船艏及干舷壓浪在高速艇上的應用對比

魏成柱，李英輝，易宏

1上海交通大學海洋工程國家重點實驗室，上海200240

2高新船舶與深海開發裝備協同創新中心，上海200240

船艏及干舷壓浪在高速艇上的應用對比

魏成柱1，2，李英輝1，易宏2

1上海交通大學海洋工程國家重點實驗室，上海200240

2高新船舶與深海開發裝備協同創新中心，上海200240

快艇在高速航行時會產生劇烈的艏部興波和干舷淹濕問題，通常需要采用適當的壓浪措施來控制這些不利因素。為進一步研究干舷壓浪技術在高速艇上的應用效果并與船艏壓浪技術進行對比，基于某一細長高速穿浪船，對比這2種壓浪技術對船體興波、淹濕、運動、穩性和高速下橫傾回復力矩的影響。船體淹濕、阻力和船體運動通過求解URANS方程和使用動網格技術獲得，高速下的橫傾回復力矩也通過求解URANS方程獲得。計算結果表明，2種壓浪技術均能有效控制船體淹濕，但干舷壓浪設計能在船長范圍內控制船體淹濕并具有更好的初穩性，在高速下也有更大的橫傾回復力矩。自航模試驗也驗證了壓浪干舷的可行性和良好性能。

高速艇；干舷壓浪；船體淹濕；穩性；橫傾回復力矩；數值水池試驗

0 引 言

快艇在高速航行時會產生劇烈的艏部興波而淹濕部分船艏，且淹濕會隨著速度的提高而向船體中、后部發展，進而增加船體濕表面積和船體阻力。當快艇的速度超過某一臨界值時，摩擦阻力會重新主導船體阻力，此時，減小船體濕表面積是一種有效的減阻手段。為了控制船艏興波以及干舷上浪與淹濕，可以采用在艏部或水線附近安裝壓浪條（或防濺條）［1］的方法。安裝壓浪（防濺）條是一種非常簡單、易行的壓浪措施，俄羅斯的1234型導彈艇就在艏部安裝了防濺條以控制艏部興波和淹濕。除艏部壓浪以外，最近還興起了帶折角設計的干舷壓浪式設計，其主要特征是干舷在水線附近向外折出，有時該設計也被稱為“Ω船型”。該設計的優點是，除了壓浪以外，還能增加船體容積，能在提高穩性的同時而不用加寬水線以下船體，特別適合于一些細長的高速快艇。Thompson［2］在其專利中就采用了類似的技術，印尼的三體導彈艇的主船體也采用了類似的技術。采用帶折角設計的干舷，將壓浪附體融合到船體設計中逐漸成為一種廣泛采用的技術。相比于安裝壓浪（防濺）條，干舷壓浪設計需融入到整個船體設計周期中。

魏成柱等［3］研究了楔形壓浪體在內傾式船艏上的應用效果，證實楔形壓浪體可以有效控制高速下內傾式穿浪船的艏部上浪和船體淹濕。王健等［4］在對無人自航模進行低速直航研究時發現，自航模的姿態與水池試驗值存在差別，表現為自航模的艉傾角略大于拖曳水池試驗測量值。同時，Wei等［5］也通過數值水池試驗研究了船體航行姿態對船體淹濕的影響。基于以上研究，本文擬在高速艇上采用干舷壓浪的設計。文獻［6］初步討論了干舷壓浪的縱向角度問題。

為進一步考察干舷壓浪在快艇上的使用效果，并對比船艏壓浪與干舷壓浪的使用效果和差異，本文將以一艘細長的高速單體穿浪船為母型船，通過加裝艏部楔形壓浪條和采用干舷壓浪來對比這2種技術措施對船體淹濕、阻力、運動、穩性及高速下橫傾回復力矩的影響。由于尖舭滑行艇在高速航行時只有舭部折角線以下的船底接觸水面，甚至是只有船艉一小部分接觸水面，其濕表面積很小，故本文的研究將主要針對并適用于瘦長的非尖舭滑行艇設計的高速圓舭或近圓舭類快艇（船）。

