尾插板對滑行艇阻力及縱向穩定性影響試驗分析

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(海軍工程大學 艦船工程系，武漢 430033)

尾插板通常是垂直安裝在船艉部的一塊具有很大長寬比的平板，尾插板可以在船舶航行過程中產生的額外的水動升力，能夠一定程度上影響船舶的航行姿態，進而改變船底的壓力分布和尾流場的興波特性[1]，選擇合適的尾插板可以在某些航速范圍內降低船舶航行阻力，提高航行效率[2]。滑行艇由于其工業技術要求較低，發展最早，所以是當前應用最為廣范的高性能船[3]，各式新型滑行艇也層出不窮[4- 6]。由于滑行艇航速快、排水量小、起滑前后運動姿態差異大，導致其重心、浮心及動升力中心三者關系變化劇烈，極易發生縱向失穩，也就是“海豚運動”[7]。這些運動穩定性問題是制約滑行艇進一步發展的關鍵因素。目前解決縱向運動穩定性的方法一般是調整重心位置[8]，通過減小初始尾傾來壓制海豚運動，但是重心縱向位置可調的范圍通常很小，所以該方法僅對輕微的縱向失穩有一定緩解作用，具有很強的局限性。尾插板通過改變來流攻角能夠有效地調節滑行艇運動姿態與其重心的匹配關系，且安裝簡單快捷，是目前解決運動穩定性問題最有效的手段之一。過短的尾插板無法有效地調節運動姿態，而過深的尾插板則會導致高速下發生埋首以及起滑效率低下等負面作用，所以選擇適當的尾插板十分關鍵。鑒于理論計算[9- 10]及數值方法[11- 12]尚不成熟，模型試驗仍然是正確選擇尾插必不可少的手段。為此，以某高速滑行艇為試驗對象，比對不同深度的尾插板對滑行艇運動穩定性的影響。

1 船型介紹

1.1 船型主尺度

為保證船模在高航速下能夠有較好的強度，船模使用木質結構經打磨、噴漆、防漏等一系列工序加工而成，無因次主尺度如表1所示。

表1 模型無因次化尺度

注：B- 模型寬度，m；L- 模型長度，m；H- 型深，m；d- 模型吃水，m；LCB- 浮心距艏部距離，m。

表2所示為滑行艇排水量與阻力的無因次化。

表2 拖曳模量綱一的量化主要參數

注：Rm- 阻力，N；Δ- 排水量，kg；▽- 排水體積，m3；Vm- 模型拖曳速度，m/s。

1.2 試驗方案

通過自由拖曳試驗，測量該船在一定排水體積下的阻力，縱傾角以及升沉的變化，并對雞尾和飛濺等現象進行觀察，通過調整尾插板深度來測得該船的最佳運動姿態和阻力性能。拖曳速度從Fr▽=1.0逐漸增大至Fr▽=7.0，若發生海豚運動或者橫向失穩則停止試驗。試驗在中航重工605所的拖曳水池內進行，模型如圖1所示，試驗中尾插板加裝如圖2所示。其中尾插板的深度指在滑行艇斷階處安裝的橫向木條突出模型基面的高度,如圖3黑色區域的高度即為斷階處尾插板深度。

圖1 試驗模型

圖2 尾插板安裝

圖3 尾插板深度示意

2 不同尾插板的靜水性能對比

2.1 單位升阻比對比

通過調整安裝在斷階尾封板處的尾插板深度，得出3種不同尾插板配置下該船的單位升阻比的變化。

相同體積弗勞德數下不同深度的尾插板對滑行艇的阻力性能的影響見圖4。

圖4 不同深度尾插板阻力無因此對比

當Fr▽>5時，若不加裝尾插板，模型會產生縱向失穩，也就是海豚運動，無法采集以后的數據，且阻力值相對較大。加裝尾插板以后，海豚運動得到明顯解決，整體的阻力曲線呈階梯狀分布，在2.04.5的區間里1.0 mm深的尾插板的阻力曲線最為平緩，均值相對于其他深度的尾查板減小幅度接近10%，說明尾插板的使用可以起到較好的減阻作用。

2.2 垂蕩幅值對比

由圖5可以看出，當Fr▽<3.0時，尾插板深度對升沉和縱搖的影響較小，當Fr▽>3.0以后，尾插板深度對升沉的影響開始不斷變大，相比于阻力曲線在Fr▽>4.5以后才發生分離，升沉的變化發生較晚。1.0 mm深尾插板最終的垂蕩幅值比2.0 mm尾插板的垂蕩幅值要小6.7%左右。

圖5 不同深度尾插板模型升沉對比

升沉是影響滑行艇在滑行過程中濕表面積大小的重要因素之一，若滑行艇在滑行過程中濕表面積過大，會導致阻力的增長。結合試驗數據可以認為，較短的尾插板可以控制模型的升沉在較小的范圍內，進而起到減阻的作用。

2.3 縱搖幅值對比

不同尾插板深度模型縱搖幅值對比見圖6。

圖6 不同深度尾插板模型縱搖幅值對比

根據圖6可以發現，當Fr▽=2.5時，縱搖達到峰值后迅速減小，有著明顯的越峰過程，符合滑行艇縱搖角變化的一般規律。深度越深的尾插板縱搖角減小的越快。其中深度為2.0 mm的尾插板在高速狀態下的縱搖最小甚至達到了負值，發生了埋首現象，說明此時的模型已無進一步向高速沖擊的潛力。這是因為過深的尾插板擋水面積很大，在高速來流的沖擊下產生了較大的埋首力矩。

滑行過程中縱搖角的變化是影響滑行艇運動穩定性的重要因素，每條滑行艇都有著各自的最佳縱搖角，由于船體自身有著多方面設計限制，所以僅靠滑行艇自身很難達到最穩定狀態。通過安裝尾插板可以有針對性地進行調節縱搖，能夠有效地提升滑行艇的各方面性能。

3 結論

通過在長條水池對帶系列尾插板的滑行艇模型的直航靜水測試試驗，得出以下結論：

1)加裝合適深度尾插板可以有效地提高滑行艇的縱向運動穩定性，延緩海豚運動的發生；在4.05.0的超高速滑行階段，微小的尾插板深度變化會導致阻力的迅速增長和縱傾角的迅速減小甚至出現埋首現象，需要對尾插板深度進行非常精準的控制。

2)與目前滑行艇使用較多、功能相似的帶角度安裝的尾壓浪板相比，垂直安裝的尾插板效率更高，總體長度僅為尾壓浪板的10%左右；對滑行面影響更小，尾壓浪板一定程度上延伸了滑行面；結構更為簡單，不需要帶角度安裝；但是對深度過于敏感，試驗發現1.0 mm左右的深度變化會對滑行艇整體的姿態產生很大影響，試驗過程中需要對深度有準確的控制。

3)隨著控制技術的發展，在航行過程中根據船舶的航行姿態實時精準地控制尾插板的深度成為可能，模型試驗中對尾插板性能的測試是重要的輸入參數，所以該試驗具有較大的實際意義。

4)本試驗僅以安裝深度作為變量分析了尾插板對滑行艇靜水直航的運動姿態及阻力性能的影響，對于尾插板的安裝寬度及其波浪運動中調節能力的變化仍有進一步探索的空間。

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