三體船阻力試驗研究

許君林

摘 要：介紹了高速排水型三體船模型靜水阻力試驗。在傅汝德數0.3～0.8范圍內進行了系列試驗。基于三體船船模系列阻力試驗結果，系統研究了側體位置對三體船阻力的影響。希望得到三體船側體布局優化方案。

關鍵詞：三體船 阻力試驗 船模試驗 側體布局

近年來，三體船作為一種高性能船型引起了造船界以及各國海軍越來越多的關注。三體船的形式多種多樣，一般來說，典型的三體船水下部分由中間主體和對稱布置于兩側的側體共3個細長片體組成，中間主體長寬比大約在12～18之間，側體長寬比一般大于20，主體排水量占總排水量的85% ～95%。這種船型比常規的單體船或雙體船在相同排水量情況下可減小10%～20%的有效功率。但是，由于細長型船體的空船重量，特別是船體結構重量相對常規船型會有較多增加，故有效載荷將減少。由于其船型構造特點，該船型在快速性、耐波性、總布置以及隱形性能諸方面較高速單體船和雙體船有較大優勢。特別在利用片體合理布局產生水動力有益干擾以降阻增速，避免雙體船的“扭搖”與“急搖”，減小縱搖、升沉，以及水下船體聲學隱形、上層建筑光學隱形等方面，高速三體船具有突出的優勢。

相關文獻表明，側體布置位置對三體船的阻力性能影響較大，在航行時主、側體之間產生相互干擾，如果側體位置適當，可以降低阻力。結合三體船的阻力性能來研究側體布局是三體船船型優化的重要內容之一。

由于多體船濕表面積相對單體船的增加，摩擦阻力增大，低速時阻力性能較差，而高速時側體和主體間的干擾成為影響多體船阻力的重要因素。本文研究側體不同縱橫向位置時對三體船的阻力影響規律，得出隨航速不同側體布局的基本規律。

試驗設計

具體試驗時三體船船模的布局如圖1所示。

船體模型主尺度如下，取縮尺比為60：

側體的縱向布置位置對阻力的影響程度比橫向位置顯著，當側體在一定的縱向位置時，橫向位置的改變對阻力的影響不大；為了證明這一點，我們研究了側體在兩個橫向位置下，隨著縱向位置的改變剩余阻力的變化。而且，大多文獻所得出的結論是：當傅汝德數較高時，側體的縱向位置是在船舯靠后位置更為有利；為了考察這一點，我們在船舯以后的位置選取了較密的試驗點。與以往三體船實驗不同，本次試驗我們多引進了一個參數θ，表示側體中縱剖面與主體中縱剖面的夾角，以研究斜側體阻力情況.最終我們制定了這樣的試驗方案：

模型材料為木制，表面經油漆達到平順光滑，未裝附體。試驗是在江蘇科技大學船舶與海洋工程學院的船模拖曳水池中完成的。拖曳水池長100 m，寬6 m，水深2 m。大型拖車，最高車速6 m/s。船模阻力Rm由阻力儀測得，本次實驗采用電測式阻力儀，阻力儀安裝在拖車上，拖線經導輪與阻力儀連接。下端連接拖線帶動船模前進。按事先擬定的試驗速度啟動拖車，待拖車到達穩速狀態后釋放船模制動器，開始測定阻力和相應的航模速度。在測量已經完成時停止記錄，制動船模，再使拖車減速直到停止。然后以低速將拖車退回到試驗起始位置，等待水面平靜后再作下次試驗。記錄水池水溫。模型阻力曲線見圖1。并按照傅汝德法進行了阻力系數計算。

試驗結果及分析

1、試驗數據處理

試驗直接得到的數據是船模在各個位置不同航速下的總阻力，為了便于比較興波阻力之間的關系，本文通過一些變換得到各個位置下的剩余阻力系數。下面將剩余阻力系數換算的過程介紹一下。

首先，我們利用光滑平板摩擦阻力公式（如下）計算出摩擦阻力系數。這里選取粗糙度補貼系數△Cf=0.0004。

式中，Cf為摩擦阻力系數，Re為雷諾數，u為船模航速（m/s），L為船長（m），ν為水的運動粘性系數（m2/s）。

但由于船模的主體和側體的雷諾數相差很大，所以我們需要對三體船的主體、側體的雷諾數和摩擦阻力系數分別進行計算。然后再由公式

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得到三體船總的摩擦阻力。再將總阻力除去總摩擦阻力后即為三體船剩余阻力，由公式

