水動反沖擊力及其應(yīng)用

陳振誠 陳 昕 陳 旸

（中國科學(xué)院國家天文臺 流體力學(xué)小組 北京 100012）

0 引 言

現(xiàn)有的常規(guī)船艇在風(fēng)浪中運(yùn)行時(shí)，在迎浪沖擊下，船艇艏部會先高高翹起，繼而又在波谷中跌落，顛簸失速、橫搖擺動，安全性較差。為此，我們提出了設(shè)置不同于常規(guī)船艇的船底浸濕面外形。即在船底縱向中心線的兩側(cè)設(shè)置平行對稱于中心線的涌浪導(dǎo)流槽，在兩船舷設(shè)置壓浪阻濺流擋板。槽或擋板的頂部曲面前低后高、對船底基面形成傾角α，α大于船艇縱向底面對水平面的滑行攻角θ。因此當(dāng)船艇在風(fēng)浪中運(yùn)動時(shí)，會在導(dǎo)流槽和擋板中激起足夠強(qiáng)大的水動反沖擊力和與之相應(yīng)的航向穩(wěn)定扶正力矩，確保船艇不偏離目標(biāo)；足夠強(qiáng)大的水動升力和相應(yīng)的船艇縱向穩(wěn)定扶正力矩，可消除船艇的縱搖拍擊；所產(chǎn)生的船艇橫向穩(wěn)定扶正力矩，則消除了船艇橫搖擺動，使船艇能平穩(wěn)、高速前進(jìn)。當(dāng)船艇在風(fēng)浪中轉(zhuǎn)彎時(shí)，會出現(xiàn)水動離心力、水動反沖擊力、水動升力，以及相應(yīng)的水動助回轉(zhuǎn)力矩、水動抗船體向心傾覆扶正力矩，這些力和力矩的作用確保船艇能以很小的回轉(zhuǎn)半徑，機(jī)動靈活、高速安全地轉(zhuǎn)彎。

1 迎浪前進(jìn)時(shí)的水動反沖擊力和水動力矩

在船艇迎浪前進(jìn)時(shí)，請參照我們前期《水動推進(jìn)力及其應(yīng)用》［1，2］一文中的圖 1，設(shè)置一條導(dǎo)流槽的水動力流場和相應(yīng)的水動力，求解方程、確定流體速度勢函數(shù)，證明解的唯一性，尋求作用在船底浸濕面上的水動力，并引用其中的式（43）～（46）。

船艇以速度U前進(jìn)，水流因風(fēng)浪以速度V向船艇沖擊，因此在槽和擋板中，水流運(yùn)動和船體運(yùn)動之間的相對速度為U+V。于是把U+V取代式 （43）～（46）中的 U，就得到:

作用在導(dǎo)流槽或擋板頂部曲面上的水動反沖擊力

水動升力

作用在導(dǎo)流槽外兩側(cè)浸濕面上的水動升力

水動阻力

上列各式中 Z=（δ2sinα-h2sinθ）/δ（δ+h）；

2 轉(zhuǎn)彎時(shí)的水動離心力和水動力矩

在船艇轉(zhuǎn)彎時(shí)，可參照我們前期《水動離心力及其應(yīng)用》［3］一文中的圖1，設(shè)置一條導(dǎo)流槽的水動力流場和相應(yīng)的水動離心力，求解方程、確定流體速度勢函數(shù)，證明解的唯一性，尋求作用在船底浸濕面上的水動力，并引用其中的式（16）～（20）。

船艇以速度U前進(jìn)，水流被風(fēng)浪推動以速度V向船體沖擊，因此在槽和擋板中，水流運(yùn)動和船體運(yùn)動之間的相對速度為U+V。用U+V取代式（16）～（20）中的U，就得到

