五體船阻力性能試驗研究

五體船阻力性能試驗研究

越來越多的多艘船（ssmh）引起了國際造船界的廣泛關注。目前，五艘船的研究和開發(fā)已成為許多著名的國際學術會議，如s名稱、fast、rina等。五艘船的基本含義是，在水動力學優(yōu)化的主船兩側加上四個穩(wěn)定的小浮體。靜浮時，左右兩個浮體輕微可見，前兩個浮體的骨頭線位于滿水線上。結果表明，五艘船的體型和特點如下：低速度阻力、高適性、穩(wěn)定性好、總配置和結構優(yōu)勢。作為一種新船型,首要問題之一是快速性,這是評價新船型優(yōu)劣的基本依據之一.阻力研究途徑包括理論計算方法和船模試驗研究方法.本文著重應用船模試驗研究方法對五體船型的阻力性能進行系統(tǒng)的研究.五體船船模阻力的各項試驗在上海交通大學拖曳水池進行.1模型選擇1.1主尺度參數(shù)優(yōu)化由于4個側體的存在,五體中主體長寬比L/B可以不顧及穩(wěn)性要求,取較大值,以實現(xiàn)減少其興波阻力的目的.但L/B較大意味著船體濕表面積較大,因此選取的L/B值應使主體總阻力最小.寬度吃水比B/T、方形系數(shù)CB等也是影響剩余阻力的重要因素.本文采用文獻的方法對主尺度進行優(yōu)化,選取L/B=14～16、B/T=1.9～2.2、CB=0.46～0.61的一系列主尺度參數(shù),采用64系列船模圖譜進行主體的航速估算.綜合考慮阻力、空船重量等因素后,選取了一組主體主尺度參數(shù).在對某優(yōu)秀單體船型線進行修改后,得到了本船的主體型線,并按1∶40比例制造了船模.其主要參數(shù)如表1所示.1.2側體的改進試驗主體型線生成后,需要選擇側體型線形式.某些五體船資料顯示,側體的尾部呈現(xiàn)一種直削的深方尾形狀.為此采用這種形式的側體進行了初步試驗,發(fā)現(xiàn)過深的方尾致使尾部水流被強烈激起,形成“雞尾”,如圖1所示.因此側體型線形式最終修改為普通的尾部平滑過渡形式.側體修改后的阻力試驗顯示,“雞尾”大大減小,船模總阻力在某些航速降低最高達20%.試驗證明了側體的方尾不能過深.改進前后的側體型線對比如圖2所示.1.3對稱水體對應各試驗方案的側體形式如下:(1)方案1,考察后側體位置影響.本文在橫向和縱向各選取了3個位置,共9個位置方案進行阻力試驗;選取其中的最優(yōu)位置,進行后續(xù)的各試驗方案.本項試驗采用后側體組A.(2)方案2,考察后側體對稱性影響.對于單體船,不對稱船體總是劣于對稱船體;在五體船中,主、側體間因存在興波干擾,不對稱后側體有可能降低總阻力.本項試驗采用半邊平面半邊曲面的后側體組B(平面面對主體).為使試驗結果與方案1具有可比性,后側體組B的排水量、長寬比、吃水與A相同.(3)方案3,考察后側體排水量大小影響.三體船的單個側體約占全船排水量的3%,五體船多出的2個前側體允許后側體排水量進一步降低,在這里減小至1.3%.本項試驗采用后側體組C、D.(4)方案4,考察后側體長寬比影響.本項試驗采用不同長寬比(排水量、吃水、方形系數(shù)均相同)的后側體組C、D相互比較.(5)方案5,考察前側體有靜水吃水情況的影響.本項試驗采用前側體組E、后側體組A.方案1～4中前側體沒有靜水吃水,故未予以關注.以某優(yōu)秀單體船為基礎進行修改后,得到了各側體型線,并按1∶40比例制造了船模,其主要尺度參數(shù)如表2所示.表中:Δs、Δo分別為單個側體及全船排水量.2船模阻力的確定為了對各方案進行合理的考察比較,須將模型試驗阻力換算為實船阻力,在此采用二因次法.對模型,設:SM0為主體濕表面積;SM1為單個后側體濕表面積;SM2為單個前側體濕表面積;SM為總濕表面積;ρM為水的密度;vM為航速.對實船,設:SS0為主體濕表面積;SS1為單個后側體濕表面積;SS2為單個前側體濕表面積;SS為總濕表面積;ρS為水的密度;vS為航速.