式中，Rr為船模的剩余阻力（N），ρ為水的密度（1000kg/m3），u為船模的航速（m/s），S為船模的濕表面積（m2）。

2、試驗結果分析

經過換算，最終所得各位置下剩余阻力系數及換算成實船后有效馬力曲線如圖1所示。

下面把剩余阻力系數曲線圖分成不同的傅汝德數區間分別進行討論。

再根據側體縱、橫向位置的變化，來考察三體船的阻力性能，分析在不同航速段下側體和主體有利干擾或干擾較小情況下側體的縱向布置規律和橫向布置規律。另外又根據不同航速考察了側體和主體干擾阻力隨不同縱橫向位置的等值分布情況。根據總體布置等方面初步確定了各三體船的不同縱橫向位置組合方案，理論計算結合模型試驗考察了不同三體船各個方案的阻力性能。

在傅汝德數小于0.3時，側體設置在船舯位置，能夠對興波阻力產生比較明顯的有利干擾，使得剩余阻力系數比其他位置處小很多；在Fr=0.40～0.50區間內時，側體放在尾部，整艘船得有效馬力較小，對三體船阻力性能有利；所以在建造實船時，應根據設計的航速來選擇側體的前后位置。吃水相同，側體間距相同，比較側體中部、尾部情況。側體在尾部的阻力變化情況要比在中部阻力情況好。當傅汝德數Fr>0.5時，由試驗圖片以及阻力曲線可以看出，側體處于舯前位置時，剩余阻力系數是幾個試驗位置中最小的，剩余阻力系數隨著側體位置的后移是不斷升高的。因此，當Fr>0.5時，將側體設置在船舯靠前的位置，能夠有效地降低三體船的剩余阻力。

對比了兩種不同側體分布下，側體與主體之間夾角變化的阻力系數曲線后，我們不難發現，除去一些微小的誤差，三種角度下剩余阻力系數的變化趨勢基本相同，在圖5中，側體與主體有夾角時的阻力總體大于平行時，而在圖6情況下，當Fr小于0.42時，斜側體對模型產生有利影響，剩余阻力小于側體平行時，而隨著速度的增加，斜側體阻力逐漸增加超過了平行側體情況。這種現象受興波波峰波谷干擾還有待進一步研究。

結語

低速時，三體船興波干擾與側船體位置參數的依賴關系相對復雜，在比較大的片體位置參數范圍內，沒有明顯的規律可尋，且剩余阻力系數的變動范圍很大。

高速時，側體縱向位置變化對三體船阻力性能的影響較大，而在縱向位置保持不變時，側體橫向位置的變化對三體船總阻力的影響較小。而且難以得出不同速度時阻力性能都十分理想的側體布局。對于相同的側體橫向位置，在較高速度段側體縱向向后布置對三體船阻力性能更有利，而在速度相對較低的某一速度段內，側體縱向位置向前布置對三體船阻力性能更有利。總體來說，在較高Fr數時，側體縱向靠后、橫向靠中的布置興波干擾較小，阻力性能較好。

（作者單位：安徽省皖江船舶檢驗局）

摘 要：介紹了高速排水型三體船模型靜水阻力試驗。在傅汝德數0.3～0.8范圍內進行了系列試驗。基于三體船船模系列阻力試驗結果，系統研究了側體位置對三體船阻力的影響。希望得到三體船側體布局優化方案。

關鍵詞：三體船 阻力試驗 船模試驗 側體布局

近年來，三體船作為一種高性能船型引起了造船界以及各國海軍越來越多的關注。三體船的形式多種多樣，一般來說，典型的三體船水下部分由中間主體和對稱布置于兩側的側體共3個細長片體組成，中間主體長寬比大約在12～18之間，側體長寬比一般大于20，主體排水量占總排水量的85% ～95%。這種船型比常規的單體船或雙體船在相同排水量情況下可減小10%～20%的有效功率。但是，由于細長型船體的空船重量，特別是船體結構重量相對常規船型會有較多增加，故有效載荷將減少。由于其船型構造特點，該船型在快速性、耐波性、總布置以及隱形性能諸方面較高速單體船和雙體船有較大優勢。特別在利用片體合理布局產生水動力有益干擾以降阻增速，避免雙體船的“扭搖”與“急搖”，減小縱搖、升沉，以及水下船體聲學隱形、上層建筑光學隱形等方面，高速三體船具有突出的優勢。

相關文獻表明，側體布置位置對三體船的阻力性能影響較大，在航行時主、側體之間產生相互干擾，如果側體位置適當，可以降低阻力。結合三體船的阻力性能來研究側體布局是三體船船型優化的重要內容之一。