作用在導(dǎo)流槽或擋板頂部曲面上水動反沖擊力

水動升力

作用在導(dǎo)流槽外兩側(cè)浸濕上的水動升力

水動阻力

作用在導(dǎo)流槽或擋板垂向壁面上的水動離心力

3 迎浪前進(jìn)時(shí)船底浸濕面的水動力分布

圖2 本船艇迎浪直線前進(jìn)時(shí)的受力示意圖

依據(jù)式（1）～（4），分析水動反沖擊力以及相關(guān)力矩的分布。請對比圖1與下頁圖2，其中圖1為常規(guī)船艇迎浪前進(jìn)時(shí)浸濕面上的水動力分布，圖2表示設(shè)置有導(dǎo)流槽和壓浪擋板的船底浸濕面迎浪前進(jìn)時(shí)的水動反沖擊力PV和相應(yīng)的航向穩(wěn)定扶正力矩MPV，水動升力LV和相應(yīng)的船體橫向穩(wěn)定扶正力MLV，有效抵抗船體橫搖擺動；M7V為迎浪激起的水動艏傾力矩，有效抵抗船艇縱搖擺動、顛簸失速。

由圖1可見，常規(guī)船艇在迎浪的沖擊下會激起艉傾力矩M6V，使艏部高高翹起；繼而又在波谷中跌落，顛簸失速。圖3所示為常規(guī)船艇在迎浪前進(jìn)時(shí)的航態(tài)。但是，設(shè)置導(dǎo)流槽和壓浪擋板的船底浸濕面能激起艏傾力矩M7V，它能大大削弱甚至消除與自己方向相反的M6V，從而阻止船艇翹艏和顛簸失速，實(shí)現(xiàn)在迎浪前進(jìn)時(shí)能高速、平穩(wěn)地破浪前進(jìn)，請見圖4，并對比圖3。

圖3 常規(guī)船艇迎浪前進(jìn)時(shí)的航態(tài)

船體橫向穩(wěn)定扶正力矩MLV克服橫搖擺動，航向穩(wěn)定扶正力矩MPV確保航向穩(wěn)定，從而保證船艇不因迎浪的沖擊而偏離既定目標(biāo)。

4 風(fēng)浪中轉(zhuǎn)彎時(shí)船底浸濕面上的水動力分布

依據(jù)式（5）～（9），我們來分析水動離心力、水動反沖擊力、水動升力以及相關(guān)力矩的分布，請見圖5與下頁圖6的對比。其中圖5為常規(guī)船艇在風(fēng)浪中轉(zhuǎn)彎時(shí)船底浸濕面上的水動力分布，圖6為設(shè)置涌浪導(dǎo)流槽和壓浪阻濺流擋板后的船底浸濕面在轉(zhuǎn)彎時(shí)的水動力分布。

圖5 常規(guī)船艇在風(fēng)浪中轉(zhuǎn)彎時(shí)的受力示意圖

圖6 本船艇在風(fēng)浪中轉(zhuǎn)彎時(shí)的受力示意圖

由圖5可見，在迎浪的沖擊下所造成的艉傾力矩M6V使艏部高高抬起、繼而在波谷中跌落，縱向的顛簸失速、橫向的橫搖擺動、外加M1的作用，使船艇向心傾覆，很不安全。

但是從圖6中可以看到，M6V被M7V削弱，使艇艏不會高高翹起；M5V削弱M1，迫使船艇不會向心傾覆；水動離心力造成的水動助回轉(zhuǎn)力矩M4V、水動反沖擊力造成的水動助回轉(zhuǎn)力矩M2V和M3V，都不會因風(fēng)浪而削弱。它們聯(lián)合作用，保證了船艇能機(jī)動靈活、穩(wěn)定安全、高速地轉(zhuǎn)彎。請參見文獻(xiàn)［3］中的圖4的航跡。

5 實(shí)航中檢驗(yàn)水動反沖擊力

實(shí)船總長6.3 m、水線長5.8 m、水線寬2.1 m，在船底縱向中心線兩側(cè)設(shè)置對稱平行于中心線，頂部曲面前低后高、對船底基面形成傾角α的涌浪導(dǎo)流槽，在兩船舷設(shè)置壓浪阻濺流擋板。該擋板的頂部曲面也是前低后高，對船底基面形成傾角α。導(dǎo)流槽的橫截面寬度為0.20 m，擋板的橫截面寬度為0.18 m。空船排水量1 t、滿載排水量4 t、靜態(tài)吃水深度0.36 m，舷外機(jī)推進(jìn)功率147 kW（200 hp）。

衛(wèi)星跟蹤的GPS系統(tǒng)實(shí)測的航行記錄是:

