常規(guī)雙槳船與雙尾船的三因次演換法計(jì)算形狀因子的試驗(yàn)研究

常規(guī)雙槳船與雙尾船的三因次演換法計(jì)算形狀因子的試驗(yàn)研究

1雙槳船性能試驗(yàn)方法隨著船舶大規(guī)模設(shè)計(jì)和方形系數(shù)的改善，總阻力中的粘度壓力阻力的比例增加。涂層的阻力主要取決于雷諾數(shù)。在緊致反射阻力的情況下，應(yīng)遵循剩余阻力的轉(zhuǎn)換法（縮自比的三個(gè)方），并根據(jù)有效功率轉(zhuǎn)換值的結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)換。hughes提出的三因次濾波方法將涂層阻力從剩余阻力中分離出來，并將摩擦阻力歸為粘土阻力，這將隨著雷達(dá)指數(shù)的變化而變化。因此，在分析和比較了不同船型的實(shí)際船型通訊性能后，第15條國(guó)際拖地?cái)U(kuò)散池會(huì)議性能委員會(huì)提議使用三因次濾波法來預(yù)測(cè)單船的性能。中國(guó)船舶工業(yè)總公司頒布了指導(dǎo)性技術(shù)文件“一般排水量船模雙槳自航試驗(yàn)方法”(CB-Z239-87),文中建議將第15屆國(guó)際拖曳水池會(huì)議推薦的方法擴(kuò)展到雙槳船,以使該方法作為通用方法,逐步積累資料.其他換算方法仍應(yīng)保留,繼續(xù)積累資料,通過不斷實(shí)踐逐步確定一種最好的換算方法.鑒于目前國(guó)內(nèi)外對(duì)雙槳船絕大部分仍采用二因次換法的現(xiàn)狀,作者對(duì)三條典型的雙槳船采用三因次換算法和二因次換算法進(jìn)行了比較,在三因次換算法中分別采用裸船體和全附體兩種狀態(tài)阻力試驗(yàn)的形狀因子k來換算全附體情況的實(shí)船有效功率.形狀因子k的計(jì)算則在丹麥C.W.Prohaska提出興波阻力系數(shù)與傅氏數(shù)成四次方關(guān)系的基礎(chǔ)上,改進(jìn)為傅氏數(shù)的m次方(m為浮動(dòng)因子),計(jì)算中用步長(zhǎng)半分法和最小二乘法取試驗(yàn)點(diǎn)與回歸直線達(dá)最小均方差的m值,以保證形狀因子k的唯一性.期望通過這一研究,為三因次換算法推廣到雙槳船作一努力.2全是否有效功率算定A船的滿載水線長(zhǎng)LWL=200m,方形系數(shù)CB=0.571.其附體有:軸包套、單臂型前艉軸架、人字型后艉軸架、槳軸、舵和舭龍骨各一對(duì)、減搖鰭兩對(duì)、艏側(cè)推孔一個(gè).根據(jù)該船的長(zhǎng)度和中國(guó)船舶及海洋工程研究設(shè)計(jì)院拖曳水池的經(jīng)驗(yàn),取二因次換算法即傅汝德方法的船?！獙?shí)船相關(guān)補(bǔ)貼系數(shù)?CF=0.1×10-3.由裸船體(無附體)阻力試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的形狀因子k=0.0728,由全附體阻力試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的形狀因子k=0.2377.表1為裸船體阻力試驗(yàn)狀態(tài)下,三因次換算法與二因次換算法在設(shè)計(jì)速度附近的計(jì)算結(jié)果比較;表2和表3分別采用上述兩種形狀因子k,通過三因次換算法計(jì)算出全附體實(shí)船有效功率PE,并與二因次換算法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較.表中C為三因次法PE比二因次法PE增加的百分?jǐn)?shù),“+”值表示增加,“-”值表示降低.表2和表3表明:采用三因次換算法計(jì)算全附體實(shí)船的有效功率時(shí),若形狀因子k取自裸船體阻力試驗(yàn)計(jì)算值,則有效功率換算結(jié)果較為合理,與傳統(tǒng)的二因次法換算結(jié)果較為接近;若形狀因子k取自全附體阻力試驗(yàn)計(jì)算值,則有效功率換算結(jié)果比二因次法換算結(jié)果低9%～10%,換算結(jié)果不合理.