前三體船概念及其阻力和運動性能試驗研究

賈敬蓓 宗 智 張文鵬

1大連海洋大學 海洋工程學院，遼寧 大連 116023 2大連理工大學工業裝備結構分析國家重點實驗室運載工程與力學學部船舶工程學院，遼寧大連 116024

前三體船概念及其阻力和運動性能試驗研究

賈敬蓓1宗 智2張文鵬2

1大連海洋大學 海洋工程學院，遼寧 大連 116023 2大連理工大學工業裝備結構分析國家重點實驗室運載工程與力學學部船舶工程學院，遼寧大連 116024

采用模型試驗方法研究了三體船側體的縱向位置變化對三體船阻力性能和運動性能的影響。模型試驗包括三體船在靜水中的阻力試驗和在規則波中的運動試驗兩部分。實驗結果表明，三體船側體的縱向位置對三體船阻力和運動性能的影響顯著；在高航速段，將側體的縱向位置選取在主體舯前位置，能明顯改善三體船的阻力性能和運動性能。基于此，提出前三體船的概念。

前三體船；阻力性能；運動性能；模型試驗

1 引言

與常規排水型單體船相比，高速三體船具有甲板面積寬、快速性好、耐波性優、穩性好、抗沉性高、生存能力強、改裝余地大等優點，是一種在軍用、民用市場均有廣闊應用前景的新船型。

自20世紀70年代起，三體船逐漸受到世界各國研究人員的關注［1］，有關三體船阻力和運動性能方面的研究也成為熱點，其研究方法主要有理論分析、船模試驗和數值計算。其中，船模試驗因其結果的可靠性而備受人們關注，但因船模試驗的費用高且耗時，因此，目前有關三體船船模試驗的數據和資料并不多。近來，國際上在三體船阻力和運動性能方面進行了大量試驗研究。Ackers等［2］進行了大量的三體船模型阻力試驗，并通過試驗結果論述了三體船側體的橫向縱向位置、對稱性、排水量及攻角等對三體船阻力特性的影響。李培勇等［3－4］對圓舭細長船體的三體船模型進行了阻力和運動模型試驗。顧敏童等［5］對高速小水線面三體船船型進行了阻力模型試驗。Degiuli等［6］對主體和側體均為Wigley船型的高速三體船進行了阻力模型試驗。Se等［7］對主體采用半滑行艇線型的三體船進行了阻力模型試驗。何木龍等［8］應用均勻設計法進行了三體船模型試驗，并根據試驗結果系統地分析了三體船的興波干擾特性及其阻力性能。酈云等［9］對主體和側體均為Wigley船型的高速三體船模型進行了阻力試驗研究。唐豐等［10］提出了一種新型的三體船型，其主體和側體具有相同的線型，但主體主尺度小于側體主尺度，并對這種三體船型的阻力性能進行了模型試驗研究。蔡新功等［11］選取一個主體為圓舭船型、側體為尖舭船型的三體船進行了模型阻力試驗。Hebblewhite等［12］通過模型試驗研究分析了三體船側體的縱向位置變化對三體船運動響應的影響。

本文三體船模型的主體和側體均選取方尾折角線型，通過模型試驗研究三體船側體的不同縱向位置對三體船阻力和運動性能的影響，并依據試驗結果，提出“前三體船”的概念。

2 三體船模型試驗

2.1 模型設計

三體船模型的主船體選取的是一個方尾折角線型的船體，兩個側體是在主船體的基礎上按4∶1的比例縮小后略加修改得到的。主體與側體之間通過兩個平行的木質橫梁連接，這樣不僅能保證三個片體之間的固定連接，又能方便側體在橫向、縱向位置的移動。三體船模型的橫剖面示意圖如圖1所示，主要船型參數如表1所示。

