三體船側(cè)體布局對阻力性能的影響

三體船側(cè)體布局對阻力性能的影響

與一般公務(wù)船相比，三體船具有寬裝甲、速度快、抗波性好、穩(wěn)定性好、抗沉降性好、生存能力強(qiáng)、換水區(qū)大等優(yōu)點(diǎn)。作為一種新型非常規(guī)型船舶,三體船是在軍用、民用市場均有廣闊應(yīng)用前景。三體船主體的L/B大約在12～18之間,側(cè)體排水量則不超過主體排水量的10%。側(cè)體布置對阻力性能影響的試驗研究是國內(nèi)外對三體船性能研究的一個重點(diǎn)。三體船型的最大優(yōu)勢體現(xiàn)在高速性上,因此目前投入使用的三體船,其Fr多超過0.6。例如,由澳大利亞Austal造船廠建造的BenchijiguaExpress客/貨滾裝三體渡船,其Fr數(shù)達(dá)0.62;美國海軍瀕海戰(zhàn)斗艦(LCS-2)“獨(dú)立”號,海試中全速航行時Fr達(dá)0.70。因此,對處于半滑行狀態(tài)的,特別是Fr=0.6～1.0的三體船型的阻力研究具有重要意義。為了進(jìn)一步研究側(cè)體布局對三體船阻力性能的影響,探究前三體船船型在Fr=0.6～1.0的半滑行狀態(tài)的阻力性能優(yōu)劣,本文選擇兩艘線型互不相同,且均與文獻(xiàn)試驗船模線型不同的高速三體船模型,制定不同的側(cè)體位置方案,進(jìn)行靜水阻力試驗研究。1船舶試驗1.1側(cè)體回采模型b設(shè)計兩艘三體船模型,分別簡稱為模型A、B,主要船型參數(shù)見表1。模型A、B均為方艉、圓舭型,左右側(cè)體相對主體的中縱剖面對稱布置。模型A側(cè)體排水量占主體排水量的6.2%,為對稱線型。而模型B仿照美國海軍瀕海戰(zhàn)斗艦“獨(dú)立”號設(shè)計,其側(cè)體吃水非常小,為非對稱線型。其橫剖面形狀示意見圖1。1.2模型位置選擇試驗的主要目的是探究三體船的阻力特征,尤其是側(cè)體位置對阻力性能的影響,而主體與側(cè)體之間的相互位置關(guān)系有多種。選取直角坐標(biāo)系見圖2。坐標(biāo)原點(diǎn)O為主體中縱剖面、中橫剖面與設(shè)計水線面的交點(diǎn),X軸沿船長方向并且指向船艏為正,Y軸沿船寬方向并且指向左舷為正。側(cè)體中心線與主體中心線間的橫向距離用b表示,b始終為正值;側(cè)體船舯與主體船舯的縱向距離用a表示,當(dāng)側(cè)體船舯在主體船舯之前時,a為正值,當(dāng)側(cè)體船舯在主體船舯之后時,a為負(fù)值。對于模型A,選擇3個側(cè)體橫向位置和3個側(cè)體縱向位置。對于船模B,保持橫向位置不變,選擇兩個縱向位置。具體方案見表2。三體船靜水阻力模型試驗在大連理工大學(xué)船模拖曳水池中進(jìn)行,該水池長160m,寬7m,水深3.7m。試驗時水溫為15℃。2試驗結(jié)果及分析2.1體船整體的摩擦阻力試驗得到三體船模型以不同速度在靜水中航行所受總阻力Rt。將總阻力Rt劃分為摩擦阻力Rf和剩余阻力Rr兩部分。由于三體船主體和側(cè)體設(shè)計水線長度相差較大,因此雷諾數(shù)相差較大,所以在計算時應(yīng)分別計算主體和側(cè)體的雷諾數(shù)及摩擦阻力系數(shù),進(jìn)而計算整體的摩擦阻力系數(shù)和總摩擦阻力。三體船的濕表面積S為S=Scnt+2Sout(1)式中:Scnt——主體濕表面積;Sout——單個側(cè)體濕表面積。雷諾數(shù)Re分別按式(2)、(3)計算。Recnt=VLwcntv(2)Recnt=VLwcntv(2)Reout=VLwoutv(3)Reout=VLwoutv(3)式中:V——船模航速,m/s;v——水的運(yùn)動粘性系數(shù),m2/s,取v=1.139×10-6m2/s;Recnt、LWcnt——主體的雷諾數(shù)和水線長度;Reout、LWout——單個側(cè)體雷諾數(shù)和水線長度。根據(jù)1957ITTC公式計算摩擦阻力系數(shù)Cfcnt=0.075(lgRecnt?2)2(4)Cfcnt=0.075(lgRecnt-2)2(4)Cfout=0.075(lgReout?2)2(5)Cfout=0.075(lgReout-2)2(5)于是,三體船整體的摩擦阻力系數(shù)為Cf=Cfcnt×Scnt+Cfout×2SoutScnt+2Sout(6)Cf=Cfcnt×Scnt+Cfout×2SoutScnt+2Sout(6)式中:Cfcnt——主體的摩擦阻力系數(shù);Cfout——單個側(cè)體摩擦阻力系數(shù)。那么,摩擦阻力Rf即為Rf=12ρV2S?Cf(7)Rf=12ρV2S?Cf(7)式中:ρ——水的密度,kg/m3,取ρ=999kg/m3。