其原因是當(dāng)k取自裸船體阻力試驗(yàn)計(jì)算值k=0.0728時(shí),粘壓阻力系數(shù)按裸船體情況計(jì)算kCFS,附體產(chǎn)生的粘壓阻力按濕表面積的大小計(jì)入,絕大部分附體阻力(包括渦流及流動(dòng)分離)歸并在興波阻力中,以致?lián)Q算結(jié)果中興波阻力系數(shù)比表1的裸船體狀況大得多,并與二因次換算法一樣將剩余阻力(三因次換算法為興波阻力)按縮尺比的三次方換算至實(shí)船:式中,RWS—實(shí)船興波阻力;CWS—實(shí)船興波阻力系數(shù);ρS—海水密度;vS—實(shí)船航速;SS—實(shí)船濕表面積;CWM—船模興波阻力系數(shù);vM—船模速度;SM—船模濕表面積;λ—實(shí)船與船模的幾何縮尺比.換算中因裸船體的k=0.0728較小,即粘壓阻力系數(shù)kCFS較小,三因次法換算結(jié)果與傳統(tǒng)的二因次法換算結(jié)果比較相近,且表2中兩者計(jì)算差異與表1裸船體情況的差異較為接近.當(dāng)k取自全附體阻力試驗(yàn)計(jì)算值k=0.2377時(shí),換算結(jié)果中興波阻力系數(shù)與表1的裸船體狀況相近,即附體產(chǎn)生的阻力主要?dú)w并至粘壓阻力項(xiàng),其大小取決于雷諾數(shù),因?qū)嵈字Z數(shù)RnS遠(yuǎn)大于船模雷諾數(shù)RnM,致使實(shí)船的粘性阻力系數(shù)小于船模值:亦即粘壓阻力是按縮尺比小于三次方的比例換算至實(shí)船:式中,RPυS—實(shí)船粘壓阻力;CFS—實(shí)船摩擦阻力系數(shù);CFM—船模摩擦阻力系數(shù).大多數(shù)雙槳船的附體有效功率增量占裸船體有效功率的百分比較高,如研究的A船即達(dá)到35%以上,全附體的k=0.2377較大,換算結(jié)果中興波阻力系數(shù)又比表2的k=0.0728情況降低很多,這意味著在換算中有較大部分阻力從興波阻力項(xiàng)轉(zhuǎn)移至粘壓阻力項(xiàng),即按縮尺比的三次方換算至實(shí)船的興波阻力項(xiàng)大幅減小,而按縮尺比小于三次方的比例換算至實(shí)船的粘壓阻力項(xiàng)大幅增加,造成了有效功率PE換算結(jié)果偏小.實(shí)際上,當(dāng)k取自全附體阻力試驗(yàn)計(jì)算值k=0.2377時(shí),其有效功率PE換算結(jié)果與二因次換算法取?CF=-0.16×10-3的換算結(jié)果相當(dāng),此時(shí)粗糙度補(bǔ)貼系數(shù)?CF已為負(fù)值,故其換算結(jié)果明顯偏低很多.3全部分船舶阻力試驗(yàn)結(jié)果B船設(shè)計(jì)吃水水線長(zhǎng)LWL=140m,方形系數(shù)CB=0.8662.其附體有:導(dǎo)流踵一個(gè)、導(dǎo)流鰭、人字型艉軸架、槳軸、舵各一對(duì),附體的有效功率增量約占裸船體有效功率的40%.根據(jù)該船的長(zhǎng)度和中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院拖曳水池的經(jīng)驗(yàn),取二因次換算法即傅汝德方法的船模—實(shí)船相關(guān)補(bǔ)貼系數(shù)?CF=0.由裸船體(無附體)阻力試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的形狀因子k=0.1936,由全附體阻力試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的形狀因子k=0.4402.表4為裸船體阻力試驗(yàn)狀態(tài)下,三因次換算法與二因次換算法在設(shè)計(jì)速度附近的計(jì)算結(jié)果比較;表5和表6分別采用上述兩種形狀因子k,通過三因次換算法計(jì)算出全附體實(shí)船有效功率PE,并與二因次換算法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較.