逆水流行駛:乘員8人（即排水量1.5 t），航速35.8 kn；乘員 16 人（即排水量 2 t），航速 36.9 kn；升速1.1 kn；

順?biāo)餍旭?乘員8人，航速36.5 kn；乘員16人，航速 37.4 kn；升速 0.9 kn。

乘員8人時(shí)平均航速36.15 kn，乘員16人時(shí)平均航速37.15 kn，平均升速1 kn。

以這些實(shí)航實(shí)測的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，依據(jù)本文的式（1）～（4）計(jì)算水動反沖擊力。其中橫向以半邊計(jì)數(shù)，l=0.2+0.18=0.38 m，b=1.05-0.38=0.67 m。吃水深度δ=0.36 m，在導(dǎo)流槽頂部 PV、LV作用點(diǎn)的吃水深度h=0.36-0.24=0.12 m。 Z=0.1015，H=6.573，α=8°，θ=2°，a=5.8/2=2.9 m，槽和擋板末端處最高為 0.30 m。

現(xiàn)按式（1）～（4）依次計(jì)算各力和它們相對于船艇重心點(diǎn)的力矩:

（1）若U=18.6 m/s，由于風(fēng)浪迫使水流以V=0.25 m/s的速度向船艇沖擊，則U+V=18.85 m/s=36.64 kn。排水量▽=1.5+0.25=1.75 t，依據(jù)式（1）～（4）得:PV=412.11ηt、LV=2932.38ηt、L0V=5217.86ηt，R0V=182.21ηt，LV+L0V=1.75 t，η =0.2147 ×10-3，PV=88.48 kg，LV=629.58 kg。L0V=1120.27 kg，R0V=39.12 kg。M6V=L0V（2×5.8/3-3.15）=L0V×0.7167=802.9 kg·m，M7V=LV［3.15-（0.87+0.83/2）］=LV×1.865=1174.17 kg·m，M7V＞M6V。

（2）若U=18.85m/s，由于風(fēng)浪迫使水流以V=0.26m/s的速度向船艇沖擊，則U+V=19.11 m/s=37.15 kn，排水量▽=1.75+0.25=2 t。 這時(shí) PV=429.4ηt，LV=3055.39ηt，L0V=5436.75ηt，R0V=189.85ηt。LV+L0V=2 t，η=0.2355×10-3，PV=101.13kg，LV=719.54kg，L0V=1280.35kg，R0V=44.71kg。M6V=1280.35×0.7167=917.63 kg·m，M7V=719.54×1.865=1341.94 kg·m，M7V＞M6V。

（3）若U=19.11m/s，由于風(fēng)浪迫使水流以V=0.26m/s的速度向船艇沖擊，則U+V=19.37 m/s=37.65 kn。排水量▽=2+0.25=2.25 t。 這時(shí) PV=447.17ηt，L0V=5661.83ηt，LV=3181.88ηt，L0V+LV=2.25t，η=0.2544×10-3。LV=809.47kg，PV=113.76 kg，L0V=1440.37 kg，R0V=50.3 kg。 M6V=L0V×0.7167=1033.61 kg·m，M7V=LV×1.865=1509.66 kg·m，M7V＞M6V。

從上列數(shù)據(jù)可以看出，隨著風(fēng)浪迫使水流以速度V向船艇沖擊的增大，水動反沖擊力PV由88.48 kg增大到 101.13 kg、再增大到 113.76 kg；航速由 36.64 kn提高到37.15 kn、再提高到37.65 kn；排水量由1.75 t增加到2 t、再增加到2.25 t；水動艏傾力矩M7V始終大于艉傾力矩M6V。由圖2可見，風(fēng)浪沖擊造成的艉傾力矩M6V能被水動反沖擊力造成的艏傾力矩M7V削弱、甚至消除，從而克服船艇的縱搖拍擊、顛簸失速；但反觀常規(guī)船艇（見圖1），M6V使船艇艏部高高翹起、繼而在波谷中跌落，造成縱搖拍擊與顛簸失速，航速大幅降低，且很不安全。對比圖3與圖4，可見水動反沖擊力及其相關(guān)的力矩能使船艇在風(fēng)浪中乘風(fēng)破浪平穩(wěn)高速地航行。

