三体船纵向减摇附体设计及减摇效果分析*

原 新 张 欣

(哈尔滨工程大学自动化学院 哈尔滨 150001)

三体船纵向减摇附体设计及减摇效果分析*

原 新 张 欣

(哈尔滨工程大学自动化学院 哈尔滨 150001)

三体船由于其快速性好、效率高、稳定性优良而备受青睐.为了减小由于侧体存在带来的纵摇和垂荡对船体运动性能的影响，在船底部四个位置安装三种水平翼距船底基线高度以及四种翼面迎流攻角共11种工况进行模型仿真；在主体船尾安装三种弦长、三种下反角共六种工况的压浪板.经研究，通过比较安装两种减摇附体前后三体船的水动力性能，得到T型翼较佳的安装位置和迎流攻角以及压浪板的最佳弦长和下反角.

三体船；T型翼；压浪板；纵向减摇；模型仿真

三体船是在工业、军事上都很有发展前景的新兴高速船，由于其快速、灵活、稳定的特点，逐渐成为了现今研究的热点.但是细长的船体带来的纵摇和垂荡问题对其适航性带来很大影响.为了解决这一问题，上世纪90年代，T型翼作为新型减摇附体逐渐成为一种有效的减摇工具.由于侧体使得三体船横摇力矩增大，所以一般无需考虑横摇运动，而纵摇则一直是研究人员关心的热点问题.杨强等[1]对T型翼进行了水动力系数进行了分析，使用面元法进行仿真得到不同安装位置对于垂荡的影响，但是并未对T型翼迎流攻角进行讨论；刘英和等[2]对尾压浪板的升力及耐波性进行了分析，但并没有给出压浪板的最佳迎流角度和弦长.针对以上问题，本文分析了T型翼不同安装位置、不同攻角共11种情况、压浪板不同弦长、不同下反角共6种情况进行简要效果仿真分析，比较安装不同参数减摇附体和压浪板参数.

1 计算模型

1.1 三体船建模

本文只对三体船纵向运动进行分析，所以只考虑垂荡和纵摇两个方向的运动效果.仿真所用三体船的参数数据见表1.

表1 三体船模型主要参数

对于上述三体船使用CAD建立三体船三维模型，模型见图1.

图1 三体船三维模型

1.2 T型翼建模

仅在垂荡和纵摇两个方向上用伯努利方程计算T型翼的升力系数Cl和阻力系数Cd.为了方便计算和分析，对于由于运动产生的T型翼惯性力不进行讨论.T型翼升力为

(1)

式中：S为翼的表面积，m2；Cl为实验得到的翼的升力系数；αf(l)为翼攻角，rad.

由于攻角对于实验结果的影响很小，在此将按照如下公式计算并检验实验结果.

(2)

运动时T型翼受到的水的粘滞阻力为

(3)

由傅里叶变换知：

(4)

再取：

(5)

则阻力：

(6)

式中：Cd为阻力系数.

使用NACA0012翼型，T型翼的具体参数见表2，建立的三维模型见图2.

表2 T型翼模型主要参数

图2 T型翼三维模型

1.3 压浪板建模

压浪板是固定安装在三体船中体船尾处的减摇附体，国内对于压浪板的一些研究表明[3-4]：压浪板的主要作用是使“鸡尾流”长度增加、高度减小，减小尾浪和碎波，减小尾波能量损耗；加装压浪板相当于增加船舶虚长度，降低兴波阻力；加装压浪板有助于调整船舶航行姿态改善纵倾；压浪板改变了船舶后体流场，降低尾部流体速度，增加了尾部压力从而产生推进船舶前进的推力.

本文所使用的压浪板有3×3共九种情况，表3为压浪板的基本参数.图3是压浪板的三维模型.

表3 压浪板模型主要参数

图3 压浪板三维模型

2 计算域及参数设置

2.1 网格划分

分析减摇附体升力系数时使用网格划分，使用Fluent16.0的工作平台进行网格划分，其好处是给用户提供了主要CAD软件的双向连接功能以及ANSYS Meshing 先进的网格划分技术，仅需要简单的拖放操作就可以实现不同模块之间的数据共享，大大的提高了工作效率[5].利用Fluent软件进行流体仿真的过程可以可以分为阶段：计算前处理，计算求解和计算后处理.两个减摇附体的网格划分结果见图4～6.AQWA前处理使用ANSYS工作工作平台进行操作，处理的主要目的是将升力阻力、网格特性、遭遇角频率等信息整合生成.DAT文件；在AQWA后处理中将.DAT文件拉入Aqwa16.0中，导入成功后将窗口关闭.接着打开AqwaGS，在其中打开.RES文件，再结合MATLAB得到纵向水动力特性.

