排水式圓導(dǎo)彈護(hù)衛(wèi)艇減縱向運(yùn)動(dòng)組合附體的試驗(yàn)研究

排水式圓導(dǎo)彈護(hù)衛(wèi)艇減縱向運(yùn)動(dòng)組合附體的試驗(yàn)研究

1減縱搖組合復(fù)合布迄今為止，對(duì)船縱向運(yùn)動(dòng)的改進(jìn)研究還沒有得到改善。主要原因是垂直穩(wěn)定矩陣比水平穩(wěn)定矩陣大。從已有的研究來(lái)看,多采用被動(dòng)或主動(dòng)式鰭,并直接將鰭裝于船艏底兩側(cè)或船的1/2設(shè)計(jì)吃水線處。當(dāng)船舶在波浪中航行時(shí),鰭要承受巨大的縱向力矩,并且鰭的沉深不大,很容易出水,造成鰭上載荷驟變,易引起船體的振動(dòng)及鰭結(jié)構(gòu)強(qiáng)度無(wú)法保證。80年代中期,日本提出一種在船底艏部加裝半潛體的減縱搖運(yùn)動(dòng)方案,并且進(jìn)行了大量的船模及實(shí)船試驗(yàn),結(jié)果表明半潛體在船的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)峰值附近可以有效地降低其縱搖和艏部垂向加速度,不過由于所采用的半潛體排水體積占全船的10%,甚至更大,使阻力增加,有效頻帶范圍較窄,在較長(zhǎng)波區(qū)以及較短波區(qū)其效果變差。本文提出減縱搖組合附體的概念,采用倒三角翼型和橢圓剖面流線型半潛體?？焖傩栽囼?yàn)、規(guī)則波試驗(yàn)和不規(guī)則波試驗(yàn)結(jié)果表明,加裝該組合附體后不但可以顯著地抑制船舶的縱向運(yùn)動(dòng),而且靜水阻力與基本船體相比變化不大,如果調(diào)整好浮態(tài),阻力甚至比基本船體還要小。船舶的縱向穩(wěn)定力矩由艏鰭和半潛體共同承擔(dān),鰭安裝于半潛體上,沉深較大,不易引起鰭出水。理論計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果表明,該減縱搖組合附體結(jié)構(gòu)合理,強(qiáng)度滿足工程要求,不會(huì)誘發(fā)船體振動(dòng),阻力性能良好,減搖效果顯著,可應(yīng)用于工程實(shí)際。2內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了2次加裝減搖組合附體的模型試驗(yàn),第一次在哈爾濱工程大學(xué)船模拖曳水池中進(jìn)行,第二次在中國(guó)船舶科學(xué)研究中心01水池完成。2.1組合單體方案對(duì)無(wú)附體船模及加裝附體船模分別進(jìn)行了快速性及橫搖衰減試驗(yàn)、規(guī)則波試驗(yàn)。目的是尋求一種阻力性能和減搖效果均較好的組合附體方案。采用的附體方案及主尺度如下(模型縮尺比1:20)。各半潛體橫剖面為橢圓,縱剖面輪廓為NACA00形式,縱向位置為艏部延伸至艇首(見圖2)。2.2減搖組合裝置進(jìn)行了基本船模和加裝附體后的快速性及規(guī)則波、不規(guī)則波試驗(yàn),目的是驗(yàn)證減搖組合附體在較大尺度模型上減搖效率和阻力性能,采用的附體方案及主尺度如下(模型縮尺比1:10)。半潛體形狀與安裝位置同上節(jié)。3加生物基質(zhì)壓的影響試驗(yàn)均是在保證加附體艇模型排水量與基本艇模相等的前提下進(jìn)行,加附體的艇模質(zhì)量比基本艇模增加了附體的質(zhì)量。附體的質(zhì)量占基本艇質(zhì)量的1.08%,可認(rèn)為這一值對(duì)耐波性試驗(yàn)結(jié)果基本沒有影響。模型的初始浮態(tài)與原艇一致。