由于多體船濕表面積相對單體船的增加，摩擦阻力增大，低速時阻力性能較差，而高速時側體和主體間的干擾成為影響多體船阻力的重要因素。本文研究側體不同縱橫向位置時對三體船的阻力影響規律，得出隨航速不同側體布局的基本規律。

試驗設計

具體試驗時三體船船模的布局如圖1所示。

船體模型主尺度如下，取縮尺比為60：

側體的縱向布置位置對阻力的影響程度比橫向位置顯著，當側體在一定的縱向位置時，橫向位置的改變對阻力的影響不大；為了證明這一點，我們研究了側體在兩個橫向位置下，隨著縱向位置的改變剩余阻力的變化。而且，大多文獻所得出的結論是：當傅汝德數較高時，側體的縱向位置是在船舯靠后位置更為有利；為了考察這一點，我們在船舯以后的位置選取了較密的試驗點。與以往三體船實驗不同，本次試驗我們多引進了一個參數θ，表示側體中縱剖面與主體中縱剖面的夾角，以研究斜側體阻力情況.最終我們制定了這樣的試驗方案：

模型材料為木制，表面經油漆達到平順光滑，未裝附體。試驗是在江蘇科技大學船舶與海洋工程學院的船模拖曳水池中完成的。拖曳水池長100 m，寬6 m，水深2 m。大型拖車，最高車速6 m/s。船模阻力Rm由阻力儀測得，本次實驗采用電測式阻力儀，阻力儀安裝在拖車上，拖線經導輪與阻力儀連接。下端連接拖線帶動船模前進。按事先擬定的試驗速度啟動拖車，待拖車到達穩速狀態后釋放船模制動器，開始測定阻力和相應的航模速度。在測量已經完成時停止記錄，制動船模，再使拖車減速直到停止。然后以低速將拖車退回到試驗起始位置，等待水面平靜后再作下次試驗。記錄水池水溫。模型阻力曲線見圖1。并按照傅汝德法進行了阻力系數計算。

試驗結果及分析

1、試驗數據處理

試驗直接得到的數據是船模在各個位置不同航速下的總阻力，為了便于比較興波阻力之間的關系，本文通過一些變換得到各個位置下的剩余阻力系數。下面將剩余阻力系數換算的過程介紹一下。

首先，我們利用光滑平板摩擦阻力公式（如下）計算出摩擦阻力系數。這里選取粗糙度補貼系數△Cf=0.0004。

式中，Cf為摩擦阻力系數，Re為雷諾數，u為船模航速（m/s），L為船長（m），ν為水的運動粘性系數（m2/s）。

但由于船模的主體和側體的雷諾數相差很大，所以我們需要對三體船的主體、側體的雷諾數和摩擦阻力系數分別進行計算。然后再由公式

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得到三體船總的摩擦阻力。再將總阻力除去總摩擦阻力后即為三體船剩余阻力，由公式

式中，Rr為船模的剩余阻力（N），ρ為水的密度（1000kg/m3），u為船模的航速（m/s），S為船模的濕表面積（m2）。

2、試驗結果分析

經過換算，最終所得各位置下剩余阻力系數及換算成實船后有效馬力曲線如圖1所示。

下面把剩余阻力系數曲線圖分成不同的傅汝德數區間分別進行討論。

再根據側體縱、橫向位置的變化，來考察三體船的阻力性能，分析在不同航速段下側體和主體有利干擾或干擾較小情況下側體的縱向布置規律和橫向布置規律。另外又根據不同航速考察了側體和主體干擾阻力隨不同縱橫向位置的等值分布情況。根據總體布置等方面初步確定了各三體船的不同縱橫向位置組合方案，理論計算結合模型試驗考察了不同三體船各個方案的阻力性能。

在傅汝德數小于0.3時，側體設置在船舯位置，能夠對興波阻力產生比較明顯的有利干擾，使得剩余阻力系數比其他位置處小很多；在Fr=0.40～0.50區間內時，側體放在尾部，整艘船得有效馬力較小，對三體船阻力性能有利；所以在建造實船時，應根據設計的航速來選擇側體的前后位置。吃水相同，側體間距相同，比較側體中部、尾部情況。側體在尾部的阻力變化情況要比在中部阻力情況好。當傅汝德數Fr>0.5時，由試驗圖片以及阻力曲線可以看出，側體處于舯前位置時，剩余阻力系數是幾個試驗位置中最小的，剩余阻力系數隨著側體位置的后移是不斷升高的。因此，當Fr>0.5時，將側體設置在船舯靠前的位置，能夠有效地降低三體船的剩余阻力。

