B.H.型气泡滑行艇阻力模型试验研究

董文才，欧勇鹏，郭日修

（海军工程大学船舶与海洋工程系，武汉 430033）

B.H.型气泡滑行艇阻力模型试验研究

董文才，欧勇鹏，郭日修

（海军工程大学船舶与海洋工程系，武汉 430033）

通过艇底开槽的B.H.型气泡滑行艇（简称为B.H.艇）气层减阻的模型试验，初步研究了不同因素（气流量、艇速、开槽方式等）对B.H.艇的气层减阻规律及运动姿态的影响，并对艇底流态进行了较全面的观测。结果表明：当空腔在艇底的投影面积相同时，不同开槽方式对喷气减阻效果的影响不大；航速与气流量均是影响B.H.艇气层减阻效果的重要因素，在饱和气流量下B.H.艇的相对减阻率可达50%以上，绝对减阻率可达15%以上。开槽使得不喷气时的阻力增加较大，但空腔对保持气层的稳定性是相当有利的。

气泡滑行艇；艇底空腔；气穴；相对减阻率；绝对减阻率

1 引 言

众多研究表明[1-5]：气泡高速艇的减阻效果与高速艇底部和水之间能否形成均匀稳定的气层有密切的关系，而影响气泡高速艇艇底气层分布的因素很多，主要包括高速艇的艇型、艇速、艇底结构形式以及喷气方式、气流量等。为了推动高速艇气层减阻技术在我国的实际应用，同时从气层减阻技术本身的特点要求出发，作者在前期研究基础上以及国家教育部、科技部有关项目的支持下，开展了气层减阻技术适用船型研究，初步探讨了B.H.滑行艇艇底开槽方式、喷气参数变化对气层相对减阻率、绝对减阻率的影响规律，获得了一种对艇底气层保持较为有利的船型，其绝对减阻率可达10%～15%。

2 B.H.型气泡滑行艇艇型特征及模型参数

2.1 B.H.艇艇型特征概述

所谓B.H.型气泡滑行艇是指在普通滑行艇的底部，从船舯向后进行开槽，形成艇底空腔（Bottom hollow），舯前与普通滑行艇区别不大，舯后艇底线型因开槽而发生很大变化。当B.H.艇高速航行时向艇底喷气，艇底空腔对诱导产生气穴相当有利[6]，而且空腔的侧壁能够有效地防止气泡从舷侧溢出，从而能在艇底形成大而稳定的气穴，大大减少湿表面积，减少摩擦阻力。B.H.型气泡滑行艇（如图1所示）不同于气垫船和槽道滑行艇。气垫船的垫升高度一般较大，需要消耗大量的主机功率来维持所需的垫升高度，而B.H.艇能够以极小的功率消耗来获得明显的减阻效果；槽道滑行艇只有在高速滑行时才能在槽道顶部形成有利的空气润滑层，加之槽道首尾贯穿，不能较好地保持空气润滑层的稳定性[7]。

图1 俄罗斯设计的气泡高速艇艇底示意图Fig.1 The air cavity ship designed by Russia

2.2 试验艇型设计方法简介

气泡高速艇的研究及应用最为成功的是俄罗斯。前苏联克雷诺夫中央舰船研究院（KSRI）从上世纪60年代就开始致力于气层减阻技术船型研究，并取得了重大成果。由他们公布的相关资料可以看出，投入运营的气泡高速艇多采用断阶或艇底开槽的形式，如图1所示。其中，阴影部分之前的底部线型与常规滑行艇一致，阴影部分的底部线型因适应开槽需要而与常规滑行艇有较大区别。

俄罗斯学者Butuzov建议[8]，用于气层减阻技术的艇型应该满足以下两个设计要求：

（1）气穴形成后，至少要减少原艇型40%～50%的湿表面积；

（2）艇底几何形状要求能保证较低的气流量和产生足够大的压力降ΔPC。

式中，PC为气穴产生处压强，P0为来流压强。根据边界层理论可知：边界层分离点后的压力比分离点前流体加速段的压力低[9]。因此在艇底设置开槽或断阶以触发流动分离，并在分离区内喷气是获得足够大ΔPC的行之有效的措施之一。

结合上述两点设计要求，参考俄罗斯的设计经验，对试验模型进行了设计。本试验B.H.艇模型参数如下：模型重34.66kgf，总长1 910.9mm，型宽469.6mm，型深240mm，折角线长1 842.5mm，折角线最大宽度416mm，舯部艇底斜升角19.2°，艉部艇底斜升角18.4°，艉部折角线宽度与折角线最大宽度之比为0.953，重心纵向位置为舯后10%LP，图3给出了模型未开槽时的横剖面图。