表1 三體船模型的主要船型參數Tab.1 Main particulars of a trimaran model

三體船的兩個側體相對于主體有許多不同的擺放位置，這些不同的擺放方式稱之為三體船的不同構型。為便于描述主體與側體之間的相互位置關系，選取了一個直角坐標系。坐標系原點o位于設計水線面上主船體的船中位置，ox軸沿船長方向且指向船首為正，oy軸沿船寬方向且指向左舷為正。示意圖中的變量a和b分別表示三體船側體相對于主體的縱向和橫向位置，其中變量a代表側體船中與主體船中之間的距離，且當側體船中位于主體船中之前時，a的取值為正；變量b代表側體中縱剖面與主體中縱剖面之間的距離，b的取值始終為正。三體船模型的構型示意圖如圖2所示。

2.2 試驗方案設計

本文設計的模型試驗是將側體的橫向位置保持不變，即設定b=0.7 m，只變換側體的縱向位置。沿著主體的船長方向，由船尾至舯前共選取了5個不同的側體縱向位置，并據此設計得到了5種不同的三體船構型，具體參數如表2所示。

表2 三體船構型參數Tab.2 The parameters of different trimaran configurations

三體船模型試驗在大連理工大學船模拖曳水池中進行，該水池長160 m，寬7 m，水深3.7 m。

模型試驗共包括兩大部分：一是三體船在靜水中的阻力試驗，其傅汝德數變化范圍為Fn=0.1～1.0；二是三體船在規則波中的運動響應試驗，具體如表3所示。表中的λ代表規則波波長；β代表浪向角，且β＝180°為迎浪。

表3 三體船在規則波中的運動試驗Tab.3 The trimaran motion tests in regular waves

3 三體船阻力性能

三體船模型在靜水中的總阻力試驗如圖3所示。試驗測得的是不同構型三體船的總阻力Rt（單位 N）。

本文采用ITTC－57公式計算摩擦阻力系數：

式中，Cf為摩擦阻力系數；Re為雷諾數，Re＝。 其中，V 為 航速，m／s；L 為船長，m；ν 為水的運動粘性系數，m2／s，取ν＝1.0× 1 0－6。

三體船的主體和側體雖具有相同的航速，但其船長卻不相同，因而主體和側體的雷諾數也不相等。所以，必須將主體和側體的雷諾數及摩擦阻力系數分別進行計算。

根據公式（1），可分別計算得到主體和側體的摩擦阻力系數，然后再由公式（2）分別計算出主、側體的摩擦阻力，將三個片體的摩擦阻力疊加在一起，即可得到三體船總的摩擦阻力。

總阻力減去總摩擦阻力即得到三體船的剩余阻力，再由公式（3），即可求得三體船的剩余阻力系數。

式中，Rr為船模的剩余阻力，N；ρ為水的密度，1 000 kg／m3；V 為船模的航速，m／s；S 為船模的濕表面積，m2。

經換算得到的各構型三體船剩余阻力系數隨傅汝德數變化的曲線如圖4所示。

從圖 4 可看出，在Fn＝0.1～0.2 區間內，各種構型三體船的剩余阻力系數相差不大，這是因為在此區間內，摩擦阻力是三體船總阻力的主要成分，而剩余阻力所占比重較小。在 Fn＝0.2～1.0 區間內，不同構型三體船的剩余阻力系數之間差別明顯，這是因為在此區間內，剩余阻力已成為三體船總阻力的主要成分，而不同構型的三體船，其主體與側體之間所產生的興波干擾現象互不相同，從而導致各構型之間的剩余阻力差別明顯。為便于分析，將Fn＝0.2～1.0區間大致劃分為3個區間，即 Fn＝0.2～0.5，Fn＝0.5～0.65 和 Fn＝0.65～1.0，具體如圖 5～7 所示。

圖 5 是 Fn＝0.2～0.5 區間內各構型三體船的剩余阻力系數曲線圖。從圖中可看出，在這一區間內，各種構型三體船的剩余阻力系數均有較大的波動， 而其中a＝－0.7和 a＝0.0這兩種構型的曲線波動尤為強烈。這主要是因為三體船主體與側體之間產生了強烈的相互干擾，且相互干擾效果隨傅汝德數的變化也在不斷變化。當主體與側體之間產生了有利的相互干擾時，興波阻力就會大大減小，從而使剩余阻力系數降低；而當主體與側體之間產生了不利干擾時，興波阻力就會大大增加，從而使剩余阻力系數升高。

