滑行艇波浪中運動性能試驗研究

2021-04-10 04:10:02高霄鵬

艦船科學技術 2021年2期

陶磊，高霄鵬

(海軍工程大學艦船與海洋學院，湖北武漢 430033)

0 引言

滑行艇不同于傳統的依靠靜浮力支撐船體重量的排水船，滑行艇所受的浮力成分隨著航速增大發生變化，在滑行艇高速航行時，艇體重量幾乎全由作用于滑行艇艇底的流動升力支撐。由于艇底壓力分布對滑行艇航行性能影響很大，而且滑行艇排水量較小，受到波浪作用時容易發生抨擊出水等現象，這使得耐波性成為限制滑行艇使用的重要原因[1]。

滑行艇在波浪中的運動具有強烈的非線性，使得傳統排水船的線性理論不能適用于滑行艇。研究滑行艇在波浪中運動主要有理論方法和模型試驗方法。由于傳統理論預報存在一定難度，波浪中進行模型試驗仍然是研究滑行艇耐波性能很有效的方法。Fridsma 于1969 年進行了一系列滑行艇靜水及規則波中的試驗，試驗中探究了縱傾角、自重、傅汝德數、斜升角等單一參數對滑行艇靜水阻力性能以及在規則波中垂向加速度的影響[2]。日本學者片山等[3]運用小尺度滑行艇模型進行了滑行艇規則波中迎浪運動試驗，為滑行艇水動力研究提供了大量參考資料。董文才教授等[4]對深V 型滑行艇模型進行了規則波頂浪縱向運動試驗，證實了相同航速下滑行艇在波浪中航行的縱向運動是相對于靜水浮態的升沉縱搖運動。

本文對某自主開發的滑行艇[6-7]進行了模型的頂浪規則波和不規則試驗，通過分析試驗數據，探究該滑行艇的波浪中運動性能，為進一步研究提供試驗依據。

1 試驗設備模型與試驗內容

1.1 試驗設備

本次試驗在中國特種飛行器研究所高速水動力實驗室室內拖曳水池進行，該水池拖車速度最高可達25 m/s，能夠滿足滑行艇試驗高航速要求。水池長度510 m，寬6.5 m，水深5.0 m。水池造波機可造規則波波長范圍0.5～15 m，波高范圍0.03～0.50 m，可造各類長峰不規則波。

1.2 試驗模型

本次試驗的對象是自主開發的某新型滑行艇模型，模型主尺度在表1 中給出。模型主體材料為木料，為了使模型表面光滑，模型表面經做防水、噴漆處理，符合規定的允許誤差標準。

表1 模型特征主尺度Tab. 1 Model feature master scale

1.3 試驗工況

首先進行模型靜水阻力試驗，試驗時釋放船體升沉及縱傾的運動自由度，采用角度傳感器測量船?？v傾值，采用位移傳感器測量船模重心處的升沉值，通過與牽引繩連接的阻力傳感器測量船體受到的阻力。為了使水面恢復足夠平靜，消除殘余船行波的影響，每個試驗工況間隔至少10 min 進行。

規則波中運動響應取試驗速度為Fr=2.652，3.713及4.244，本文中Fr均為排水體積傅氏數。開展規則波試驗時，波長范圍為2～20 m。名義波高取60 mm，試驗過程中測量實際波高，誤差在5%以內。

表2 規則波試驗工況Tab. 2 Regular wave test conditions

由于實際上海上的風浪是極其不規則的，研究時一般可將海浪視為平穩的隨機過程，可用波浪譜模擬實際波浪運動。為了研究該滑行艇在實際海浪中的運動，在水池中進行模型的不規則波試驗。不規則波的波浪譜采用ITTC 推薦雙參數譜：

其中，H1/3表示三一有義波高，T1表示特征周期，ω為波浪圓頻率。特征波高H1/3與特征周期T取值對應實際海況級別，模擬實船從2 級到3 級海況下的耐波性能，具體試驗工況如表3 所示。

表3 不規則波試驗工況Tab. 3 Irregular wave test condition

2 試驗結果及分析

2.1 靜水試驗

圖1～圖3 為阻力、縱傾角及升沉隨航速變化曲線，圖3 為靜水阻力試驗中不同航速下的模型拖曳過程中的圖像。為了方便進行分析比較，試驗中測量所得數據均做無因次化處理。

從圖1 可以看出，滑行艇在低速航行階段，阻力值隨航速增大增加較快，隨著航速的進一步增加，阻力值有一段變化緩慢區域，而繼續增加航速，阻力曲線又有變陡趨勢。這是因為在低速航行階段，摩擦阻力比重較高，阻力與航速的高次方成正比。進入起滑階段，縱傾角增大，艇體抬升出水，濕表面積和排水量減小，摩擦阻力減小，雖然此時飛濺阻力增大，但抵消后阻力曲線變化緩慢。當進入更高航速階段后，航速繼續增大，而由于較高的航速導致嚴重的飛濺，飛濺阻力迅速增大，占剩余阻力的比達90%～95%。

