

(11)

式中：H为纵摇角度幅值，(°)；A为有义波高，m。

纵摇主要受迎浪或斜浪的纵向分量影响，因此对于纵摇这里仅对斜浪和迎浪情况进行对比分析。在斜浪和迎浪2种浪向下，有无水翼两种五体船纵摇状态见图2。

由图2可以看出，在低频波段和高频波段加装水翼的水翼五体船纵摇响应因子整体要高于无水翼的五体船，但在中频波段，水翼五体船的纵摇响应因子要明显低于五体船。且无论是斜浪还是迎浪浪向，水翼五体船纵摇响应因子的最大值总要小于五体船。按纵摇响应因子最大值分析，斜浪下五体船加装水翼使得减纵摇效果高达21.8%，而迎浪下减纵摇效果可达26.6%。水翼五体船后水翼横向水平，在纵摇运动时除提供升力外还起到了减摇鳍的作用；而前水翼由于半出水，在艏扬时出水增加，所提供升力减小，在艏沉时，出水减少，所提供升力增加，从而增加了纵摇运动时的回复力矩，使得水翼五体船的纵摇稳定性要优于无水翼的五体船。

3.2 垂荡分析

引入标准化变量垂荡响应因子PP。

(12)

式中：P为垂荡，m；A为有义波高，m。

在斜浪和迎浪2种浪向下，有无水翼2种五体船垂荡状态见图3。

由图3可见，无论斜浪还是迎浪情况下，在低、中频波段，加装水翼的水翼五体船和无水翼的五体船垂荡响应因子随波频的增加急剧下降，且水翼五体船的垂荡响应因子一直低于五体船。在高频波段，2种船型的垂荡响应因子均趋于平稳，但水翼五体船的垂荡响应因子要略高于五体船。在垂荡运动时，同纵摇运动相似，水翼五体船后水翼横向水平，增加其垂向运动的运动阻尼；前水翼除了可以增加运动阻尼意外，通过升沉时增减出水部分还使得所提供升力改变从而增加升沉回复力。因而总体上水翼五体船垂荡性能总体要优于五体船。

3.3 横摇分析

引入一个标准化变量，横摇响应因子RP。

(13)

式中：R为横摇角度幅值，(°)；A为有义波高，m。

横摇主要受横浪和斜浪的横向分量影响，因此对于横摇这里仅对斜浪和横浪2种情况进行对比分析。在斜浪和横浪两种浪向下，有无水翼两种五体船横摇状态见图4。

根据图4可得，在斜浪和横浪两种浪向下，低频波段加装水翼的水翼五体船横摇响应因子要高于无水翼的五体船，但中、高频波段水翼五体船横摇响应因子要明显低于五体船。另外，在2种浪向下，水翼五体船横摇响应因子的最大值要远低于五体船，按横摇响应因子的最大值分析，斜浪情况下水翼五体船横摇稳定性要优于五体船36.3%，而横浪情况下水翼五体船横摇稳定性要优于五体船50.3%。在横摇运动时，水翼五体船前后水翼相当于4个长减摇鳍，大大增加了横摇回复力矩，同时前水翼左右两侧进出水配合改变左右两侧的升力，进一步增大横摇回复力矩。

4 结论

通过在五体船主船体与侧体间加装水翼，创新性提出水翼五体船的概念，并借助数值模拟对水翼五体船耐波性进行比较分析。在小摇荡情况下，主船体与侧体间水翼通过姿态变化，可以增大摇荡回复力矩，弥补常规五体船前侧体出水带来的耐波性损失。水翼五体船借助其水翼升力作用及摇荡阻尼作用，纵摇稳定性、垂荡稳定性及横摇稳定性较常规五体船得到显著提高。

另外，分析发现水翼五体船的纵摇响应因子及横摇响应因子随波频变化异于常规五体船，出现2次明显波峰，这可能由于水翼谐振频率异于船体固有频率所致，对此将展开进一步研究。

[1] 王泽鸿,柳存根,周翀剑,等.应用五体船型降低集装箱船EEDI[J].船舶工程,2014(4):3.

[2] 熊文海,毛筱菲,李毓江.船舶耐波性衡准及其评价方法浅析[J].船海工程,2007,36(4):42-45.

[3] GEE N, DUDSON E, STEIGER H. The pentamaran-A new hull concept for fast freight and car ferry applications[C].The 13th Fast Ferry International Conference. Singapore,1997.

[4] DUDSON E, GEE N. Optimisation of the seakeeping and performance of a 40 knot Pentamaran container vessel[C].Proceedings of the 6th International Conference on Fast Sea Transportation FAST2001, I.2001,225:233.

[5] 贺俊松.五体船型的性能与载荷研究[D].上海:上海交通大学,2007.

[6] 徐敏,张世联.三体船/五体船的运动及波浪载荷[J].大连海事大学学报(自然科学版),2011,37(3):1-4.

[7] CALKINS D E. HYCAT: hybrid hydrofoil catamaran concept[J]. Ocean engineering,1984,11(1):1-21.

[8] CALKINS D E. Development of HYCAT[J]. AIAA paper,1986:86-2381.

[9] LIU S K. Numerical simulation of large amplitude ship motions and applications to ship design and safe operation[D]. Ph. D Thesis, National Technical University of Athens School,2002.

[10] KATAM V, LEBEAU R P, JACOB J D. Experimental and computational investigation of a modified NACA 4415 in low-Re flows[C].22nd Applied Aerodynamics Conference and Exhibit,2004:4972.

[11] 曲立群,汪建文,朱德臣,等.NACA4415翼型失速特性的二维数值研究[J].内蒙古大学学报(自然科学版),2009,28(1):48-51.

[12] 罗少泽,马宁,顾解忡,等.五体船阻力与耐波性协同优化方法研究[C].2013年船舶水动力学学术会议论文集.西安：中国造船工程学会船舶力学学术委员会,2013.

[13] 毛筱菲,唐卫军,熊云峰,等.舰船耐波性设计及其评价指标的计算[J].中国舰船研究,2006(1):41-45.

(上海交通大学 a.高新船舶与深海开发装备协同创新中心；b.船舶与海洋工程国家重点实验室，上海 200240)

Numerical Research on Seakeeping of Hydrofoil-Pentamaran

KUANG Pei-qin, LIU Cun-gen, WANG Xue-feng, ZHOU Chong-jian

(a.Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration;b.State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

To improve the seakeeping performance of the pentamaran in small waves, a new pentamaran with four hydrofoil between main hull and accessory hulls was put forward. Its seakeeping was analyzed by HydroStar software and contrasted with normal pentamaran. It was found from the analysis that the amplitude of pitch, roll and heave of the pentamaran can be reduced by the hydrofoil between main hull and accessory hull.

pentamaran; hydrofoil; pitch; heave; roll stability

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.009

2016-05-07

国家重点基础研究发展计划(2013CB036103)

匡培钦(1992—)，男，硕士生研究方向:五体船性能优化

U661.32

A

1671-7953(2017)01-0037-04

修回日期：2016-06-13