排水式圓導(dǎo)彈護(hù)衛(wèi)艇減縱向運動組合附體的試驗研究

排水式圓導(dǎo)彈護(hù)衛(wèi)艇減縱向運動組合附體的試驗研究

1減縱搖組合復(fù)合布迄今為止，對船縱向運動的改進(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。從已有的研究來看,多采用被動或主動式鰭,并直接將鰭裝于船艏底兩側(cè)或船的1/2設(shè)計吃水線處。當(dāng)船舶在波浪中航行時,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,易引起船體的振動及鰭結(jié)構(gòu)強度無法保證。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動方案,并且進(jìn)行了大量的船模及實船試驗,結(jié)果表明半潛體在船的運動響應(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?、規(guī)則波試驗和不規(guī)則波試驗結(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動,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。理論計算和試驗結(jié)果表明,該減縱搖組合附體結(jié)構(gòu)合理,強度滿足工程要求,不會誘發(fā)船體振動,阻力性能良好,減搖效果顯著,可應(yīng)用于工程實際。2內(nèi)容和實驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了2次加裝減搖組合附體的模型試驗,第一次在哈爾濱工程大學(xué)船模拖曳水池中進(jìn)行,第二次在中國船舶科學(xué)研究中心01水池完成。2.1組合單體方案對無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、規(guī)則波試驗。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,目的是驗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)為這一值對耐波性試驗結(jié)果基本沒有影響。模型的初始浮態(tài)與原艇一致。3.1半潛體三方案單獨添加式試驗試驗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,其中有A+E,C+D,B+E,B+D,另外還對半潛體三方案單獨加裝后作了快速性試驗。試驗結(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,阻力最大增加低于5%。從加半潛體B+鰭E且鰭E向后移動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誤差范圍內(nèi),在設(shè)計Fn0.57附近,阻力比基本艇模降低約1%。3.1.2試驗結(jié)果分析從耐波性預(yù)報的方案中選取阻力性能良好的方案進(jìn)行了2個速度的頂浪規(guī)則波試驗,以觀察航速對組合附體減搖效率的影響。同時觀察了較大排水體積附體的減搖效果。按試驗規(guī)程要求,試驗波幅ζa為25mm。試驗結(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)計水線長,λ為波長。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,高速時在響應(yīng)曲線峰值處可使縱搖運動幅值降低30%左右,垂蕩運動幅值降低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結(jié)果,對于不同船型此頻帶范圍會有變化。3.1.3組合單體的衰減試驗為觀察組合附體對船橫搖運動的影響,進(jìn)行了自由橫搖衰減試驗。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,對減橫搖運動也有一定貢獻(xiàn)。3.2試驗1:b+e方案為觀察組合附體在較大尺度模型上的效果,試驗選用B+E方案,加大主尺度作為方案F+H,同時另外又適當(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,試驗中模型排水量不變,增加了附體的質(zhì)量,對于方案F+H僅在常規(guī)速度范圍內(nèi)測量阻力,以驗證前次試驗結(jié)果。從圖5可知,加裝附體后阻力略有增加,在對應(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裝減搖組合裝置對應(yīng)2個Fn,測量了模型加裝不同方案組合附體后的運動響應(yīng)。試驗波高為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,運動響應(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,垂蕩運動幅度波長為一倍船長附近可降低30%,長波時略有增加,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,減搖組合體在響應(yīng)曲線峰值處的效率差不多,但高速時有效的頻帶范圍比低速時更寬。3.2.3減搖組合裝置的試驗結(jié)果不規(guī)則波試驗Fn=0.38、0.51、0.57。基本艇體在Fn=0.38時僅進(jìn)行了4個航次,航向角為0°,到達(dá)Fn=0.51時,因運動幅度太大,試驗設(shè)備無法承受被迫中斷,而加裝減搖組合附體后,Fn越高,運動越平穩(wěn),上浪概率明顯減小。試驗波譜采用ITTC標(biāo)準(zhǔn)單參數(shù)譜,表7中給出了不規(guī)則波試驗數(shù)據(jù)的譜分析結(jié)果和上浪概率(對應(yīng)實船,均為有義單幅值)。方案G+H還在Fn=0.57時試驗了4個航次,模型運動更加平穩(wěn),在108s時間內(nèi)上浪2次,而基本船體在Fn=0.51時不能夠正常試驗,這說明減搖組合附體的效果顯著。試驗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)在中國船舶科學(xué)研究中心模型規(guī)則波試驗結(jié)果,計算船的頻率響應(yīng)函數(shù),采用ITTC單參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)譜計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動有了很大改善,尤其是縱搖角和艏部垂向加速度。在較高傅汝德數(shù)時艏部加速度可降低25～30%左右,縱搖角降低18～25%。而垂蕩運動改善有限,高速時效果比低速時好一些,同時其效果與浪級也有一定關(guān)系。4組合裝置的減搖效果試驗結(jié)果表明,加裝減縱搖組合附體后,船舶縱向運動得到顯著改善。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,高航速時效果較好。在不規(guī)則波試驗中,加裝組合附體后模型在Fn=0.57時運動更加平穩(wěn),而基本船體在Fn=