表5和表6表明:采用三因次換算法計(jì)算全附體實(shí)船的有效功率時(shí),若k取自裸船體阻力試驗(yàn)計(jì)算值,則有效功率換算結(jié)果較為合理,與傳統(tǒng)的二因次法換算結(jié)果較為接近;若k取自全附體阻力試驗(yàn)計(jì)算值,則有效功率換算結(jié)果比二因次法換算結(jié)果低9%～15%,換算結(jié)果不合理.其原因與A船類似,在此不再贅述.實(shí)際上,當(dāng)k取自全附體阻力試驗(yàn)計(jì)算值k=0.4402時(shí),其有效功率PE換算結(jié)果與二因次換算法取?CF=-0.5×10-3的換算結(jié)果相當(dāng),此時(shí)粗糙度補(bǔ)貼系數(shù)?CF已為負(fù)值,故其換算結(jié)果是明顯偏低很多的.此外,可以看出,由于大方形系數(shù)B船粘壓阻力在總阻力中所占比例遠(yuǎn)大于小方形系數(shù)A船,不管是裸船體還是全附體阻力試驗(yàn),計(jì)算出的k均比A船大得多.若類似于上述A船和B船的常規(guī)雙槳船的附體阻力增量較小,則三因次法采用兩種k值的換算結(jié)果差異可減小,但因常規(guī)雙槳船的附體阻力都很大,故此差異還是明顯的.4種主船方法增加了一個(gè)裸船的有效功率C船為球首雙尾鰭船型,設(shè)計(jì)吃水的水線長(zhǎng)LWL=140m,方形系數(shù)CB=0.8633,其附體有舵一對(duì).根據(jù)該船的長(zhǎng)度和中國(guó)船舶及海洋工程研究設(shè)計(jì)院拖曳水池的經(jīng)驗(yàn),取二因次換算法即傅汝德方法的船?！獙?shí)船相關(guān)補(bǔ)貼系數(shù)?CF=0.由全附體阻力試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的形狀因子k=0.3653.表7為全附體阻力試驗(yàn)狀態(tài)下,三因次換算法與二因次換算法在設(shè)計(jì)速度附近的計(jì)算結(jié)果比較.表7表明:采用三因次換算法計(jì)算全附體實(shí)船的有效功率比二因次法換算結(jié)果低6%～12%,換算結(jié)果不合理.實(shí)際上,當(dāng)k取自全附體阻力試驗(yàn)計(jì)算值k=0.3653時(shí),其有效功率PE換算結(jié)果與二因次換算法取?CF=-0.32×10-3的換算結(jié)果相當(dāng),此時(shí)粗糙度補(bǔ)貼系數(shù)?CF已為負(fù)值,故其換算結(jié)果是明顯偏低很多的.可以將兩個(gè)尾鰭看成是兩個(gè)很大的軸包套(即兩個(gè)很大的附體),其方向平行于縱舯剖面線,而船艉底部流線往船舯有一定的內(nèi)傾,尾鰭的方向與船底流線縱向不一致,兩尾鰭間形成一定的橫向流動(dòng),引起了很大的附體阻力.對(duì)于雙尾鰭C船,雖然其附體僅有舵一對(duì),但計(jì)算得出的k卻與A船和B船取自全附體阻力試驗(yàn)得出的k較大的情況相似.如果我們假想將這兩個(gè)很大的附體(雙尾鰭)削去后得到一個(gè)裸船體,并用這個(gè)裸船體進(jìn)行阻力試驗(yàn),計(jì)算出一個(gè)相應(yīng)的k(相當(dāng)于A船和B船取自裸船體阻力試驗(yàn)得出的k較小的情況),利用這樣一個(gè)k值來計(jì)算全附體(雙尾鰭+雙舵)實(shí)船的有效功率,得出的結(jié)果可能和二因次法的換算結(jié)果比較接近.但在船模加工和模型試驗(yàn)中都是將雙尾鰭視為裸船體整體的一部分,因此不可能得出假想的裸船體k.如果雙尾鰭的型線設(shè)計(jì)較好,由它引起的阻力增量較小,計(jì)算得出的k與削去雙尾鰭得到的裸船體k較為接近,唯此情況下,三因次法的實(shí)船有效功率換算結(jié)果與二因次法的換算結(jié)果相近,此時(shí)三因次換算法才可采用,但在事先難以判斷.鑒于上述對(duì)大方形系數(shù)雙尾鰭C船的分析,可以設(shè)想小方形系數(shù)的雙尾鰭船采用三因次換算法也會(huì)出現(xiàn)相似的結(jié)果.5軸支架雙槳船變換結(jié)果常規(guī)雙槳船可采用三因次換算法,在計(jì)算全附體實(shí)船有效功率時(shí)形狀因子k必須取自裸船體阻力試驗(yàn)