6 討 論

常規(guī)船艇在風(fēng)浪中行駛時(shí)會出現(xiàn)顛簸失速、橫搖擺動，轉(zhuǎn)彎時(shí)更不穩(wěn)定安全。本文采用了船底浸濕面的特殊外形，使船艇前進(jìn)時(shí)水流波浪運(yùn)動耗散的無用能量更多地轉(zhuǎn)化為水動反沖擊力而成為有用功，使船艇克服橫搖擺動、縱搖拍擊與顛簸失速，保證了船艇高速、平穩(wěn)、乘風(fēng)破浪前進(jìn)。請見式（1）～（4），水動反沖擊力、水動升力隨著速度U+V的增加而迅速增大，從而使船艇能克服速度障；在加大相應(yīng)的推進(jìn)功率時(shí)，能使速度達(dá)到60～70 kn，甚至更高的航速。但是在一般情況下，常規(guī)艇在達(dá)到50 kn以上的航速后，再加大推進(jìn)功率就會出現(xiàn)穩(wěn)性危機(jī)，不但航速上不去，還會失去穩(wěn)性、造成傾覆的危險(xiǎn)，這就是常規(guī)船艇沒有能力克服水的速度障所造成的后果。請對比圖1、圖2。

對于中、大型船艇，用式（1）～（9）中的（U+V）3取代文獻(xiàn)［1］中式（43）～（46）和文獻(xiàn)［2］中式（16）～（20）中的 U3，由于（U+V）3＞U3，因此實(shí)際上風(fēng)浪的沖擊加大了水動反沖擊力、水動升力、水動離心力以及相關(guān)的力矩。而且水動升力越大，船體的吃水深度則越小，因而水動阻力也越小，再加上更強(qiáng)大的水動反沖擊力推船前進(jìn)，就能更有保障地克服水的阻力峰。所以加大推進(jìn)功率，航速就能相應(yīng)提高。但常規(guī)中、大型船艇因?yàn)長V=0、L0V=0，造成無力減小船體的吃水深度，從而使水動阻力不能減?。辉偌由纤畡臃礇_擊力PV=0，因此更難以克服水的阻力峰。此時(shí)，即使再加大推進(jìn)功率，航速也不會相應(yīng)提高。

常規(guī)船艇在風(fēng)浪中轉(zhuǎn)彎時(shí)，水動力分布如圖5所示，M6V使它翹艏、M1使它向心傾覆，因此既不穩(wěn)定也不安全。但是設(shè)置導(dǎo)流槽和壓浪擋板的船艇在風(fēng)浪中轉(zhuǎn)彎時(shí)能激起如圖6所示的水動力分布。M7V能削弱甚至消除M6V的翹艏作用，M5V能削弱M1的向心傾覆作用、確保船艇不會向心傾覆，因此能機(jī)動靈活、高速平穩(wěn)地轉(zhuǎn)彎。

7 結(jié) 論

（1）依據(jù)上述分析不難看出，設(shè)置導(dǎo)流槽和壓浪擋板的船艇有足夠強(qiáng)大的水動力使船艇能在風(fēng)浪中高速平穩(wěn)乘風(fēng)破浪前進(jìn)，并且能在風(fēng)浪中機(jī)動靈活、平穩(wěn)高速地轉(zhuǎn)彎。

（2） 式（1）～（9）中表述的各力是 θ、α、δ、g、h、a、b、U、V、ρ、l等物理因素的函數(shù)，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)實(shí)際情況合理調(diào)整除ρ、g以外的其他物理因素來設(shè)計(jì)建造所需的抗風(fēng)浪船艇，其性能會遠(yuǎn)優(yōu)于同樣尺度和推進(jìn)功率的常規(guī)船艇。

［1］陳振誠，陳昕，陳旸.水動推進(jìn)力及其應(yīng)用（上篇）［J］.船舶，2011，22（1）:10-15.

［2］陳振誠，陳昕，陳旸.水動推進(jìn)力及其應(yīng)用（下篇）［J］.船舶，2011，22（2）:15-19.

［3］陳振誠，陳昕，陳旸.水動離心力及其應(yīng)用［J］.船舶，2011，22（4）:10-14.

［4］陳振誠，陳昕.激起水動推進(jìn)力的新船型［J］.國際艦艇，2005（5）:28-30.

［5］陳振誠，陳昕，陳旸.一種嶄新的船舶運(yùn)行原理［J］.船舶工程，2006，28（4）:17-21.

［6］陳振誠，陳旸.水動力矩助船艇回轉(zhuǎn)且抗傾覆［J］.國際船艇，2006（1）:34-35.