淺析排水式高速艇的阻力性能

鄔卡佳 田華勇

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

艇和排水式船舶之間，處于過渡航行狀態(tài)的船舶，其阻力特點也具有過渡性能的特點，如圖1所示。

快艇的阻力性能與排水式船舶有很大不同。排水式船舶在航行時，浮態(tài)基本不受航速變化的影響，其質(zhì)量由靜浮力支撐；而快艇的浮態(tài)隨航速的增加而發(fā)生顯著變化，其航行時，大部分或全部質(zhì)量均由動浮力支持，總阻力的構(gòu)成和相應隨航速、船型參數(shù)的變化規(guī)律也與排水式船舶不同，即使各類型快艇之間，其阻力構(gòu)成和相應的變化規(guī)律也有較大的差異［1］。

按產(chǎn)生動浮力方式的不同，可將快艇分成滑行艇、水翼艇、氣墊船等。排水式高速艇是介于滑行

圖1 各航態(tài)范圍船舶的阻力曲線

這類艇的用途很廣，小型摩托艇、交通艇、航政艇、海關檢查艇和巡邏艇等都屬于該類型快艇。本文分析了排水式高速艇的阻力性能特點，為該類船舶的快速性設計提供一定的參考。

1 阻力性能特點

排水式高速艇的阻力和其中的摩擦阻力Rf、剩余阻力Rr的比例均隨航速的變化而變化。荷蘭水池針對某型圓舭型高速艇進行了阻力性能試驗［2］，其試驗結(jié)果（圖2）表明，排水式高速艇的剩余阻力系數(shù)Cr隨排水體積長度系數(shù)的增加而急劇增加；在長度傅氏數(shù)附近，剩余阻力系數(shù)達到最大值。圖3是某兩條排水式高速艇剩余阻力與摩擦阻力之間的比值曲線［1］。可見，在Fn= 0.5附近，剩余阻力占總阻力的比重較大（可達50%以上）。由此可見，排水體積長度系數(shù) 和傅氏數(shù)Fn是影響排水式高速艇快速性能最重要的兩個參數(shù)。在初步設計時，就應綜合權(quán)衡水線長度、排水量和設計航速的選取，合理設計排水式高速艇的長度傅氏數(shù)，避開剩余阻力峰值區(qū)域，并盡可能控制空船質(zhì)量，減小排水體積長度系數(shù) ，提高其阻力性能。

此外，排水式高速艇的動浮力對其航行性能的影響不容忽略，如圖4所示。當體積傅氏數(shù)時，動浮力和靜浮力相比雖是小量，但足以引起船舶縱傾；隨著航速進一步提高，動浮力越來越大，船艇的縱傾角也增加，但由于艇的重心固定及排水式快艇的船型特點，到某一 之后，縱傾角減小。當 達到一定數(shù)值（通常是1.5左右）時，艇底動壓力足以迫使水流沿著橫向噴出而有噴濺出現(xiàn)，此時，噴濺阻力在總阻力的構(gòu)成中已不可忽略；當 達到3時，動浮力已經(jīng)成為支持艇重的主要成分，但受艇型限制，排水式快艇無法和底部較平且有舭折角的滑行艇一樣達到“滑行”狀態(tài)，艇淹濕飛濺嚴重，噴濺阻力和摩擦阻力迅速增大，總阻力急劇增加，快速性能惡化。因此，排水式高速艇的傅氏數(shù)不應過高。

圖2 剩余阻力系數(shù)CR和Fn的關系

圖3 剩余阻力與摩擦阻力的比值曲線

圖4 船運動時首、尾及船中的吃水變化

2 阻力估算

2.1 船模試驗

為了更好地理解排水式快艇的阻力性能，委托武漢理工大學交通學院在605所高速拖曳水池中針對某型巡邏艇進行船模阻力試驗，如圖5所示。

圖5 船模阻力試驗

某型巡邏艇的主尺度參數(shù)如表1，試驗水溫為8.4℃，縮尺比為8。

表1 實船主尺度

模型阻力試驗按照力學相似的原則（傅氏數(shù)相似）確定船舶模型的排水量與對應航速，拖車速度通過閉環(huán)控制在對應速度下運行，通過拉力傳感器測量對應航速下的模型阻力，并通過二因次方法預報實船的阻力。由試驗結(jié)果得到的實船總阻力預報曲線見圖6所示，船舶不同航速下的航態(tài)見圖7所示。

圖6 實船總阻力預報曲線

圖7 航態(tài)角/升沉曲線

由圖可知，該型巡邏艇的阻力隨航速的增加而增加，在航速為 16 kn（Fn≈0.5）時，增幅較大；航行縱傾角隨航速的增加而增大，當航速大于24 kn（ ）時，艇體開始相對靜浮時上抬。