為了完成本研究，本文將主要基于數值水池試驗，通過求解URANS方程來研究2種技術對船體阻力、運動和高速下橫傾回復力矩的影響。隨著技術和學術水平的積累，數值計算的精度和可靠性得到了很大的提升，在科學研究和工程應用上得到越來越廣泛的使用和認可［7］，成為除模型試驗外船型優化設計非常有效的手段。當傅汝德數Fn較高時，由于船體存在較大的縱向和垂向耦合運動，因此在數值計算中，為了更準確地預報船體性能，需要考慮船舶航行運動改變對預報結果的影響，而獲取和模擬船體運動最為有效的方法是使用動網格。此外，本文也將進行簡單的自航模測試來驗證干舷壓浪的使用效果。通過本次研究，進一步揭示干舷壓浪的性能，證明其在高速艇上的實用價值。

1 壓浪方案及計算原理

本文以一艘16 m長的高速穿浪快艇［8］為母型船，分別采取在艏部安裝楔形壓浪條和將干舷改裝成折角壓浪式的設計來比較這2種壓浪技術的影響，不過船體水線以下部分保持不變。帶折角的干舷壓浪式設計是在原有干舷的基礎上，干舷在水線以上部分向船外凸出。干舷折角線連接艏柱和艉柱，分布于船長范圍內。在本次研究中，干舷凸出的寬度為0.075倍水線寬。艏部安裝壓浪條和采用干舷壓浪的實施方案如圖1所示。圖中還給出了船艏壓浪方案和干舷壓浪方案的船體橫剖線及側向輪廓線。

圖1 2種壓浪方案的船體橫剖線和側向輪廓線Fig.1 Hull sections and side profiles of two methods

本文的研究除初穩性以外，均在模型尺度內進行，計算中所用到模型的主尺度如表1所示，其縮尺比為6。

表1 計算模型主尺度Table 1 Main dimensions of the hull model

本文選用數值水池試驗作為主要研究手段，求解URANS方程，考慮粘性。在粘性流理論中，對Navier-Stokes方程進行平均，得到雷諾平均的Navier-Stokes方程（RANS）。為了封閉RANS方程組，必須對雷諾應力張量進行模擬，因而產生了較多的湍流模型。這里選擇在船舶行業中應用較多的SSTk-ω模型來進行計算，對該模型的詳細介紹可參見文獻［9］。對自由面的捕捉則使用當前流行的流體體積（Volume of Fluid，VOF）法［10］，并通過設定水的體積分數為0.5而得到。

為了模擬船體運動，需要使用動網格來進行計算。通常，最直接的方式是使船模曲面運動，并配合以彈簧光順法和局部網格重構。但是這種方法的缺點是對復雜模型進行網格重構時會出現負體積網格而導致計算失敗，而且網格重構會產生額外的計算時間。另一種方法是將邊界層網格作為一個區域或者將邊界層網格及附近部分網格隨船模曲面一起運動，并配合以彈簧光順法，該方法對模型周圍網格沒有影響，有利于加入并保有邊界層網格。本文用于計算船體阻力、興波和運動的數值計算時將計算域分為了2部分，包括隨船體運動的隨體區域（Dynamic zone）和靜止區域（Stationary zone），其中運動區域采用四面體網格來適應船體復雜曲面，靜止區域則采用六面體網格，船體表面添加邊界層網格。由于船體對稱，故取一半船體創建計算域。計算域的劃分與網格剖面如圖2（a）所示。隨體區域和靜止區域之間的網格節點是連續的。當網格數量超過150萬時，網格數量對計算結果的影響就會非常?。?1］。在求解船體阻力和運動時，所用到的網格數量大于200萬，滿足計算精度對網格數量的要求。為了驗證計算方法的可靠性和有效性，將某排水型高速單體穿浪船基于該方法的計算結果與水池試驗結果進行了對比，結果表明，該方法能夠滿足船型性能預測的要求，如圖3所示。本文中的阻力、縱傾（艉傾為正）、升沉（向上為正）結果均做了無因次化處理。在研究壓浪措施對高速下船體橫傾回復力矩的影響時，由于模型存在橫傾角，因此該部分計算采用整船；模型固定；速度節點選為8.4 m/s，對應的傅汝德數Fn=1.630；初始艉傾角選取水池試驗測量值3.45°，橫傾角度分別設為左傾5°，10°和15°。計算網格采用切割體網格，計算域與網格剖面如圖2（b）所示。由于非對稱的原因使用了整船進行計算，故網格數量大于380萬。

