帶新型冷卻裝置半滑行艇減阻方案探討

莊加海，張懷新，林德群，高雷，文攀

(1.上海交通大學，上海 200240；2．工程兵科研一所，江蘇 無錫 214035；3．中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 320200)

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帶新型冷卻裝置半滑行艇減阻方案探討

莊加海1,2，張懷新1，林德群2，高雷3，文攀2

(1.上海交通大學，上海 200240；2．工程兵科研一所，江蘇 無錫 214035；3．中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 320200)

為了降低帶新型冷卻裝置的半滑行艇的阻力，提出在新型冷卻裝置上加半遮擋板、在艇體尾部增加艉壓浪板、楔形塊或攔截器等方案，采用船模試驗方法開展方案對比分析，試驗結果表明，在新型冷卻裝置上加半遮擋板的減阻效果達到8%，艉壓浪板和楔形塊的降阻效果達到15%。

新型冷卻裝置；半滑行艇；船模試驗；阻力

關于半滑行艇和滑行艇的減阻措施的研究[1]，除了線型優化外，針對艇體運動浮態的研究，如在半滑行艇上加裝艉壓浪板、楔形塊等措施[2-7]的研究比較多，但是對這些減阻措施的對比分析比較少。目前，半滑行艇附體減阻的研究主要集中在防濺條等附體的研究。內河小型快艇多采用內循環冷卻系統，艇體水線以下往往會有突出的冷卻水管，突出的水管會增加艇體的阻力，考慮采用的新型冷卻系統是安裝在艇底部中后部的方形凹口內，這種做法可以避免附體突出船體，有效降低艇體的阻力，降低冷卻裝置的損壞的幾率，但仍然會帶來較大的阻力。為了減小因增加冷卻裝置而在艇體上開凹口的影響，增加艇體的光順性，提出在凹口上加半遮擋板的方案。半滑行艇在滑行狀態，艇體會出現較大的艉傾，艇體阻力會增加，通常會采取在艇體艉部增加艉壓浪板、楔形塊或攔截器等方法減小滑行時的艉傾，進而降低艇體滑行時的阻力。針對這3種方法開展試驗，對比分析3種方法的減阻效果，使艇體減阻方案最優。

1 半滑行艇的阻力公式

根據船舶體積弗勞德數來劃分，船舶可以分成3種，體積弗勞德數如下式[8]。

(1)

當Fr<1時，為排水型船舶；

當Fr>3時，為滑行艇船；

當1

船舶在滑行狀態和半滑行狀態的阻力與排水型船舶的阻力計算不同，通常滑行狀態和半滑行狀態船舶的阻力公式可寫成

(2)

式中：Rt為船舶總阻力；Δ為船舶排水量；τ為滑行狀態的縱傾角；Rf為船舶的摩擦阻力。

艉壓浪板、攔截器或楔形塊等形式的減阻措施主要是調節滑行狀態的縱傾角，減小式(1)中第一項的阻力，進而達到減阻的目的。但是式(2)并沒有包含附體所引起的漩渦、回流等現場引起的阻力，目前也沒有可靠的理論方法和經驗公式來計算，試驗方法是比較可靠的方法。

2 船模試驗

2.1 半滑行艇模型

為能有效激發學生的學習興趣，就要結合實際的教學需要，要能夠真正的了解學生興趣點，多樣化的途徑運用下激發學生學習興趣點，這是重要基礎，所謂知己知彼才能百戰不殆。教師要和學生多交流溝通，了解學生的興趣點后針對性的進行激發，這樣才能真正有助于促進學生的學習，才能發揮興趣激發的作用。

半滑行艇的型線橫剖面圖見圖1。該船型屬于淺V形，底斜升角從船艏向船艉，依次減小，保證較好的耐波性和快速性，該半滑行艇在設計航速下的Fr為2.49。船模為玻璃鋼材料，縮尺比為1∶4，船長8.5 m、型寬2.6、型深1.3，滿載設計吃水0.5 m，排水量4.5 t。船模見圖2。

圖1 半滑行艇型線橫剖面示意

圖2 船模外觀

2.2 新型冷卻裝置船模試驗

采用目前比較先進的新型冷卻裝置，該裝置在快艇底部中后部位置開了方形凹口(見圖3)，單個投影面積約0.47 m2，深度40 mm。

圖3 冷卻裝置示意

冷卻裝置增阻的水動力機理主要有：較大的凹坑，產生了很大的漩渦阻力，凹坑內的冷卻管路進一步消耗水的動能，增加阻力。針對水動力機理，考慮采用適當措施，對漩渦進行“遮斷”，降低漩渦強度；考慮到冷卻裝置在船長方向尺寸大于船寬方向，則漩渦能量圍繞船長方向的漩渦強度超過圍繞船寬方向，因此，考慮從靠近船中向外側方向進行半遮擋方案，遮蔽面積為一半凹坑開口。不打斷水體凹坑內的流動，因此不影響散熱效果，方案見圖4。

圖4 冷卻裝置半遮擋方案

無冷卻裝置方案(無開槽的光順體)和有冷卻裝置無遮擋方案的試驗阻力對比見圖5，從圖5可以看出，阻力在所有航速段都會增加，阻力最高增加36%。凹坑的出現，低速時增加了濕表面積，引起摩擦力增加，高速時凹坑引起的漩渦阻力增加，引起總阻力的增加。