图4 T型翼网格划分结果

图5 压浪板网格划分结果

图6 AQWA中三体船网格模型(带压浪板)

2.2 数值求解

讨论3+4+4=11种T型翼工况，3+3=6种压浪板工况，分别将不同的减摇装置安装在三体船上，在Workbench平台上进行仿真，由于减摇附体的设计初衷是降低三体船高速运动下的纵向运动，所以本实验中船舶航速固定为40 kn(Fr=0.744,V=4.26 m/s)，得到不同参数附体的减摇效果，通过比较得到最优的附体尺寸.两种附体尺寸见表4～5.

表4 T型翼工况

表5 压浪板工况

3 试验结果比较和分析

3.1 裸船在规则波中的运动响应

为了简化仿真过程，假设海浪输入是规则的正弦波.讨论某三体船加装减摇附体前后的运动响应，来研究减摇附体对于三体船纵向运动的抑制作用，实验中三体船模型参数见表1.在规则波中设定船舶航速为40 kn(Fr=0.744)，波高h选择0.1 m.

波长计算公式为

(7)

式中：ω为圆频率，相应的遭遇角频率为0.5～2.8 rad/s.λ为23.009～345.319 m.当1≤λ/L≤3时三体船与海浪的频率拟合，易发生共振使得在这个区间船舶纵向运动幅度过大，实验效果失真，而本实验中对应λ值的λ/L为7.669 8～115.11，满足上面要求.得到裸船垂荡和纵摇的运动响应曲线见图7.

图7 裸船运动响应曲线

裸船运动响应垂荡最大值1.029 1 m，纵摇角最大值为6.947°，且在船速固定时，迎浪航行时随着遭遇角频率ω的增大，三体船纵向运动响应严重.

3.2 加装减摇附体后的运动响应

3.2.1 T型翼减摇效果分析

保证三体船迎浪航进，且航速固定为40 kn，即Fr=0.744,分别比较影响T型翼减摇效果的三个因素:距船底高度、迎流攻角、安装位置，有以下三种分析方案.

1) 比较不同翼杆长度时要保证迎流攻角α、安装位置固定(选定α=0°，距船头300 mm处)，仿真得到纵向运动响应见图8.

2) 固定变量距船底高度、安装位置(0.1 m，距船头300 mm)，只改变T型翼迎流攻角α，仿真得纵摇、升沉结果见图9.

3) 保持距船底高度和迎流攻角固定(翼杆0.1 m，α=3°)，改变T型翼的安装位置，得到三体船纵摇和升沉运动响应见图10.

图8 三体船垂荡、纵摇极值(α=0°，距船头300 mm)

由图8可知，三种距船底距离的情况中，距船底0.1 m的纵摇减摇效果最好，在实际作业中如何选择T型翼连杆长度要结合实际情况综合考虑，一般的实际船体设计中都会将连杆长度选择离船底越近越好.

图9 三体船纵摇、升力(翼杆0.1 m，距船头0.3 m)

由图9可知，不同迎流攻角时为三体船所提供的升力和减摇效果不同，其中减摇效果最佳的迎流攻角是3°，且随着迎流攻角的增加T型翼提供的升力和阻力也会增大，所以综合考虑后选择最佳的角度为0°～5°.

图10 三体船纵摇、升力(翼杆0.1 mm，α=3°)

由图10可知，T型翼的安装位置越靠前，减摇效果越好，对于本实验所选数据距船头300 mm的位置对于三体船的纵向运动减摇效果最好.

同时使用Fluent仿真得到T型翼可为三体船提供的升力和阻力值见表6.

表6 T型翼提供的升力、阻力

由表6可知：

1) T型翼杆长度为船舶提供的阻力影响不大，对船舶升力有一定影响，但是在实际工程中要综合考虑升力、阻力的影响，同时要结合实际工况，考虑港口水深的限制，应尽量减小距船底高度.综合以上，在本文所讨论的三种翼杆长度中选择0.05 m杆长为最佳.

2) 随着迎流攻角的增大，为船舶提供的升力增大，但同时也会导致船舶受到的阻力增加，当迎流攻角为0°和3°时的阻力性能优于其他方案.T型翼可提供的迎流攻角在(-15°,+15°)，但是由经验可知，在±10°左右会由于雷诺系数过低导致失速现象，所以只控制T型翼工作在迎流攻角(-10°，+10°).