圖2 計算域設置和網格剖面Fig.2 Computational domain settings and meshes

圖3 計算方法驗證Fig.3 Experimental verification of the calculation method

2 興波和船體淹濕

計算結果表明，2種壓浪方式產生的船體興波差異較大，如圖4所示?？傮w來說，干舷壓浪較船艏壓浪在船體周圍產生的興波小，興波更靠后；船艏壓浪和干舷壓浪相比其艏部興波要明顯些。當Fn=0.407時，2種方案在船體周圍產生的興波差別不大。而當Fn=1.630時，2種方案產生的興波差異則主要體現在船體四周，原因分析如下：當航速提高時，艏部開始上浪并不斷加強，此時采用外飄式設計的船艏壓浪體的作用愈來愈明顯，由此產生的興波亦更加明顯，因由船艏壓浪體壓浪而產生的興波向船體中、后部擴散；而干舷壓浪則對艏部的上浪限制較弱，允許船艏上浪發展至船中、前部，且因船艏是內傾的，上浪并沒有在艏部被壓出船艏，故其艏部興波較小。

圖4 2種方案下的船體興波和飛濺對比Fig.4 Comparison between wave-making and spray with two methods

對比2種方案的船體表面淹濕（圖5）可以發現，船艏壓浪和干舷壓浪均能很好地控制艏部和干舷的淹濕，但兩者產生的結果卻明顯不同。在Fn=0.407時，船艏上浪不明顯，2種方案的作用幾乎相同；當Fn=0.815時，船艏壓浪對船艏上浪進行了抑制，而干舷壓浪則對船中、后的干舷淹濕進行了抑制；當Fn=1.222時，船艏壓浪已經不能有效壓制船中、后的干舷淹濕，而干舷壓浪則在一定程度上放任了船艏上浪，很好地限制了船中的干舷淹濕；當Fn=1.630時，船艏壓浪已經不能有效限制船中、后的干舷淹濕，而干舷壓浪的船艏上浪則不明顯，并能很好地限制船中的干舷淹濕。

圖5 2種方案下的船體表面淹濕對比Fig.5 Comparison of the wetted hull surface with two methods

自航模試驗與拖曳水池試驗結果的對比也驗證了數值水池試驗的計算結果。圖6展示了模型高速下的興波和飛濺，其中采用船艏壓浪的模型是由拖車高速拖行，采用干舷壓浪的模型是由大功率無刷電機和螺旋槳推進。圖6（a）顯示，采用船艏壓浪方案的模型產生的飛濺是由船艏向船艉發展；圖6（b）顯示，采用干舷壓浪方案的模型產生的飛濺是由船舯向船艉發展。這與數值水池試驗結果相符，自航模試驗也進一步驗證了干舷壓浪的可行性。拖曳水池試驗的拖點在船模中部，而自航模試驗的推力因為由螺旋槳提供，故艉傾會更加劇烈，不過此時干舷壓浪仍能發揮作用，但艏部壓浪條因船艏的抬升將無法發揮作用。

圖6 2種方案在高速下的興波及模型試驗結果Fig.6 Wave-making，spray and results of model test at high speed with two methods

3 阻力及船體運動

在利用動網格獲取航行運動的前提下，對船艏壓浪和干舷壓浪進行了對比分析，并對阻力、縱傾（艉傾為正）和升沉（向上為正）的結果做了無因次化處理。

在船體阻力方面，2種壓浪方式的差別主要體現在中、高速段，如圖7（a）所示。在低速段，由于船體上浪不明顯，因此2種壓浪方式幾乎沒有差別。在中速段，和干舷壓浪相比船艏壓浪的效果稍好，這是由干舷壓浪和舷側淹濕的位置相互作用的結果。在高速段，干舷壓浪的減阻效果較船艏壓浪有優勢?？傮w上來說，由壓浪方式的不同而引起的航行阻力差異在本文所計算的速度范圍內并不明顯，若航速繼續提高，則干舷壓浪方案或能表現出更大的快速性優勢。