為研究該型巡邏艇的剩余阻力隨航速的變化規(guī)律，現(xiàn)根據(jù)ITTC-57公式估算摩擦阻力系數(shù)，得到該型船的摩擦阻力，并結(jié)合實船總阻力預報得到該型船的剩余阻力系數(shù)以及剩余阻力在總阻力中的占比（如圖8和下頁表2所示）。其中海水密度ρ取1.025 t/m3，海水粘度ν取1.188 31×10-6m2/s。

圖8 剩余阻力系數(shù)和剩余阻力/總阻力比值

表2 基于模型試驗的剩余阻力系數(shù)、剩余阻力/總阻力比值計算

由此可見，各航速下該型巡邏艇的剩余阻力均較大（占總阻力的60%以上），且在Fn= 0.5時達到最大值（約77%），此時，剩余阻力系數(shù)也達到最大值。

2.2 試驗圖譜估算

圖9 圓舭艇的船模阻力，LM =2.25 m

GROOT［3］根據(jù)荷蘭船模試驗池及Nordstrom發(fā)表的圓舭型摩托艇船模試驗資料繪制成阻力計算圖譜（圖9），又根據(jù)美國司蒂汶司工學院及其他水池發(fā)表的V型摩托艇船模試驗資料整理成圖10，可供阻力換算之用。為便于計算，《內(nèi)河船舶設計手冊》［4］將該阻力圖譜繪成剩余阻力系數(shù)圖譜（圖11），該圖譜適用于傅氏數(shù)Fn在0.3～1.0，排水體積長度系數(shù) 在2.5～7.5的圓舭艇的阻力預報和軸功率計算，可用于小型軍艦和巡邏艇的初步設計。

圖10 V型艇的船模阻力，LM =2.25m

圖11 剩余阻力系數(shù)圖譜

根據(jù)該圖譜計算該型巡邏艇的總阻力，如表3所示。

表3 基于試驗圖譜的排水式高速艇阻力估算

將試驗圖譜與模型試驗的總阻力預報結(jié)果進行對比，如圖12所示。

圖12 試驗圖譜和模型試驗的總阻力預報結(jié)果對比

由對比結(jié)果可知，該型船的圖譜換算結(jié)果和模型試驗結(jié)果十分接近，后續(xù)類似船（ ，）可在初步設計階段根據(jù)該圖譜估算阻力，并優(yōu)化船型尺度。

3 船型參數(shù)對阻力性能的影響

3.1 棱形系數(shù)CP

棱形系數(shù)表征了船體首尾端的豐滿程度。高速艇的前體處于強興波區(qū)，因此要求前體排水量自首向中勻稱過度；由于尾部采用方尾，尾部排水量分布較大；因此，高速艇的CP值不能過小，應以使整船排水量自首向尾均勻分布為宜。可根據(jù)Fn選取CP值［5］，如圖13所示。

圖13 CP和Fn的關系

3.2 尾封板浸濕面積比AT /AX

尾封板浸濕面積AT和最大橫截面積AX之比（AT/AX）是排水式高速艇阻力很重要的參數(shù)。在低速時，尾封板面積較大易產(chǎn)生渦流，增加形狀阻力；在高速時，尾封板處水流沿縱剖線方向沖向水面，尾封板浸濕部分與水脫離，形成虛長度，起到增加船長、減小阻力的作用。因此，尾封板浸濕面積比應與Fn相對應［5］，過大過小均不利，如圖14所示。

圖14 尾封板浸濕面積比AT /AX與Fn的關系

3.3 浮心縱向位置xB

浮心后移可使前體相對尖瘦、后體相對豐滿，有利于形成虛長度，并保證船有一定的縱傾。排水式快艇的浮心一般都設在中橫剖面之后。可根據(jù)Fn選取xB值［5］，如圖15所示。

圖15 浮心位置xB和Fn的關系

3.4 橫剖面和縱剖面形狀

船底越平坦，越有利于動浮力的產(chǎn)生，并減少底部壓力的損失，從而減小噴濺阻力和淹濕狀況。因此，高速艇的舭圓半徑比低速艇要小，底部橫向斜升角亦變小，并且舭圓半徑和底部橫向斜升角均是從最大截面以后向尾逐漸減小。

3.5 方形系數(shù)CB和寬度吃水比B/T

方形系數(shù)CB和寬度吃水比B/T通過濕表面積影響阻力。從減小噴濺和淹濕來看，大的方形系數(shù)和寬度吃水比是有利的；方形系數(shù)減小，寬度吃水比增大，則濕表面積增大。對于排水式高速艇而言，方形系數(shù)和寬度吃水比應和其他船型參數(shù)相協(xié)調(diào)，使得型線平順，其對阻力性能的影響是次要的［1］。

4 結(jié) 語

排水式快艇的剩余阻力在總阻力中占比較大，應充分重視剩余阻力隨航速變化的規(guī)律特點。可以通過適當調(diào)整船舶的船型參數(shù)，如減小排水量長度比，減小剩余阻力，從而改善排水型快艇的阻力性能。