3.1半潛體三方案單獨(dú)添加式試驗(yàn)試驗(yàn)前估算各減搖組合附體方案的減搖效果,選出較佳方案做快速性試驗(yàn),其中有A+E,C+D,B+E,B+D,另外還對(duì)半潛體三方案單獨(dú)加裝后作了快速性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,半潛體、鰭與艇體三者之間存在一有利干擾的布局。從圖3可以看出,加半潛體B+鰭E,且鰭E向后移動(dòng)17mm的布局阻力性能較好。3.1.1減搖組合成功率圖3給出了試驗(yàn)所選方案的靜水阻力結(jié)果以及相應(yīng)的浮態(tài)變化情況。圖中θ為縱傾角,R為阻力,Z為垂蕩。由圖可知,減搖組合附體使得模型阻力略有增大,在較高Fn時(shí),阻力最大增加低于5%。從加半潛體B+鰭E且鰭E向后移動(dòng)17mm的布局的效果可看出,若調(diào)整好鰭、半潛體與艇體的布局,則模型加裝附體引起的阻力變化值在試驗(yàn)誤差范圍內(nèi),在設(shè)計(jì)Fn0.57附近,阻力比基本艇模降低約1%。3.1.2試驗(yàn)結(jié)果分析從耐波性預(yù)報(bào)的方案中選取阻力性能良好的方案進(jìn)行了2個(gè)速度的頂浪規(guī)則波試驗(yàn),以觀察航速對(duì)組合附體減搖效率的影響。同時(shí)觀察了較大排水體積附體的減搖效果。按試驗(yàn)規(guī)程要求,試驗(yàn)波幅ζa為25mm。試驗(yàn)結(jié)果見圖4。圖中k為波數(shù),g為重力加速度,af、ar分別為艏、艉加速度,L為設(shè)計(jì)水線長(zhǎng),λ為波長(zhǎng)。從圖可見,B+D和B+E的方案效果較好?？紤]到阻力性能、避碰、減搖指標(biāo),決定選用B+E方案。該方案與基本船體相比,高速時(shí)在響應(yīng)曲線峰值處可使縱搖運(yùn)動(dòng)幅值降低30%左右,垂蕩運(yùn)動(dòng)幅值降低20%左右,艏部加速度降低50%左右,艉部加速度降低25%左右。另外半潛體效果也不是排水體積越大越好,還與剖面寬度比有關(guān),主要抑制艏部垂向加速度,縱搖減搖效率僅局限于0.5L<λ<1.6L范圍內(nèi),根據(jù)前期某一穿浪艇的試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)于不同船型此頻帶范圍會(huì)有變化。3.1.3組合單體的衰減試驗(yàn)為觀察組合附體對(duì)船橫搖運(yùn)動(dòng)的影響,進(jìn)行了自由橫搖衰減試驗(yàn)。加裝組合附體后艇的橫搖阻尼比基本艇增加了33%,橫搖周期增加約7.6%。因此加裝組合附體增大了船的橫搖阻尼,對(duì)減橫搖運(yùn)動(dòng)也有一定貢獻(xiàn)。3.2試驗(yàn)1:b+e方案為觀察組合附體在較大尺度模型上的效果,試驗(yàn)選用B+E方案,加大主尺度作為方案F+H,同時(shí)另外又適當(dāng)加大半潛體剖面寬厚比作為G+H方案。3.2.1表面活性劑復(fù)配圖5是各方案的模型靜水阻力曲線,試驗(yàn)中模型排水量不變,增加了附體的質(zhì)量,對(duì)于方案F+H僅在常規(guī)速度范圍內(nèi)測(cè)量阻力,以驗(yàn)證前次試驗(yàn)結(jié)果。從圖5可知,加裝附體后阻力略有增加,在對(duì)應(yīng)Fn0.38～0.57的速度范圍內(nèi),模型阻力平均約增加1.2%左右。3.2.2裝減搖組合裝置對(duì)應(yīng)2個(gè)Fn,測(cè)量了模型加裝不同方案組合附體后的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。