带新型冷却装置半滑行艇减阻方案探讨

庄加海，张怀新，林德群，高雷，文攀

(1.上海交通大学，上海 200240；2．工程兵科研一所，江苏 无锡 214035；3．中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 320200)



带新型冷却装置半滑行艇减阻方案探讨

庄加海1,2，张怀新1，林德群2，高雷3，文攀2

(1.上海交通大学，上海 200240；2．工程兵科研一所，江苏 无锡 214035；3．中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 320200)

为了降低带新型冷却装置的半滑行艇的阻力，提出在新型冷却装置上加半遮挡板、在艇体尾部增加艉压浪板、楔形块或拦截器等方案，采用船模试验方法开展方案对比分析，试验结果表明，在新型冷却装置上加半遮挡板的减阻效果达到8%，艉压浪板和楔形块的降阻效果达到15%。

新型冷却装置；半滑行艇；船模试验；阻力

关于半滑行艇和滑行艇的减阻措施的研究[1]，除了线型优化外，针对艇体运动浮态的研究，如在半滑行艇上加装艉压浪板、楔形块等措施[2-7]的研究比较多，但是对这些减阻措施的对比分析比较少。目前，半滑行艇附体减阻的研究主要集中在防溅条等附体的研究。内河小型快艇多采用内循环冷却系统，艇体水线以下往往会有突出的冷却水管，突出的水管会增加艇体的阻力，考虑采用的新型冷却系统是安装在艇底部中后部的方形凹口内，这种做法可以避免附体突出船体，有效降低艇体的阻力，降低冷却装置的损坏的几率，但仍然会带来较大的阻力。为了减小因增加冷却装置而在艇体上开凹口的影响，增加艇体的光顺性，提出在凹口上加半遮挡板的方案。半滑行艇在滑行状态，艇体会出现较大的艉倾，艇体阻力会增加，通常会采取在艇体艉部增加艉压浪板、楔形块或拦截器等方法减小滑行时的艉倾，进而降低艇体滑行时的阻力。针对这3种方法开展试验，对比分析3种方法的减阻效果，使艇体减阻方案最优。

1 半滑行艇的阻力公式

根据船舶体积弗劳德数来划分，船舶可以分成3种，体积弗劳德数如下式[8]。

(1)

当Fr<1时，为排水型船舶；

当Fr>3时，为滑行艇船；

当1

船舶在滑行状态和半滑行状态的阻力与排水型船舶的阻力计算不同，通常滑行状态和半滑行状态船舶的阻力公式可写成

(2)

式中：Rt为船舶总阻力；Δ为船舶排水量；τ为滑行状态的纵倾角；Rf为船舶的摩擦阻力。

艉压浪板、拦截器或楔形块等形式的减阻措施主要是调节滑行状态的纵倾角，减小式(1)中第一项的阻力，进而达到减阻的目的。但是式(2)并没有包含附体所引起的漩涡、回流等现场引起的阻力，目前也没有可靠的理论方法和经验公式来计算，试验方法是比较可靠的方法。

2 船模试验

2.1 半滑行艇模型

为能有效激发学生的学习兴趣，就要结合实际的教学需要，要能够真正的了解学生兴趣点，多样化的途径运用下激发学生学习兴趣点，这是重要基础，所谓知己知彼才能百战不殆。教师要和学生多交流沟通，了解学生的兴趣点后针对性的进行激发，这样才能真正有助于促进学生的学习，才能发挥兴趣激发的作用。

半滑行艇的型线横剖面图见图1。该船型属于浅V形，底斜升角从船艏向船艉，依次减小，保证较好的耐波性和快速性，该半滑行艇在设计航速下的Fr为2.49。船模为玻璃钢材料，缩尺比为1∶4，船长8.5 m、型宽2.6、型深1.3，满载设计吃水0.5 m，排水量4.5 t。船模见图2。

图1 半滑行艇型线横剖面示意

图2 船模外观

2.2 新型冷却装置船模试验

采用目前比较先进的新型冷却装置，该装置在快艇底部中后部位置开了方形凹口(见图3)，单个投影面积约0.47 m2，深度40 mm。

图3 冷却装置示意

冷却装置增阻的水动力机理主要有：较大的凹坑，产生了很大的漩涡阻力，凹坑内的冷却管路进一步消耗水的动能，增加阻力。针对水动力机理，考虑采用适当措施，对漩涡进行“遮断”，降低漩涡强度；考虑到冷却装置在船长方向尺寸大于船宽方向，则漩涡能量围绕船长方向的漩涡强度超过围绕船宽方向，因此，考虑从靠近船中向外侧方向进行半遮挡方案，遮蔽面积为一半凹坑开口。不打断水体凹坑内的流动，因此不影响散热效果，方案见图4。

图4 冷却装置半遮挡方案

无冷却装置方案(无开槽的光顺体)和有冷却装置无遮挡方案的试验阻力对比见图5，从图5可以看出，阻力在所有航速段都会增加，阻力最高增加36%。凹坑的出现，低速时增加了湿表面积，引起摩擦力增加，高速时凹坑引起的漩涡阻力增加，引起总阻力的增加。