具體地， 當Fn＝0.27～0.32 時，a＝－0.7 構型的剩余阻力系數是所有構型中最小的，在波谷Fn＝0.29處，其剩余阻力系數值比同傅汝德數時的最大值（a＝0.0 構型） 減小了約 39%； 當Fn＝0.32～0.41時，側體縱向位于主體船舯的a＝0.0構型的剩余阻力系數遠小于同傅汝德數時的其他構型，在其系數曲線波谷Fn＝0.36處，其系數值比同傅汝德數時的最大值（a＝-1.0）減小了約30%。在Fn＝0.41～0.50 區間內，a＝0.0 和a＝－0.7 這兩種構型產生的剩余阻力是5種構型中的較大者，其余3種構型的剩余阻力均較小，且相互之間差別不大。

圖 6 是Fn＝0.5～0.65 區間內各構型三體船的剩余阻力系數曲線圖。從圖中可看出，側體縱向位于主體舯前的a＝1.0構型的剩余阻力系數是所有構型中最小的，其系數值與同傅汝德數時的最大值相比降低了10%以上。

圖 7 是 Fn＝0.65～1.0 區間內各構型三體船的剩余阻力系數曲線圖。從圖中可看到，5種構型的剩余阻力系數曲線沒有任何交叉，且相互之間幾乎呈平行狀態分布。按照圖中曲線自下而上的順序（剩余阻力系數由小到大）排列，依次為a＝1.0、a＝0.0、a＝－0.7、a＝－1.0、a＝－1.3，即隨著側體縱向位置從主體船尾向主體舯前移動，三體船的剩余阻力也在不斷減小。在本試驗范圍內，側體縱向位于主體舯前的a＝1.0構型的剩余阻力最小，與此區間內剩余阻力最大的a＝－1.3構型相比，降低了約30%。

4 三體船運動性能

將三體船模型試驗測得的縱搖幅值、垂蕩幅值和橫搖幅值分別進行無量綱處理后，得到了縱搖放大因數 θA／α0、垂蕩放大因數 ZA／A0和橫搖放大因數 ΦA／α0。 其中，θA為縱搖幅值，rad；ZA為垂蕩幅值，m；ΦA為橫搖幅值，rad；A0為規則波的波幅，m；α0為規則波的波傾，α0＝kA0＝2πA0／λ，rad。

將試驗數據進行處理后，得到的結果可分成以下4部分，即

1） 三體船縱搖運動響應 （Fn ＝0.234，Fn ＝0.494，Fn ＝ 0.701）；

2） 三體船垂蕩運動響應 （Fn ＝0.234，Fn ＝0.494，Fn ＝ 0.701）；

3） 三體船橫搖運動響應（Fn＝0.0）；

4）三體船在規則波中的總阻力 （Fn＝0.234，Fn ＝ 0.494，Fn ＝ 0.701）。

4.1 三體船縱搖運動響應

圖 8～10 分別表示 Fn ＝0.234、Fn ＝0.494 和Fn＝0.701時各構型三體船的縱搖放大因數隨遭遇頻率的變化曲線。從圖中可看到，在中低速段（Fn＝0.234），側體縱向位于主體船舯的構型其縱搖性能相對較好；而在高速段 （Fn＝0.494、Fn＝0.701），側體縱向位于主體船舯或舯前的構型其縱搖性能較好。

4.2 三體船垂蕩運動響應

圖 11～13 分別表示 Fn＝0.234、Fn＝0.494 和Fn＝0.701時各構型三體船的垂蕩放大因數隨遭遇頻率的變化曲線。從圖中可看到，在中低速段（Fn＝0.234），側體縱向位于主體船舯的構型其垂蕩性能相對較好；而在高速段 （Fn＝0.494、Fn＝0.701），側體縱向位于主體舯前的構型其垂蕩性能較好。

4.3 三體船橫搖運動響應

圖14為各構型三體船在零航速時的橫搖放大因數隨遭遇頻率的變化曲線。從圖中可看到，在ωe＜4.5的低頻區域內，橫搖性能較好的是側體縱向位于主體船舯的構型；而在ωe＞4.5的高頻區域內，橫搖性能較好的是側體縱向位于位于主體舯前的構型。