試驗(yàn)波高為120mm,航向角0°。其結(jié)果見圖6。由圖6可知:加裝減搖組合附體后,在較高Fn時(shí),運(yùn)動(dòng)響應(yīng)曲線峰值附近垂蕩降低27%,縱搖降低30%,艏部加速度降低38%,艉部加速度降低20%。在較低Fn時(shí),垂蕩運(yùn)動(dòng)幅度波長(zhǎng)為一倍船長(zhǎng)附近可降低30%,長(zhǎng)波時(shí)略有增加,縱搖幅值降低30%,艏部加速度降低35%,艉部加速降低15%。由此可知,在高速與低速時(shí),減搖組合體在響應(yīng)曲線峰值處的效率差不多,但高速時(shí)有效的頻帶范圍比低速時(shí)更寬。3.2.3減搖組合裝置的試驗(yàn)結(jié)果不規(guī)則波試驗(yàn)Fn=0.38、0.51、0.57?；就w在Fn=0.38時(shí)僅進(jìn)行了4個(gè)航次,航向角為0°,到達(dá)Fn=0.51時(shí),因運(yùn)動(dòng)幅度太大,試驗(yàn)設(shè)備無(wú)法承受被迫中斷,而加裝減搖組合附體后,Fn越高,運(yùn)動(dòng)越平穩(wěn),上浪概率明顯減小。試驗(yàn)波譜采用ITTC標(biāo)準(zhǔn)單參數(shù)譜,表7中給出了不規(guī)則波試驗(yàn)數(shù)據(jù)的譜分析結(jié)果和上浪概率(對(duì)應(yīng)實(shí)船,均為有義單幅值)。方案G+H還在Fn=0.57時(shí)試驗(yàn)了4個(gè)航次,模型運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn),在108s時(shí)間內(nèi)上浪2次,而基本船體在Fn=0.51時(shí)不能夠正常試驗(yàn),這說(shuō)明減搖組合附體的效果顯著。試驗(yàn)中基本船模近艏底部砰擊較嚴(yán)重,而加裝半潛體的船模其半潛體基本沒有出水現(xiàn)象。3.2.4加搖組合病蟲害的影響根據(jù)在中國(guó)船舶科學(xué)研究中心模型規(guī)則波試驗(yàn)結(jié)果,計(jì)算船的頻率響應(yīng)函數(shù),采用ITTC單參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)譜計(jì)算了有義波高分別為H1/3=2.0m、H1/3=3.0m、H1/3=4.0m,傅汝德數(shù)分別為Fn=0.38、Fn=0.57情況下的單幅有義值,見表8、表9,表中am為船舯加速度。由上可知,加裝減搖組合附體后船的運(yùn)動(dòng)有了很大改善,尤其是縱搖角和艏部垂向加速度。在較高傅汝德數(shù)時(shí)艏部加速度可降低25～30%左右,縱搖角降低18～25%。而垂蕩運(yùn)動(dòng)改善有限,高速時(shí)效果比低速時(shí)好一些,同時(shí)其效果與浪級(jí)也有一定關(guān)系。4組合裝置的減搖效果試驗(yàn)結(jié)果表明,加裝減縱搖組合附體后,船舶縱向運(yùn)動(dòng)得到顯著改善。本文采用的組合附體排水體積僅占全船的2%左右,阻力變化不大。而縱搖幅度在規(guī)則波中響應(yīng)曲線峰值處可降低30%、在不規(guī)則波中可降低20%左右,艏部加速度在規(guī)則波中可降低35%以上、不規(guī)則波中降低25%以上,高航速時(shí)效果較好。在不規(guī)則波試驗(yàn)中,加裝組合附體后模型在Fn=0.57時(shí)運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn),而基本船體在Fn=