3.2.2 压浪板减摇效果分析

由于压浪板固定安装在三体船中体尾部，所以影响其减摇效果的因素只有弦长和压浪板下反角β，对结果进行比较分析：

1) 首先保持下反角为β=6°，讨论弦长分别为30，60，100 mm(工程上弦长选为0.01～0.02Lw1，Lw1为船体水线长[6-7])时的三体船纵摇、升沉效果.仿真结果见图11.

2) 固定弦长为60 mm，分别对下反角为3°，6°，9°的压浪板在Fluent和AQWA中分析，得到运动纵摇和升沉响应曲线见图12～13和表7.

图11 三体船垂荡、纵摇(β=6°)

图12 三体船垂荡、纵摇(弦长为60 mm)

图13 加装压浪板浪高等值线(6°/600 mm)

弦长(β=6°)/m0．030．060．10升力/N-9．0226-25．991-7．5699尾浪高/m0．88360．87970．8647下反角(弦长=0．06m)/(°)369升力/N-8．1491-25．991-20．031尾浪高/m0．87970．87980．8799

由图13～14及表7可得如下结论：

1) 三体船加装压浪板对降低纵向垂荡有一定作用，但是对纵摇角度的改善作用不大.在遭遇角频率为1.2 rad/s时三体船纵摇角度效果最差，0.8 rad/s时垂荡最大；随着遭遇角频率的增加，三体船垂荡和纵摇值都有下降，且会趋于平稳.

2) 压浪板的主要作用是增加船体虚长度，减小尾浪和碎波.表7给出加装压浪板后三体船尾浪高(输入浪高为1 m).

3) 压浪板减小三体船尾部下方的流体速度，使得尾部压力增加，由表7可知在β=6°时对尾部提供的最大推力的尾板长度为60 mm，在弦长为60 mm时下反角β=6°提供了最大推力.综合表中数据，后续实验将选定下反角β=6°,弦长为60 mm的压浪板.

4 结 束 语

文中讨论在规则海浪波中对高速三体船安装纵向减摇装置，讨论两种减摇装置对于三体船的减摇效果，并讨论结果得出最佳的装置设计参数.试验结果表明，在遭遇角频率在0.422 49～1.636 7 rad/s时在0.8 rad/s左右垂荡最大，在1.2 rad/s左右时纵摇角度最大；综合考虑减摇效果和升力阻力特性，T型翼的最佳安装参数和位置为：距船底0.1 m，距船头300 mm，迎流攻角3°；压浪板的最佳参数和位置为：下反角β=6°，弦长为60 mm.本文尚有不完善之处，未考虑不同航速时的减摇效果，也只考虑了NACA0012一种T型翼翼型，且没有对于三体船在不规则海浪中进行试验，后续将对于这些问题再进行具体分析.

[1]杨强，林壮，郭志群.三体船适配T型翼减摇效果理论分析及仿真[J].中南大学学报(自然科学版)，2013(7):186-196.

[2]刘英和，吴启锐，许晟，等.尾压浪板升力研究及其对WPC耐波性的影响[J]. 中国造船，2015(2)：57-63.

[3]DENG R, LI C, HUANG D B, et al. Research on the resistance and motions of a trimaran in regular waves of different wave amplitudes[C]. 2nd Conference of Global Chinese Scholars on Hydrodynamics,2016.

[4]刘英和，王桂云，王侨.等.尾压浪板对穿浪双体船耐波性影响[J].中国水运, 2016(2):12-13.

[5]董哲.复合型小水线面三体船阻力及纵向运动预报[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学,2013.

[6]谢宜.穿浪双体船尾板减阻数值分析[J].海军工程大学学报，2012(2)：82-86.

[7]董文才，姚朝帮.中高速深V型船阻力预报方法及尾板减阻机理[J].哈尔滨工程大学学报，2011，32(7)：848-851.

The Design of Longitudinal Damping Appendage and the Effect on Trimaran

YUAN Xin ZHANG Xin

(CollegeofAutomation,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China)

Trimaran has become popular in recent years, due to its rapidity, high efficiency and good stability. In order to reduce the influence of pitch and heave motions induced by the two lateral elements on the trimaran motions, 11 working conditions are considered for model simulation of the fails which are placed at 4 longitudinal positions of the ship bottom with 4 attacking angles and 3 distances to the ship bottom. In addition, 6 working conditions are analyzed by installing flaps with 3 chord and 3 kinds of angle in the stern of the main body. By comparing the hydrodynamic performances of the trimaran, the better installation location of T-fail and the best chord and angle of flaps are obtained.

trimaran; T-foil; flaps; longitudinal damping; model simulation

2017-03-17

*国家自然科学基金项目资助(5137904)

U661.323

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.04.004

原新(1974—)：女，博士，副教授，主要研究领域为自动控制原理、船舶水动力试验技术