剩余阻力Rr為Rr=Rt-Rf(8)便可得到剩余阻力系數(shù)CrCr=Rr12ρV2S(9)Cr=Rr12ρV2S(9)2.2試驗結(jié)果及分析由于各構(gòu)型的摩擦阻力均相等,所以依靠剩余阻力的大小來判斷三體船總阻力性能。經(jīng)過換算得到各型三體船剩余阻力系數(shù)隨Fr變化。2.2.1橫向位置對阻力性能的影響為便于分析,將各型剩余阻力系數(shù)曲線分組,分別討論側(cè)體橫向位置、縱向位置對剩余阻力的影響。圖3分別給出了:側(cè)體縱向位于a=750mm(舯前)、a=0mm(船舯)、a=-1300mm(舯后)時,側(cè)體與主體之間橫向距離變化,對剩余阻力系數(shù)的影響。對圖3進(jìn)行如下分析。1)總體趨勢上來說,在側(cè)體縱向位置相同的前提下,側(cè)體與主體之間橫向距離較大的構(gòu)型剩余阻力更小,尤其是在高速段更是如此。2)由圖3c)可見,a=-1300mm(舯后)時,各構(gòu)型的剩余阻力受橫向位置影響起伏波動較大,在Fr>0.6區(qū)間,側(cè)體與主體之間橫向距離居中的構(gòu)型的剩余阻力反而更高,這是因為,在高速段主體興波對側(cè)體直接作用引起噴濺、附加興波噴濺現(xiàn)象,橫向距離居中時側(cè)體受主體興波的影響更大,噴濺現(xiàn)象更嚴(yán)重。對比發(fā)現(xiàn)試驗中觀察到的噴濺現(xiàn)象與上述結(jié)論相符,見圖4。圖5分別給出了側(cè)體橫向位于b=550mm(窄)、b=690mm(中)、b=830mm(寬)時,側(cè)體縱向位置變化,對剩余阻力系數(shù)的影響。對圖5進(jìn)行如下分析。1)在高弗勞德數(shù)區(qū)域,側(cè)體相對于主體的縱向位置越靠前,阻力性能越好。原因是側(cè)體位于主體舯后時,噴濺現(xiàn)象嚴(yán)重,導(dǎo)致剩余阻力增加嚴(yán)重,這一現(xiàn)象在試驗過程中也能清楚地看到,見圖4。驗證了前三體船型在高速段阻力性能更好這一結(jié)論。2)橫向位置越遠(yuǎn)離主體,側(cè)體縱向位于a=750mm(舯前)的構(gòu)型其阻力性能優(yōu)于另外兩種構(gòu)型的弗勞德數(shù)區(qū)域越大。即b=550mm(窄)時,在Fr>0.67區(qū)域,側(cè)體位于a=750mm(舯前)的阻力性能最優(yōu),見圖5a);b=690mm(中)時,這個區(qū)域擴(kuò)大到Fr>0.57,見圖5b);b=830mm(寬)時,這個區(qū)域則進(jìn)一步擴(kuò)大到Fr>0.52,見圖5c)。因此,對于側(cè)體a=750mm(舯前)的構(gòu)型,側(cè)體與主體的橫向距離越大其阻力性能越好。3)在Fr<0.51區(qū)間,側(cè)體縱向位于a=-1300mm(舯后)的構(gòu)型的阻力性能明顯優(yōu)于側(cè)體位于a=0mm(船舯)和a=750mm(舯前)。側(cè)體與主體之間橫向距離越小,縱向位于a=-1300mm(舯后)的構(gòu)型優(yōu)于另外兩種構(gòu)型的弗勞德數(shù)區(qū)域越大。2.2.2體船模型b的剩余阻力為了進(jìn)一步驗證前面的觀點(diǎn),以美國海軍瀕海戰(zhàn)斗艦(LCS-2)“獨(dú)立”號為母型設(shè)計三體船模型B,進(jìn)行阻力試驗來對比側(cè)體縱向位置對三體船阻力性能的影響。模型B特點(diǎn)是吃水非常小,與模型A在線型和吃水上明顯不同。為了節(jié)省試驗費(fèi)用,只選取兩種方案進(jìn)行試驗,即側(cè)體橫向位置b=450mm相同,縱向位于a=-1070mm(舯后)和a=430mm(舯前)。三體船模型B的剩余阻力系數(shù)隨Fr變化曲線見圖6。其Fr變化范圍為0.39～1.05。由圖6可見,在0.39<Fr<1.05區(qū)間,兩種構(gòu)型的三體船模型的剩余阻力出現(xiàn)很大差別,說明半滑行段側(cè)體縱向位置對阻力產(chǎn)生較大影響。在0.39<Fr<0.61區(qū)間,側(cè)體縱向位于a=-1070mm(舯后)比位于a=430mm(舯前)的三體船構(gòu)型的剩余阻力更小;在0.61<Fr<1.05區(qū)間,側(cè)體縱向位于a=430mm(舯前)比位于a=-1070mm(舯后)的三體船構(gòu)型的剩余阻力更小,且差距隨著弗勞德數(shù)增大而越發(fā)明顯。因此,當(dāng)Fr>0.61時,選擇側(cè)體位于主體舯前的構(gòu)型能夠獲得更好的阻力性能,進(jìn)一步驗證了“前三體船”概念。3體船的阻力特性1)縱向位置相同時,側(cè)體距主體橫向距離較大的三體船構(gòu)型剩余阻力更小,除了側(cè)體縱向位于主體舯后且Fr>0.6時,側(cè)體距主體橫向距離居中的三體船構(gòu)型,由于噴濺現(xiàn)象更嚴(yán)重等復(fù)雜因素,其剩余阻力更大。2)側(cè)體