4.4 三體船規則波中總阻力

圖 15～17 分 別是 Fn ＝0.234、Fn ＝0.494 和Fn＝0.701時各構型三體船在規則波中的總阻力。由圖中可看到， 在高航速段 （Fn＝0.494、Fn＝0.701），側體縱向位于主體舯前的構型其在規則波中的阻力性能優勢非常明顯。

5 前三體船船型

根據本文的試驗結果可以看到，在Fn＞0.50的高速段，將三體船側體的縱向位置選取在主體船舯之前能顯著改善三體船在靜水中和規則波中的阻力性能。 同時，參考高速段（Fn ＝0.494、Fn ＝0.701）的運動響應試驗結果可以看到，在Fn ＞0.50的高速段，側體縱向位于主體舯前的三體船構型能產生整體上較優的運動性能。

基于這些試驗結果，本文提出“前三體船”這一新的三體船船型。這種三體船船型的側體縱向位置位于主體舯前，如圖18所示。

6 結論

本文通過三體船阻力和運動模型試驗，研究了三體船側體縱向位置變化對三體船阻力和運動性能產生的影響，得到以下主要結論：

1）在Fn＜0.2區間內，摩擦阻力是三體船總阻力的主要組成部分，三體船的構型變化對阻力影響很小。

2） 在 Fn＝0.2～0.5 區間內，三體船主體與側體之間的相互興波干擾較強烈，且這種干擾現象是隨傅汝德數和三體船構型的變化而不斷變化。

3）在Fn＞0.50的高速段，對于側體縱向位于主體舯前的三體船構型，其在靜水中和規則波中的阻力性能明顯優于其他側體縱向位于主體船舯和舯后的構型。

4）在Fn＞0.65的高速段，三體船剩余阻力大小與側體縱向位置之間具有明顯的規律性，即隨著側體縱向位置從主體船尾向舯前方向移動，三體船的剩余阻力也不斷減小。

5）綜合比較來看，在中低速段，側體縱向位于主體船舯的構型能獲得較好的縱搖和垂蕩性能；而在高速段，側體縱向位于主體舯前的構型能獲得較好的縱搖和垂蕩性能。在低頻區域內，側體縱向位于主體船舯的構型其橫搖性能較好；而在高頻區域內，側體縱向位于主體舯前的構型其橫搖性能較好。

6）基于本文的試驗結果和分析，本文提出了“前三體船”這一新的三體船船型概念。

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Fore-Body Trimaran and Experimental Study of Its Resistance and Motion Characteristics

Jia Jing－bei1 Zong Zhi2 Zhang Wen－peng2
1 College of Ocean Engineering， Dalian Ocean University， Dalian 116023，China
2 School of Naval Architecture Engineering， Faculty of Vehicle Engineering and Mechanics， State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment， Dalian University of Technology，Dalian 116024，China

The resistance and motion characteristics of trimaran hull form have been studied by experimental method.The model experiment consists of two parts： the resistance experiment on calm water and the motion experiment in regular waves.According to the experimental data， it can be found that the longitudinal arrangement of the side－hulls plays an important role in trimaran resistance and motion characteristics.For high speed range， the trimaran resistance and motion performance could be significantly improved by placing the side－hulls before the mid－ship of the main hull.Based on the experimental results， a new ship type known as fore－body trimaran is presented.

semi-planing fore－body trimaran； resistance characteristics； motion characteristics； model test

U661.31

A

1673－3185（2011）02－09－06

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.02.002

2010-04-12

創新研究群體科學基金：海洋環境災害與結構安全防護（50921001）；國家重點基礎研究發展計劃項目：復雜裝備研發數字化工具中的計算力學和多場耦合若干前沿問題（2010CB83270）

賈敬蓓（1984－ ） ，女，博士，講師。 研究方向：船舶水動力學。 E-mail：jiajingbei＿1221＠163.com

宗 智（1964－ ），男，教授，博士生導師。 研究方向：船舶與海洋工程。E-mail：zongzhichina＠163.com