滑行艇噴濺區(qū)面積及駐點位置變化的模型試驗研究

王志東，凌 杰，吳 娜，凌宏杰，高 雷

(1.江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003)(2.中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫214082)

相對于常規(guī)排水型船舶，高速滑行艇的流體動力是一個具有強非線性特性的復(fù)雜問題，高速滑行艇航行過程中伴隨出現(xiàn)的噴濺現(xiàn)象，其噴濺區(qū)幾何特征的描述、流場特性與流態(tài)轉(zhuǎn)變的分析方法、噴濺阻力的計算等進一步增加了滑行艇流體動力載荷計算及噴濺機理分析的復(fù)雜性［1－5］.

文獻［6］中探討了高速滑行艇模型阻力試驗及運動姿態(tài)測量的尺度效應(yīng)，指出模型尺度對滑行艇須狀噴濺的發(fā)生位置、尾封板的壓阻力、濕表面積以及艇體底部的壓力分布等均產(chǎn)生重要影響.文獻［7］中提出了一種定量計算高速滑行艇須狀噴濺阻力的方法，并將其描述為底部斜升角、縱傾角及航速的函數(shù)，預(yù)報結(jié)果表明:須狀噴濺阻力約占總阻力的15%，與美國的戴維遜水池模型試驗值相吻合.文獻［8］中研究了槽道設(shè)計對滑行艇艇底壓力和阻力的影響，通過Fluent模擬計算和試驗論證，得出開槽有利于降低阻力;空間壓力分布顯示在噴濺駐線處出現(xiàn)壓力峰值.文獻［9］中通過Fluent軟件對滑行艇自航模式下的噴濺特性進行數(shù)值預(yù)報，結(jié)果表明:當(dāng)重心lg=35.1%L(船長)時，噴濺面積隨著航速增大而增大;而當(dāng)重心lg=38.1%L時，噴濺面積隨著航速增加先增大后減小.

文中以棱柱型滑行艇為研究對象，基于模型試驗方法，對滑行艇高速滑行狀態(tài)下噴濺區(qū)面積及駐點特征進行了研究，為后續(xù)噴濺阻力的模型試驗分析及數(shù)值計算結(jié)果的驗證提供依據(jù).

1 試驗?zāi)Ｐ团c方案

1.1 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

美國戴維遜水池研究滑行艇噴濺阻力采用的是棱柱型模型［7］，由于該模型受到的水動力更容易分解為壓力和摩擦力兩部分，有利于求解噴濺阻力，因此文中試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計為棱柱型，其中橫向斜升角為20°.模型材料采用有機玻璃，透明的底部有利于高速照相機捕捉噴濺區(qū).表1為模型主尺度，圖1為滑行艇模型三視圖及實體圖.

表1 模型主尺度Table 1 Main dimensions of planning craft

圖1 滑行艇模型Fig.1 Model of the planning craft

1.2 試驗設(shè)備及試驗工況

模型試驗在中船重工集團第702研究所減壓拖曳水池實驗室進行，水池長150 m，寬7 m，水深4.5 m，拖車最大速度7 m/s.滑行艇受到的阻力、升力及力矩由三分力天平測量，利用單劍機構(gòu)調(diào)整初始縱傾角，底部布置的壓力傳感器測量滑行狀態(tài)下的底部壓力，3臺高速攝像機捕捉噴濺區(qū)形狀及駐點位置，其中2臺在船模上側(cè)前后布置，另有1臺布置在船中右側(cè)，用于拍攝舷側(cè)水流情況，如圖2所示.

圖2 模型試驗系統(tǒng)Fig.2 Model test system

試驗選取4組不同初始縱傾角τ=1.5°，2.2°，3.0°，5.0°，每個縱傾角取2 個尾吃水，分別為:τ=1.5°時尾吃水d=37.3，27.3;τ=2.2°時d=58.0，38.0mm;τ=3.0°時d=58.0，48.0 mm;τ =5.0°時d=73.0，53.0mm，每個吃水下的試驗速度分別為1，2，3，4，5m/s共計40種工況.試驗工況如表2所示.

表2 棱柱型滑行艇噴濺特性模型試驗工況表Table 2 Test conditions of the prismatic planning model

2 試驗結(jié)果分析

2.1 滑行艇噴濺區(qū)形狀和面積變化特征

滑行艇在高速滑行狀態(tài)下，在駐點線前存在向兩舷外側(cè)噴射的、由很小的水滴組成的水流束，稱為須狀噴濺，如圖3所示.須狀噴濺將增加艇底浸濕面積，從而對摩擦阻力產(chǎn)生影響.第18屆國際船模試驗水池會議(ITTC)中指出，滑行艇在滑行階段的裸艇體總阻力Rth為:

式中:Rspf為由須狀噴濺面積所引起的摩擦阻力［10］;Rf為艇體滑行面引起的摩擦阻力.

圖3 滑行艇須狀噴濺區(qū)域示意Fig.3 Whisker spray of planning craft

圖4為C1工況下航速為5 m/s(體積傅汝德數(shù)Fr2=4.12)時高速攝像機拍攝的照片，圖中用圈標(biāo)出的為噴濺區(qū).從圖中可以看出:水流沿駐點向上攀爬，并向舷側(cè)方向噴射而出，形成須狀噴濺區(qū).