對比了兩種不同側體分布下，側體與主體之間夾角變化的阻力系數曲線后，我們不難發現，除去一些微小的誤差，三種角度下剩余阻力系數的變化趨勢基本相同，在圖5中，側體與主體有夾角時的阻力總體大于平行時，而在圖6情況下，當Fr小于0.42時，斜側體對模型產生有利影響，剩余阻力小于側體平行時，而隨著速度的增加，斜側體阻力逐漸增加超過了平行側體情況。這種現象受興波波峰波谷干擾還有待進一步研究。

結語

低速時，三體船興波干擾與側船體位置參數的依賴關系相對復雜，在比較大的片體位置參數范圍內，沒有明顯的規律可尋，且剩余阻力系數的變動范圍很大。

高速時，側體縱向位置變化對三體船阻力性能的影響較大，而在縱向位置保持不變時，側體橫向位置的變化對三體船總阻力的影響較小。而且難以得出不同速度時阻力性能都十分理想的側體布局。對于相同的側體橫向位置，在較高速度段側體縱向向后布置對三體船阻力性能更有利，而在速度相對較低的某一速度段內，側體縱向位置向前布置對三體船阻力性能更有利。總體來說，在較高Fr數時，側體縱向靠后、橫向靠中的布置興波干擾較小，阻力性能較好。

（作者單位：安徽省皖江船舶檢驗局）

摘 要：介紹了高速排水型三體船模型靜水阻力試驗。在傅汝德數0.3～0.8范圍內進行了系列試驗。基于三體船船模系列阻力試驗結果，系統研究了側體位置對三體船阻力的影響。希望得到三體船側體布局優化方案。

關鍵詞：三體船 阻力試驗 船模試驗 側體布局

近年來，三體船作為一種高性能船型引起了造船界以及各國海軍越來越多的關注。三體船的形式多種多樣，一般來說，典型的三體船水下部分由中間主體和對稱布置于兩側的側體共3個細長片體組成，中間主體長寬比大約在12～18之間，側體長寬比一般大于20，主體排水量占總排水量的85% ～95%。這種船型比常規的單體船或雙體船在相同排水量情況下可減小10%～20%的有效功率。但是，由于細長型船體的空船重量，特別是船體結構重量相對常規船型會有較多增加，故有效載荷將減少。由于其船型構造特點，該船型在快速性、耐波性、總布置以及隱形性能諸方面較高速單體船和雙體船有較大優勢。特別在利用片體合理布局產生水動力有益干擾以降阻增速，避免雙體船的“扭搖”與“急搖”，減小縱搖、升沉，以及水下船體聲學隱形、上層建筑光學隱形等方面，高速三體船具有突出的優勢。

相關文獻表明，側體布置位置對三體船的阻力性能影響較大，在航行時主、側體之間產生相互干擾，如果側體位置適當，可以降低阻力。結合三體船的阻力性能來研究側體布局是三體船船型優化的重要內容之一。

由于多體船濕表面積相對單體船的增加，摩擦阻力增大，低速時阻力性能較差，而高速時側體和主體間的干擾成為影響多體船阻力的重要因素。本文研究側體不同縱橫向位置時對三體船的阻力影響規律，得出隨航速不同側體布局的基本規律。

試驗設計

具體試驗時三體船船模的布局如圖1所示。

船體模型主尺度如下，取縮尺比為60：

側體的縱向布置位置對阻力的影響程度比橫向位置顯著，當側體在一定的縱向位置時，橫向位置的改變對阻力的影響不大；為了證明這一點，我們研究了側體在兩個橫向位置下，隨著縱向位置的改變剩余阻力的變化。而且，大多文獻所得出的結論是：當傅汝德數較高時，側體的縱向位置是在船舯靠后位置更為有利；為了考察這一點，我們在船舯以后的位置選取了較密的試驗點。與以往三體船實驗不同，本次試驗我們多引進了一個參數θ，表示側體中縱剖面與主體中縱剖面的夾角，以研究斜側體阻力情況.最終我們制定了這樣的試驗方案：