考慮到粗糙度補償系數(shù),在前側體無靜水吃水的情況下,實船阻力為RS=ρSSSv2S(Cr+0.0004)/2+ρSSS0v2SCfS0/2+ρSSS0v2SCfS1(1)在前側體有靜水吃水的情況下,實船阻力為RS=ρSSSv2S(Cr+0.0004)/2+ρSSS0v2SCfS0/2+ρSSS1v2SCfS1+ρSSS2v2SCfS2(2)式中:Cr為剩余阻力系數(shù),在前側體有、無靜水吃水的情況下分別為Cr=RM?ρMSM1v2MCfM1?12ρMSM0v2MCfM0?RΜ-ρΜSΜ1vΜ2CfΜ1-12ρΜSΜ0vΜ2CfΜ0-ρMSM2v2MCfM212ρMSMv2M)(3)12ρΜSΜvΜ2)(3)Cr=RM?ρMSM1v2MCfM1?12ρMSM0v2MCfM012ρMSMv2M(4)Cr=RΜ-ρΜSΜ1vΜ2CfΜ1-12ρΜSΜ0vΜ2CfΜ012ρΜSΜvΜ2(4)RM為模型阻力,CfM0、CfM1、CfM2分別為船模主體、后側體、前側體摩擦阻力系數(shù);CfS0、CfS1、CfS2分別為實船主體、后側體、前側體摩擦阻力系數(shù),均按照1954ITTC公式計算.本文中所有阻力數(shù)據均為換算到實船的結果.3比較試驗結果和分析3.1橫向位置對cr穩(wěn)定影響三體船或五體船各體間的興波干擾對阻力的影響是最近的熱點問題,文獻針對三體船進行了研究.本文選取的后側體組A較文獻的側體短粗.后側體的9個位置對應圖3中l(wèi)=0,32,64m3個縱向位置和b=10.5,15.75,21m3個橫向位置.速度相同時摩擦阻力相同,本文只比較全船剩余阻力系數(shù)以反應阻力特性.各位置在不同弗勞德數(shù)Fr下的剩余阻力系數(shù)曲線如圖4所示.由圖4可見,后側體的縱向位置變化對Cr的影響尤為明顯,而橫向位置變化影響較弱.總體而言,Cr約在Fr=0.3～0.35處于谷點,在Fr=0.45以后接近或處于峰點;但l=32m的3個位置,在Fr=0.3～0.35處于峰點,說明縱向位置的變化可能會變谷點為峰點.隨著Fr的變化,Cr在l=64m的3個位置起伏最大,l=0時最小.9個位置均未在全航速范圍內保持最低的Cr值;綜合來看,可以認為l=0的3個位置較優(yōu).l=0的3個位置的摩擦阻力占總阻力的比值η如表3所示,大致為50%～65%.η較高處對應Cr谷點,較低處對應峰點.3.2兩組患者的摩擦阻力將后側體組B置于l=0,b=15.75m處(此位置命名為P2),平面?zhèn)葘χ黧w.圖5所示為本方案試驗結果與后側體組A位于P2時的Cr曲線比較.后側體組B的Cr在全航速下均高于后側體組A的Cr,因此,其摩擦阻力也較大.除非有特殊理由,不宜選擇不對稱側體.3.3c、d之間的阻力比較將后側體組C、D分別置于P2試驗,兩者與后側體組A置于P2的Cr曲線如圖6(a)所示.由圖6(a)可見,C、D之間相比,較細長的D的Cr稍小,但差別不大;C、D與A相比,A在低速情況下Cr明顯偏大.三者總阻力RS曲線如圖6(b)所示,C、D之間非常接近;C、D與A相比,在Fr=0.24時,低于A20%,在Fr=0.43時,低于A4.5%.若以每噸排水量總阻力評價阻力性能,則減小后側體排水量有效地提高了阻力性能.3.4前側體靜水飲水對sr的影響令后側體組A位于P2,前側體組E位于圖3中m=110m處試驗(吃水1.2m).前側體組E有、無靜水吃水的RS如圖7所示.由圖可見,有靜水吃水時RS總阻力增加1.7%～3.4%.因此,從快速性的角度看,前側體有靜水吃水并不合適.3.5體船的快速性本次試驗阻力中,后側體組C置于P2時最優(yōu).將其每噸排水量阻力與某優(yōu)秀單體船相比,在18kn航速下降低18%,20kn下降低15.6%,24kn下降低17.2%,25kn下降低19.8%,這證明五體船具有優(yōu)秀的快速性.如能對各船體進行完整的型線優(yōu)化,快速性有望進一步得到提高.從阻力角度看,五體船完全具有繼續(xù)深入研究的價值.4干擾阻力試驗通過對五體船進行的阻力試驗研究,可以得到如下結論:(1)側體型線方尾不宜過深,應選用過渡平緩的型線;(2)主、側體間興波干擾影響阻力的規(guī)律較為復雜;從全航速范圍看