圖4 C1(τ =3.0°，dA=-58.0mm)時速度 V=5m/s的拍攝照片F(xiàn)ig.4 Photo of condition C1(τ=3.0°，dA=-58.0mm)at V=5m/s

圖5，6分別為C1和D1工況下滑行艇噴濺區(qū)域的形狀，可以看出，縱傾角和航速對噴濺形狀的影響非常顯著，同一縱傾角下，隨著航速的增大，噴濺區(qū)域范圍增加.

圖 5 C1(τ =3.0°，dA=-58.0mm)時噴濺區(qū)形狀Fig.5 Shape of spray zone at condition C1(τ =3.0°，dA=-58.0mm)

圖 6 D1(τ =5.0°，dA=-73.0mm)時噴濺區(qū)形狀Fig.6 Shape of spray zone at condition D1(τ =5.0°，dA=-73.0mm)

根據(jù)高速攝像機拍攝的照片，考慮對稱性，滑行艇噴濺面積為:

式中:s為滑行艇噴濺區(qū)的投影面面積;β為橫向斜升角;τ為縱傾角.

表3為所有工況的噴濺區(qū)面積的分析計算結(jié)果，在相同縱傾角和吃水下，噴濺面積隨著航速的增加而增加;同一縱傾角相同速度下，噴濺面積隨著吃水增加而增大;不同縱傾角和吃水下，噴濺面積也不相同.由此看出滑行艇噴濺面積是一個關(guān)于縱傾角、吃水及航速的函數(shù).

表3 滑行艇噴濺區(qū)面積Table 3 Spray area of planning craft

圖7，8為噴濺面積和噴濺面積與滑行面面積之比隨Fr2變化曲線.可以看出，隨著Fr2的增加，噴濺區(qū)面積Ss與滑行面面積Sh比值也隨之增加;當(dāng)Fr2＞4.0時，滑行艇處于高速滑行狀態(tài)，噴濺面積占滑行面面積的比值為30% ～45%.表明航速增大，噴濺面積占整個滑行面面積的比值增加，增加了艇底浸濕面積，增大了摩擦阻力，從而對滑行艇的總阻力產(chǎn)生影響.因此，滑行艇噴濺區(qū)產(chǎn)生的浸濕面積在阻力計算中是必須考慮的.圖8中B2工況的數(shù)值突增，是由于滑行艇滑行過程的強非線性特性造成的.

圖7 噴濺面積隨Fr2變化曲線Fig.7 Curve of spray area vs Fr2

圖8 噴濺面積與滑行面面積之比隨Fr2變化曲線Fig.8 Curve of the ratio of spray area and surfacearea vs Fr2

2.2 滑行艇駐點位置的變化特征

滑行艇駐點沿龍骨線方向上的移動距離:

式中:x為駐點投影下的橫向坐標(biāo);x0為靜止時龍骨線接觸水面點投影下的橫向坐標(biāo)值;τ為縱傾角.則駐點移動距離Δx占船長L之比為:

滑行艇駐點位置對噴濺區(qū)形狀及面積產(chǎn)生重要的影響，從圖5，6可以看出，隨著航速的增加駐點位置明顯向船尾移動.圖9為駐點移動距離Δx占船長之比隨Fr2變化曲線.當(dāng)Fr2＜1.0時，此時滑行艇處于排水狀態(tài)，噴濺現(xiàn)象不明顯，所以駐點移動位置基本都小于0.05m，不足船長的3.57%;航速逐漸增加時，駐點位置向船尾移動顯著，且移動距離增加，當(dāng)Fr2＞4.0時，滑行艇處于高速滑行狀態(tài)，駐點移動距離基本超過0.1m，部分工況甚至接近0.2m，占船長的7.14% ～14.28%.其中A1工況的數(shù)值突增，由于滑行艇的強非線性特性，在航行過程中產(chǎn)生流動分流對船的穩(wěn)定性造成影響，尚需作進一步的分析研究.

圖9 駐點移動距離與船長之比隨Fr2變化曲線Fig.9 Curve of the ratio of stagnation point moving distance and the captain vs Fr2

3 結(jié)論

高速滑行艇在航行過程中伴隨出現(xiàn)強烈的噴濺現(xiàn)象，其噴濺區(qū)受航速、縱傾角、吃水和橫向斜升角的影響，對噴濺阻力及總阻力產(chǎn)生重要影響.通過拖曳水池模型試驗，對棱柱型滑行艇在高速滑行狀態(tài)下噴濺面積及駐點位置變化特征進行了分析.結(jié)果表明:

1)須狀噴濺區(qū)的水流沿駐點向上攀爬，向舷側(cè)方向噴射而出，形成了須狀噴濺.

2)當(dāng)滑行艇的縱傾角和吃水相同時，噴濺面積隨航速增加而增加;縱傾角和航速相同時，噴濺面積隨吃水增加而增大;不同縱傾角和吃水，噴濺面積也不相同，表明滑行艇噴濺面積是一個關(guān)于縱傾角、吃水及航速的函數(shù).當(dāng)Fr2＞4.0時，噴濺面積占滑行面面積的比值為30%～45%.

3)同一工況下，駐點位置隨著航速的增加向船尾移動顯著.當(dāng)Fr2＞4.0時，駐點移動距離占船長之比為7.14%～14.28%.

Refenerces)

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