如圖7（b）和圖7（c）所示，2種壓浪方式對船體在靜水中的航行運動的改變不同。在最低速度點，水動力不明顯，此時2種方案的航行運動幾乎相同。但隨著航速的升高，2種方案產生的水動力和水動力作用點也在變化，因而其航行運動也有所不同。當Fn＜1.4時，干舷壓浪的重心下沉量要大于船艏壓浪，而當Fn＞1.4時，干舷壓浪的重心抬升明顯，該現象是由壓浪式干舷產生的動升力所導致。在低速段，2種方式產生的艉傾相差較??；在中速段，船艏壓浪產生的艉傾角較大；在高速段，干舷壓浪產生的艉傾角較大，分析認為，該差別是由壓浪式干舷產生的動升力所導致。對比2種方案在升沉和艉傾上的變化趨勢可以發現，這2種方案在升沉和艉傾隨Fn變化的趨勢上是一致的，應該是由主船體的水動力特性決定的。由以上可見，除壓浪作用外，干舷壓浪還可以產生額外的動升力，通過改變干舷壓浪在縱向的曲率變化可以改變船體的航行運動。若通過控制算法實現干舷壓浪的分段自控，則可根據所需的航行運動來調整其縱向曲率。

圖7 2種方案下的阻力和運動對比Fig.7 Comparison of hull drag and motion with two methods

此外，當Fn=1.630時，采用干舷壓浪設計的船體阻力要小于采用船艏壓浪設計的阻力，這是由于船體發生了較大的抬升和縱傾所致。同時也可以發現，此時船體濕表面積減小了，這也是其阻力降低的直接原因。通過分析速度節點Fn=1.630下的2種壓浪方式的船體阻力成分可知：船艏壓浪下，單位重量的壓阻力為0.123，單位重量的粘性阻力為0.229；干舷壓浪下，單位重量的壓阻力為0.122，單位重量的粘性阻力為0.214。由此可見，干舷壓浪方案下的船體阻力下降是由摩擦力減小所導致。

4 初穩性及儲備浮力

由于干舷壓浪設計增加了水線以上船體的寬度，所以在一定吃水范圍內其初穩性會有所增加，但隨著船體寬度的向上收縮，其初穩性半徑也將隨著水線面的減小和排水體積的增加而減小。該結論已得到穩性計算結果的驗證，如圖8所示。由圖8可見，由于水線以下的形狀相同，2個模型在設計水線處及水線以下的初穩性半徑相同。但越過設計水線以后，采用干舷壓浪方案快艇的穩性半徑明顯大于采用船艏壓浪技術快艇的穩性半徑，這對于細長的船型來說非常有益。由圖9可見，采用干舷壓浪方案快艇的儲備浮力要大于采用船艏壓浪措施快艇的儲備浮力，這就意味著采用干舷壓浪方案的快艇具有一定的載重和安全性優勢。

5 高速下的橫傾回復力矩

圖10對比了采用2種壓浪方案的模型在Fn=1.630時的橫傾回復力矩。當模型高速航行時，干舷壓浪方案在不同橫傾角下產生的橫傾回復力矩均大于船艏壓浪方案產生的回復力矩，增額在53%～55%之間。更大的回復力矩則意味著高速轉彎時船體橫傾角更小。增加橫傾回復力矩對提高快艇，尤其是一些細長快艇的機動性和安全性無疑是有利的。因此，干舷壓浪設計在提高快艇動穩性和安全性方面明顯優于船艏壓浪設計。但較大的橫傾回復力矩不是通過較大的儲備浮力獲得，而是由干舷壓浪產生的水動力提供。對比2種方案在高速、存在橫傾時的興波和船體淹濕可以發現，干舷壓浪設計對控制橫傾時的船體淹濕幫助很大。由圖11可見，當橫傾角為15°時，船艏壓浪設計模型的船中、后部淹濕幾乎接近于甲板邊線，而干舷壓浪設計模型則將淹濕很好地控制在了干舷折角線以下。圖12顯示了自航模在高速回轉時的船體橫傾運動。試驗中發現，自航模能夠迅速由橫傾轉為正浮狀態。