圖5 有、無冷卻裝置的模型阻力對比

有冷卻裝置無遮擋和半遮擋方案的試驗阻力對比見圖6。

圖6 冷卻裝置減阻措施模型試驗驗證

通過圖6可知，在低速區域阻力有所增加，中高速區域減阻明顯，最高減阻35%。在低速時，增加的擋板，增加了與水接觸的表面積，摩擦阻力增加，總阻力增加，當Fr=1時，航速為14.4 km/h，此時艇體開始滑行，凹坑引起的漩渦阻力開始增大，擋板能夠使水流更光順，有效降低由于凹坑引起的漩渦阻力，因此高速時，半遮擋方案阻力迅速降低。

2.3 水動力減阻措施船模試驗

艉壓浪板是快艇領域常用的一種水動力減阻手段。設計良好的艉壓浪板能夠在較高航速段通過調整快艇航行姿態來降低阻力，較低航速段通過增加艉部“虛長度”，改善艉部流場，某些情況下也能起到一定減阻作用。尾部楔形體安裝在船艉、底部，其形狀從艏向艉逐漸翹起，有一定下壓角。其水動力機理與艉壓浪板類似，即增大船艉底部壓力，調節航行姿態。攔截器近些年來越來越多使用在高速船領域，并且從縱傾角調節，逐步擴展功能，增加自控系統和執行結構，用以改善高速船的耐波性。本文針對艉壓浪板、攔截器和艉部楔形塊這3種水動力減阻裝置進行船模試驗，3種水動力部件示意于圖7。

艉壓浪板方案延伸長度為3%Lpp，其寬度為200 mm。壓浪板不同角度方案的船模試驗結果見圖8。由圖8可見，相比艉壓浪板0°方案，下壓角5°和12°這2個方案，在中高速區域分別獲得了8%和15%的阻力降低比例。

艉部楔形塊方案與壓浪板方案的船模試驗結果見圖9。艉部楔形板下壓角為12°，其寬度與艉壓浪板一致。與艉壓浪板優選角度方案(12°下壓角)相比，2者阻力基本一致，但是航速超過32 km/h之后，艉楔形塊方案阻力將超過壓浪板方案。

攔截器不同伸出長度方案的船模試驗結果見圖10，在航速30 km/h附近獲得了5%的阻力降低；在低速和高速區域航速沒有降低，反而有所增加。

圖10 不同攔截器伸出長度方案實艇阻力對比

3 結論

1)艇體底部開凹口會破壞艇體表面的光順性，引起阻力的增加，通過增加遮擋板的方式最大程度保證艇體的光順，盡可能減小阻力的增加。

2)攔截器方案在低速區和高速區阻力增加明顯，航速30 km/h時的減阻效果不大，不適用于排水型艇和滑行艇的減阻。

3)艉壓浪板、楔形塊和攔截器減阻的原理是調整艇體滑行時的姿態，降低艉傾，達到減阻的效果，艉壓浪板和楔形塊沒有破壞艇體的光順性，減阻效果優于攔截器。

4)艉壓浪板和楔形塊減阻原理和減阻效果基本一致，在選用時，可根據具體需要選擇。

5)艉壓浪板、楔形塊和攔截器的角度和長度進一步增加后對艇體阻力的影響，需要開展研究。

[1] 董祖舜. 我國對滑行艇、半滑行艇流體動力性能方面的研究及其進展[J].武漢造船，1995，1(2):1-6.

[2] 張作瓊，鄧銳，李超，等.多附體對滑行艇靜水阻力及航態影響的試驗研究[J].哈爾濱工程大學學報,2016,37(9):1209-1215.

[3] 趙超.阻流板和導流板對滑行艇阻力性能的影響研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2013.

[4] 王文江,宗智,倪少玲，等.半滑行艇阻流板阻力試驗研究[J].中國艦船研究,2012,1(7):18-22.

[5] 鄧銳,黃德波,周廣利，等.阻流板水動力機理的初步計算研究[J].船舶力學,2012,16(7):740-749.

[6] Sverre Steen. Experimental investigation of interceptor performance[C]. 9thInternational Conference on Fast Sea Transportation FAST 2007.Shanghai,China:FAST,2007.

[7] BRIZZOLARA S.. Hydrodynamic analysis of interceptors with CFD methods[C]. 7thInternational Conference on Fast Sea Transportation.Naples:FAST,2003.

Model Tests on Resistance Reduction Measures of a Semi-planing Ship with New Style Cooling Device

ZHUANG Jia-hai1,2, ZHANG Huai-xin1, LIN De-qun2, GAO Lei3, WEN Pan2

(1.Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China;2.The First Engineers Scientific Research Institute, Wuxi Jiangsu 214035, China;3.China Ship Science Research Center, Wuxi Jiangsu 320200, China)

In order to reduce the resistance of semi-planing ship with new style cooling device, the resistance reduction measure of half-covering plate on cooling device, spray strip or interceptor or wedge block installed in the stern were applied. Experimental results showed that in the new style cooling device with half-covering plate the drag reduction effect reaches 8%, the resistance reducing effect of spray strip and wedge block to reach 15%, the drag reduction schemes obtained obvious improvement.

new style cooling device; semi-planing ship; ship model test; resistance

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.003

2016-12-19

國家自然科學基金(11272213；51479116)

莊加海(1979—)，男，碩士，工程師

研究方向：船舶水動力學

U661.3

A

1671-7953(2017)04-0012-04

修回日期：2016-12-27