圖1 滑行艇單位排水量阻力曲線Fig. 1 Resistance curve of unit displacement of planing boat

圖3 滑行艇無因次升沉曲線Fig. 3 Dimensionless heave curve of planing boat

從圖3 可以看出，在所研究的航速段內，該艇先下沉后上升，隨著航速的增加，該艇進入滑行階段后，升沉大幅增加，從而將大部分艇體抬升至水面以上，降低此時的阻力。

結合圖2 與圖4，可以明顯看出，隨著航速的增加，滑行艇的縱傾角先增大后減小，與傳統滑行艇的縱傾角變化規律相同。當Fr<3，滑行艇處于排水航行和過渡航行階段，隨著航速增大，縱傾角迅速增大，艇首抬升出水。縱傾角達到最大值后，航速繼續增加，滑行艇進入滑行狀態，縱傾開始緩慢減?。划擣r>4，縱傾角不隨航速增加而變化，穩定在5.5°左右。

圖4 模型縱傾變化Fig. 4 Trim of different speed

2.2 規則波試驗

2.2.1 縱向運動響應分析

圖5 和圖6 為縱搖，垂蕩響應算子隨無因次波長λ/L 和的變化曲線。分析垂蕩和縱搖試驗結果，不同航速垂蕩和縱搖值隨波長增大，并有峰值出現；當波長繼續增大至大于8 倍船長后，垂蕩和縱搖幅值不再變化，且不同速度下響應值基本相等。不同速度下垂蕩和縱搖響應峰值出現的波長位置不隨速度變化移動，出現在λ/L=5 時；當Fr=3.713 時，λ/L=5 附近波長的垂蕩和縱搖響應值明顯高于其他兩個速度，這是因為在試驗過程，以上幾個試驗波長艇體出現劇烈的運動響應，有抨擊和出水現象，此時響應峰值對應的遭遇周期 ωe=6.72。

圖5 縱搖響應算子隨λ/L 變化曲線Fig. 5 Curve of trim RAO with λ/L

圖6 垂蕩響應算子隨λ/L 變化曲線Fig. 6 Curve of sinkage RAO with λ/L

圖5和圖6 也給出了某典型的帶舭部折角線的深V 型滑行艇不同速度段的運動響應[4]。從圖中對比可以看出，新型滑行艇的運動響應峰值雖然較深V 型滑行艇的峰值偏大，但出現的波長船長比明顯后移；且在波長船長比小于3 之前，新型滑行艇艇的運動響應較常規深V 型滑行艇小。

圖7 和圖8 為縱搖，垂蕩響應算子隨遭遇頻率的變化曲線，隨著速度增加，運動響應峰值向高頻方向移動。

2.2.2 加速度響應分析

圖9 為不同速度下艇重心處垂向加速度值隨波長的變化曲線?？芍?，當Fr=3.713 時的重心處垂向加速度最大幅值比其他2 個速度都大，這與觀察到的該試驗速度下的艇體劇烈運動現象相吻合。圖10 為垂向加速度隨遭遇頻率的變化規律?？梢钥闯觯皖l段不同速度下垂向加速度值很接近，隨著速度增加垂向加速度峰值向高頻方向移動，越過峰值后的垂向加速度與遭遇頻率呈較好的線性關系。

圖7 縱搖響應算子隨遭遇頻率 ωe變化曲線Fig. 7 Curve of trim RAO with ωe

圖8 垂蕩響應算子隨遭遇頻率 ωe變化曲線Fig. 8 Curve of sinkage RAO with ωe

圖9 船重心垂向加速度隨λ/L 變化曲線Fig. 9 Curve of aG with λ/L

圖10 船重心垂向加速度隨遭遇頻率 ωe變化曲線Fig. 10 Curve of aG with ωe

2.2.3 波浪阻力增值結果分析

滑行艇在波浪中航行時，艇體在波浪作用下，產生周期性的搖蕩運動，導致滑行艇所受力情況比靜水復雜得多。作用在艇體上的波浪力可分為繞射力和因艇體搖蕩而產生的輻射力。在相同航速下，艇體波浪中航行所受的平均阻力較靜水阻力有所增大。阻力增幅的計算方法為：相同速度下，波浪中平均阻力與靜水阻力之差除以靜水阻力，即

式中：η為阻力增幅；Rtav為波浪平均阻力；Rtjs為靜水阻力。

圖10 與圖11 給出了不同航速下阻力平均值和波浪阻力增幅隨著波長的變化曲線。分析發現，在船體運動響應較大時，阻力平均值和阻力增幅也會相應有峰值，這是因為阻力增值的主要由繞射增阻以及輻射增阻組成，船體運動響應較大時對應的輻射增阻也會相應增加。從圖中可以看出，不同速度下阻力平均值隨波長變化趨勢相近，阻力均值與速度呈線性關系。同一速度下，試驗波長的增大，阻力先減小后迅速增大達到阻力峰值后減小，但當波長增大到大于7 倍船長后，繼續增大波長對阻力平均值影響不大。

圖11 波浪平均阻力曲線Fig. 11 Curve of average wave resistance

圖11同時給出了某典型的帶舭部折角線的深V 型滑行艇的波浪阻力增幅曲線，對比可以發現，開發的新型滑行艇的阻力增值較常規深V 型滑行艇小，阻力增值的優勢尤其體現在：當Fr>3 滑行艇進入滑行階段后，阻力增幅不隨速度增大而增大；當滑行艇在長波中高速滑行時，阻力增幅比在低速航行更小，因此該艇在波浪中航行時相較常規滑行艇有更好的阻力性能。