图5 有、无冷却装置的模型阻力对比

有冷却装置无遮挡和半遮挡方案的试验阻力对比见图6。

图6 冷却装置减阻措施模型试验验证

通过图6可知，在低速区域阻力有所增加，中高速区域减阻明显，最高减阻35%。在低速时，增加的挡板，增加了与水接触的表面积，摩擦阻力增加，总阻力增加，当Fr=1时，航速为14.4 km/h，此时艇体开始滑行，凹坑引起的漩涡阻力开始增大，挡板能够使水流更光顺，有效降低由于凹坑引起的漩涡阻力，因此高速时，半遮挡方案阻力迅速降低。

2.3 水动力减阻措施船模试验

艉压浪板是快艇领域常用的一种水动力减阻手段。设计良好的艉压浪板能够在较高航速段通过调整快艇航行姿态来降低阻力，较低航速段通过增加艉部“虚长度”，改善艉部流场，某些情况下也能起到一定减阻作用。尾部楔形体安装在船艉、底部，其形状从艏向艉逐渐翘起，有一定下压角。其水动力机理与艉压浪板类似，即增大船艉底部压力，调节航行姿态。拦截器近些年来越来越多使用在高速船领域，并且从纵倾角调节，逐步扩展功能，增加自控系统和执行结构，用以改善高速船的耐波性。本文针对艉压浪板、拦截器和艉部楔形块这3种水动力减阻装置进行船模试验，3种水动力部件示意于图7。

艉压浪板方案延伸长度为3%Lpp，其宽度为200 mm。压浪板不同角度方案的船模试验结果见图8。由图8可见，相比艉压浪板0°方案，下压角5°和12°这2个方案，在中高速区域分别获得了8%和15%的阻力降低比例。

艉部楔形块方案与压浪板方案的船模试验结果见图9。艉部楔形板下压角为12°，其宽度与艉压浪板一致。与艉压浪板优选角度方案(12°下压角)相比，2者阻力基本一致，但是航速超过32 km/h之后，艉楔形块方案阻力将超过压浪板方案。

拦截器不同伸出长度方案的船模试验结果见图10，在航速30 km/h附近获得了5%的阻力降低；在低速和高速区域航速没有降低，反而有所增加。

图10 不同拦截器伸出长度方案实艇阻力对比

3 结论

1)艇体底部开凹口会破坏艇体表面的光顺性，引起阻力的增加，通过增加遮挡板的方式最大程度保证艇体的光顺，尽可能减小阻力的增加。

2)拦截器方案在低速区和高速区阻力增加明显，航速30 km/h时的减阻效果不大，不适用于排水型艇和滑行艇的减阻。

3)艉压浪板、楔形块和拦截器减阻的原理是调整艇体滑行时的姿态，降低艉倾，达到减阻的效果，艉压浪板和楔形块没有破坏艇体的光顺性，减阻效果优于拦截器。

4)艉压浪板和楔形块减阻原理和减阻效果基本一致，在选用时，可根据具体需要选择。

5)艉压浪板、楔形块和拦截器的角度和长度进一步增加后对艇体阻力的影响，需要开展研究。

[1] 董祖舜. 我国对滑行艇、半滑行艇流体动力性能方面的研究及其进展[J].武汉造船，1995，1(2):1-6.

[2] 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):1209-1215.

[3] 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.

[4] 王文江,宗智,倪少玲，等.半滑行艇阻流板阻力试验研究[J].中国舰船研究,2012,1(7):18-22.

[5] 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.

[6] Sverre Steen. Experimental investigation of interceptor performance[C]. 9thInternational Conference on Fast Sea Transportation FAST 2007.Shanghai,China:FAST,2007.

[7] BRIZZOLARA S.. Hydrodynamic analysis of interceptors with CFD methods[C]. 7thInternational Conference on Fast Sea Transportation.Naples:FAST,2003.

Model Tests on Resistance Reduction Measures of a Semi-planing Ship with New Style Cooling Device

ZHUANG Jia-hai1,2, ZHANG Huai-xin1, LIN De-qun2, GAO Lei3, WEN Pan2

(1.Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China;2.The First Engineers Scientific Research Institute, Wuxi Jiangsu 214035, China;3.China Ship Science Research Center, Wuxi Jiangsu 320200, China)

In order to reduce the resistance of semi-planing ship with new style cooling device, the resistance reduction measure of half-covering plate on cooling device, spray strip or interceptor or wedge block installed in the stern were applied. Experimental results showed that in the new style cooling device with half-covering plate the drag reduction effect reaches 8%, the resistance reducing effect of spray strip and wedge block to reach 15%, the drag reduction schemes obtained obvious improvement.

new style cooling device; semi-planing ship; ship model test; resistance

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.003

2016-12-19

国家自然科学基金(11272213；51479116)

庄加海(1979—)，男，硕士，工程师

研究方向：船舶水动力学

U661.3

A

1671-7953(2017)04-0012-04

修回日期：2016-12-27