模型材料為木制，表面經油漆達到平順光滑，未裝附體。試驗是在江蘇科技大學船舶與海洋工程學院的船模拖曳水池中完成的。拖曳水池長100 m，寬6 m，水深2 m。大型拖車，最高車速6 m/s。船模阻力Rm由阻力儀測得，本次實驗采用電測式阻力儀，阻力儀安裝在拖車上，拖線經導輪與阻力儀連接。下端連接拖線帶動船模前進。按事先擬定的試驗速度啟動拖車，待拖車到達穩速狀態后釋放船模制動器，開始測定阻力和相應的航模速度。在測量已經完成時停止記錄，制動船模，再使拖車減速直到停止。然后以低速將拖車退回到試驗起始位置，等待水面平靜后再作下次試驗。記錄水池水溫。模型阻力曲線見圖1。并按照傅汝德法進行了阻力系數計算。

試驗結果及分析

1、試驗數據處理

試驗直接得到的數據是船模在各個位置不同航速下的總阻力，為了便于比較興波阻力之間的關系，本文通過一些變換得到各個位置下的剩余阻力系數。下面將剩余阻力系數換算的過程介紹一下。

首先，我們利用光滑平板摩擦阻力公式（如下）計算出摩擦阻力系數。這里選取粗糙度補貼系數△Cf=0.0004。

式中，Cf為摩擦阻力系數，Re為雷諾數，u為船模航速（m/s），L為船長（m），ν為水的運動粘性系數（m2/s）。

但由于船模的主體和側體的雷諾數相差很大，所以我們需要對三體船的主體、側體的雷諾數和摩擦阻力系數分別進行計算。然后再由公式

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得到三體船總的摩擦阻力。再將總阻力除去總摩擦阻力后即為三體船剩余阻力，由公式

式中，Rr為船模的剩余阻力（N），ρ為水的密度（1000kg/m3），u為船模的航速（m/s），S為船模的濕表面積（m2）。

2、試驗結果分析

經過換算，最終所得各位置下剩余阻力系數及換算成實船后有效馬力曲線如圖1所示。

下面把剩余阻力系數曲線圖分成不同的傅汝德數區間分別進行討論。

再根據側體縱、橫向位置的變化，來考察三體船的阻力性能，分析在不同航速段下側體和主體有利干擾或干擾較小情況下側體的縱向布置規律和橫向布置規律。另外又根據不同航速考察了側體和主體干擾阻力隨不同縱橫向位置的等值分布情況。根據總體布置等方面初步確定了各三體船的不同縱橫向位置組合方案，理論計算結合模型試驗考察了不同三體船各個方案的阻力性能。

在傅汝德數小于0.3時，側體設置在船舯位置，能夠對興波阻力產生比較明顯的有利干擾，使得剩余阻力系數比其他位置處小很多；在Fr=0.40～0.50區間內時，側體放在尾部，整艘船得有效馬力較小，對三體船阻力性能有利；所以在建造實船時，應根據設計的航速來選擇側體的前后位置。吃水相同，側體間距相同，比較側體中部、尾部情況。側體在尾部的阻力變化情況要比在中部阻力情況好。當傅汝德數Fr>0.5時，由試驗圖片以及阻力曲線可以看出，側體處于舯前位置時，剩余阻力系數是幾個試驗位置中最小的，剩余阻力系數隨著側體位置的后移是不斷升高的。因此，當Fr>0.5時，將側體設置在船舯靠前的位置，能夠有效地降低三體船的剩余阻力。

對比了兩種不同側體分布下，側體與主體之間夾角變化的阻力系數曲線后，我們不難發現，除去一些微小的誤差，三種角度下剩余阻力系數的變化趨勢基本相同，在圖5中，側體與主體有夾角時的阻力總體大于平行時，而在圖6情況下，當Fr小于0.42時，斜側體對模型產生有利影響，剩余阻力小于側體平行時，而隨著速度的增加，斜側體阻力逐漸增加超過了平行側體情況。這種現象受興波波峰波谷干擾還有待進一步研究。

結語

低速時，三體船興波干擾與側船體位置參數的依賴關系相對復雜，在比較大的片體位置參數范圍內，沒有明顯的規律可尋，且剩余阻力系數的變動范圍很大。

高速時，側體縱向位置變化對三體船阻力性能的影響較大，而在縱向位置保持不變時，側體橫向位置的變化對三體船總阻力的影響較小。而且難以得出不同速度時阻力性能都十分理想的側體布局。對于相同的側體橫向位置，在較高速度段側體縱向向后布置對三體船阻力性能更有利，而在速度相對較低的某一速度段內，側體縱向位置向前布置對三體船阻力性能更有利。總體來說，在較高Fr數時，側體縱向靠后、橫向靠中的布置興波干擾較小，阻力性能較好。

（作者單位：安徽省皖江船舶檢驗局）