圖8 2種方案下的初穩性對比Fig.8 Comparison of initial stability with two methods

圖9 2種方案下的儲備浮力對比Fig.9 Comparison of reserve buoyancy with two methods

圖10 2種方案在高速下的橫傾回復力矩對比（Fn=1.630）Fig.10 Comparison of hull restoring moment of heel at high speed with two methods（Fn=1.630）

圖11 2種方案下船體興波和淹濕對比（橫傾15°）Fig.11 Comparison between wave-making，spray and hull wetness with two methods（heel angle is 15°）

圖12 自航模高速轉彎Fig.12 A free-running model turning at high speed

6 結語

通過研究發現，船艏壓浪和干舷壓浪均可控制船艏和干舷的淹濕，但這2種方式也表現出了不同的特點和效果。

船艏壓浪對艏部上浪和淹濕的控制效果顯著，但隨著速度的不斷提高，楔形壓浪體在船艏末端終止后，水流會沖出壓浪體而淹濕干舷。干舷壓浪設計則可以在船長范圍內對干舷淹濕和上浪進行控制，尤其是當船體存在較大艉傾角時，艏部上浪將不明顯，此時干舷壓浪將起最主要的作用。

總體來說，由壓浪方式的不同而引起的航行阻力差異在本文所計算的速度范圍內并不明顯，若航速繼續提高，干舷壓浪方案或能表現出更大的快速性優勢。2種壓浪方式對船體在靜水中運動的影響不同，但分別采用2種方案的模型在升沉和艉傾角隨Fn變化的趨勢上是一致的。

同船艏壓浪相比，干舷壓浪設計可以在不改變水線以下船體的基礎上增加艙容和儲備浮力，進而提高細長快艇的穩性與安全性。

采用干舷壓浪設計的快艇在高速下產生的橫傾回復力矩大于采用船艏壓浪設計的快艇，這對提高快艇，尤其是一些細長快艇的機動性和安全性有利。

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Effect of bow spray strips and Ω-type freeboard on high-speed boats

WEI Chengzhu1，2，LI Yinghui1，YI Hong2

1 State Key Laboratory of Ocean Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China

2 Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration，Shanghai 200240，China

A high-speed boat may encounter severe wave-making at the bow and become wetter at high speed.Some measures can be taken to overcome these disadvantages.In order to compare the effect of bow spray strips and Ω-type freeboards on a high-speed boat,hull wetness,resistance,hull motion,stability and the restoring moment of the heel at high speed of models with these two kinds of auxiliaries were calculated and measured.CFD methods and model tests were adopted.Both of these two auxiliaries can reduce hull wetness,and the model with a Ω-type freeboard has a better initial stability and larger restoring moment of the heel at high speed.A free running model test also indicates that the Ω-type freeboard has a fine performance.

high-speed boat；Ω-type freeboard；hull wetness；stability；restoring moment of heel；numerical tank test

U661.3

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.01.003

2016-07-14

2016-12-28 16:03

上海交通大學海洋工程國家重點實驗室自主研究課題（GKZD010061）

魏成柱，男，1987年生，博士生。研究方向：新型船舶開發與數值仿真計算，智能水面無人平臺研發。E-mail：weichengzhu@sjtu.edu.cn李英輝，男，1973年生，博士，講師。研究方向：新型船舶開發和數值計算易宏（通信作者），男，1962生，教授，博士生導師。研究方向：潛水器與特種船舶開發，海上裝置與系統開發設計，系統可靠性與人因工程。E-mail：yihong@sjtu.edu.cn

http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20161228.1603.036.html期刊網址：www.ship-research.com

魏成柱，李英輝，易宏.船艏及干舷壓浪在高速艇上的應用對比［J］.中國艦船研究，2017，12（1）：14-20. WEI C Z，LI Y H，YI H.Effect of bow spray strips and Ω-type freeboard on high-speed boats［J］.Chinese Jour?nal of Ship Research，2017，12（1）：14-20.