千噸級高耐波性單體復合船型模型試驗研究

2011-02-27 09:06:40王許潔孫樹政趙曉東李積德欒景雷

船舶力學 2011年4期

王許潔，孫樹政，趙曉東，李積德，欒景雷

（哈爾濱工程大學船舶工程學院，哈爾濱 150001）

1 引言

近年來，哈爾濱工程大學研發了一種加裝組合附體的單體復合船型[3]，在常規單體船艏下部安裝橢圓剖面流線型半潛艏，在半潛艏兩側安裝三角翼型鰭，并成功進行了450噸級艇加裝該組合附體的實艇海試驗證[5]，研究表明組合附體可以顯著地抑制船舶的縱向運動，實現波浪中高速航行。

本文對前期研發的千噸級單體復合船型進行快速性和耐波性試驗研究，通過對千噸級圓舭母型船、加裝組合附體及改進深V型加裝組合附體等復合船型方案進行模型試驗，分析比較了不同方案的阻力性能和耐波性能，優選出阻力和耐波性能良好的深V單體復合船型方案。

2 模型尺度和安裝位置

2.1 試驗模型尺度

模型試驗是在哈爾濱工程大學船模拖曳水池進行的，加裝組合附體的單體復合船型模型浮態與母船一致。

模型縮尺比1:25，船型模型尺度見表1。

表1 船型模型尺度Tab.1 Main dimension of the ship

半潛艏中縱剖面為NACA翼型，橫剖面為橢圓形，g1，g2，g3表示圓舭船型加裝組合附體的3種方案，V1，V2，V3表示深V船型加裝組合附體的3種方案，尺度見表2。

表2 半潛艏尺度及編號Tab.2 Dimension and number of the appendage

5個鰭的平面為三角形，剖面為ЦАГИ翼型，編號和尺度見表3。

表3 鰭的尺度及編號Tab.3 Dimension and number of the fin

2.2 組合附體的安裝位置

考慮組合附體尺寸布局對復合船型阻力性能的影響，結合前期研究成果，選定組合附體的安裝位置。半潛艏安裝位置是艏緣在0站處，首緣中心在基線下 20mm；鰭的安裝位置是：對于圓舭船型（圖1），鰭的首緣距0站300mm，對于深V船型（圖2），鰭首緣距0站310mm。

圖1 原船型橫剖面圖Fig.1 The body section of original ship

圖2 改進深V船型橫剖面圖Fig.2 The body section of improved deep-V ship

圖3 組合附體安裝示意圖Fig.3 The fitted situation of appendage

3 試驗結果及分析

3.1 靜水阻力試驗

通過對半潛艏和鰭的多種組合方案進行靜水阻力試驗，優選出阻力性能良好的g1f4和v3f5方案，圖4為圓舭原型g0，原船型加裝組合附體g1f4，深V船型v0與加裝組合附體v3f5的靜水阻力結果比較，其中R為模型阻力，V為模型對應速度。圖5，圖6為各船型靜水航行的升沉和縱傾曲線，其中Z為升沉值；θ為縱搖角，尾傾為正；V為模型對應速度。

圖4 靜水阻力曲線Fig.4 Still water resistance results

圖5 靜水中航行升沉曲線Fig.5 Sinkage in still water experiments

由試驗結果可以看出：

（1）改進的深V船型與圓舭母型相比，靜水阻力略有增加，但增幅不大。

（2）圓舭母型和改進深V船型在加裝組合附體后，低速時的靜水阻力有較大的增加，船模速度0.93m/s時，g1f4方案比g0原型阻力增加10.7%，v3f5方案比v0方案阻力增加10.6%；隨著航速的提高，阻力值逐漸與原船型接近，船模速度2.16m/s時，g1f4方案比g0原型阻力增加2.8%，v3f5方案比v0方案阻力增加0.3%；高速時，阻力甚至低于母船型，船模速度3.08m/s時，g1f4方案比g0原型阻力減小0.4%，v3f5方案比v0方案阻力減小0.8%。分析原因，低速時摩擦阻力在總阻力中比例較大，加裝組合附體后的復合船型濕表面積比原船型有所增加，而且在航行中復合船型下沉比原船型大，因此阻力增加明顯；隨著航速的提高，興波阻力所占比例逐漸增大，組合附體與主船體產生有利干擾，使興波阻力減小，從而使總阻力與原船型趨近甚至減小。

圖6 靜水中航行縱傾曲線Fig.6 Trim in still water experiments

（3）加裝組合附體后，復合船型的航態與原船型相比略有變化，復合船型航行中下沉變大，航速越高，下沉越大；縱傾角在低速時變化不大，隨著航速增加，尾傾越小。

3.2 耐波性試驗

3.2.1 規則波試驗

圖7 升沉運動響應曲線（Fn=0.32）Fig.7 Heave response(Fn=0.32)

圖8 縱搖運動響應曲線（Fn=0.32）Fig.8 Pitch response(Fn=0.32)

圖9 艏部加速度響應曲線（Fn=0.32）Fig.9 Bow vertical acceleration(Fn=0.32)

圖10 舯部加速度響應曲線（Fn=0.32）Fig.10 Middle vertical acceleration(Fn=0.32)

圖11 艉部加速度響應曲線（Fn=0.32）Fig.11 Stern vertical acceleration(Fn=0.32)

圖12 升沉運動響應曲線（Fn=0.42）Fig.12 Heave response(Fn=0.42)

圖13 縱搖運動響應曲線（Fn=0.42）Fig.13 Pitch response(Fn=0.42)

圖14 艏部加速度響應曲線（Fn=0.42）Fig.14 Bow vertical acceleration(Fn=0.42)

圖15 舯部加速度響應曲線（Fn=0.42）Fig.15 Middle vertical acceleration(Fn=0.42)

圖16 艉部加速度響應曲線（Fn=0.42）Fig.16 Stern vertical acceleration(Fn=0.42)

圖17 升沉運動響應曲線（Fn=0.53）Fig.17 Heave response(Fn=0.53)

圖18 縱搖運動響應曲線（Fn=0.53）Fig.18 Pitch response(Fn=0.53)

圖19 艏部加速度響應曲線（Fn=0.53）Fig.19 Bow vertical acceleration(Fn=0.53)

圖20 舯部加速度響應曲線（Fn=0.42）Fig.20 Middle vertical acceleration(Fn=0.42)

對g0、g1f4、v0及v3f5方案的船型模型在三個航速下進行迎浪規則波試驗，試驗測量模型縱搖、升沉、艏部第1.5站、舯部第10站和艉部第19站處的加速度。試驗波幅取25mm，波長范圍0.5～2.5倍船長。圖7～21為各方案在航速 18kns（Fn=0.32）、24kns（Fn=0.42）、30kns（Fn=0.53）各參數的幅頻響應函數曲線的比較。其中，λ為波長，L為設計水線長，Z為升沉值，ζa為波幅，θ為縱搖角，k為波數，A1為艏部加速度，A2為舯部加速度，A3為艉部加速度，g為重力加速度。

由規則波試驗結果可知，改進深V船型相比圓舭原船型在規則波中的縱向運動有了明顯減小，尤其在加裝組合附體后，單體復合船型在規則波中的縱向運動得到了較大抑制，高速時減搖效果更加突出。比較v3f5方案和g0原船型的試驗結果，在Fn=0.32時，對于升沉運動峰值減小31%，縱搖運動峰值減小28.8%，艏部加速度峰值減小27.1%，舯部加速度峰值減小31.2%，艉部加速度峰值減小28.9%；在Fn=0.42時，對于升沉運動峰值減小15.1%，縱搖運動峰值減小15.3%，艏部加速度峰值減小24.7%，舯部加速度峰值減小21.1%，艉部加速度峰值減小20.7%；在Fn=0.53時，對于升沉運動峰值減小36.5%，縱搖運動峰值減小30.6%，艏部加速度峰值減小48.9%，舯部加速度峰值減小36.7%，艉部加速度峰值減小36.4%。總體看來，深V單體復合船型v3f5方案的耐波性得到大幅提升。