本试验模型设计的开槽主要满足以下原则：

（1）获得足够大的开槽面积（40%以上的艇底湿表面积）；

（2）尽量不导致过大的断阶，防止不喷气时阻力增加过大；

（3）最大限度地减少对艇底线型的破坏。

因此，开槽的区域为从艇舯部稍前开始直至艇艉，开槽头部在艇底平面上的投影呈圆形，开槽宽度由前向后逐渐变宽，开槽尾部宽度为尾部折角线宽度的85.7%。开槽面积占折角线投影面积的43.1%，B.H.艇的示意图如图2。

试验过程中，采用了两种方式的开槽（如图4～5所示），其中方式1的槽深相对于基线不变，槽深由前向后逐渐减小；方式2的槽深相对于基线由前向后逐渐增加，槽深为等槽深，但两种开槽方式在艇底的投影相同，开槽底部均为平面，开槽方式1的首部断阶高度比开槽方式2大。应该注意的是本试验只是探讨开槽是否有利于气层减阻技术，对艇型优选及开槽参数的变化不做深入探讨，这部分将在后续的参数优化设计中进行研究。

3 试验结果及分析

试验时喷气位置位于艇底空腔的前部，采用2mm及大于2mm的喷孔，如图4、5所示。

对两种开槽方式进行了试验研究。测量了水温、气压、气流量、拖车速度、初始纵倾及纵倾变化、艏艉升沉变化、总阻力、折角线浸湿长度、龙骨浸湿长度、艇侧浸湿长度、艇侧浸湿高度等参数，并对艇底流态进行了观测。

3.1 开槽方式对阻力性能的影响

图6～9分别给出了两种开槽方式下、饱和气流量时，单位排水量阻力Rt/W、绝对减阻率η、纵倾角θ、重心升高Zgr随艇速的变化规律，图中FV为容积傅氏数。其中绝对减阻率的定义如下：

式中Rt为总阻力，V为航速，g为重力加速度，▽为排水体积。为了便于比较，在图6-9中，同时给出了模型未开槽、不喷气时的有关数据。

由图6～9可得出如下结论：开槽不喷气时阻力大幅度增加，各航速下开槽方式1的阻力大于开槽方式2的阻力；开槽不喷气的情况下，纵倾角随航速的变化规律发生很大变化，当FV＜2.34时，艉倾大幅增加；当FV＞2.34时，艉倾大幅减少。与不开槽时相比，开槽不喷气时的重心升高幅度及重心升高随航速的变化规律并未发生明显变化，但应注意的是开槽会引起艇体静浮态的大幅度变化（如：吃水增加、艉倾增大）；开槽喷气时，阻力急剧下降，当FV＞1.2时，开槽喷气（饱和气流量）状态下的阻力小于未开槽不喷气状态下的阻力，绝对减阻率可高达16.33%（见图7），而且开槽方式对喷气减阻效果的影响不大，这可能是由于两种开槽方式所形成的空腔在艇底的投影面积相同的缘故。但值得注意的是从开槽引起的阻力增加上看，开槽方式2优于开槽方式1。

3.2 气流量对阻力性能的影响

图10～11分别给出了模型在不同艇速下、开槽方式2时的单位排水量阻力、相对减阻率随无因次气流量系数的变化。图中ηR为相对减阻率，Cq为无因次气流量系数。

式中，SB.H.为艇底空腔的面积，Q为实测气流量。

由图10、图11可以看出，喷气引起阻力下降，阻力下降的幅度随无因次气流量系数的增大而增加，当气流量达到某一值时，阻力下降的幅度变得缓慢，相对减阻率几乎不再受气流量的影响，这表明已达到饱和气流量。由图11可知，在相同气流量下，航速越高，相对减阻率越大，饱和气流量下，FV=3.355时，相对减阻率可达65%以上。由表1可知，绝对减阻率也受航速与气流量的影响，相同气流量下，航速增加绝对减阻率增大；同一航速下，气流量增加绝对减阻率增大。在较低航速与较小气流量时，绝对减阻率为负值，说明阻力有所增加，这是因为开槽破坏了艇底线型；在较高航速与较大气流量时，绝对减阻率趋于饱和稳定值，最大绝对减阻率可达15%以上。

表1 气流量与航速对绝对减阻率的影响Tab.1 The effect of air flow rate and model speed on absolute resistance reduction ratio

3.3 艇底流态显示

为更深入地了解B.H.艇的气层减阻规律及减阻机理，对B.H.艇艇底流态进行了观测，研究了气流量与航速对空腔气穴形态的影响。

图12～14给出了同一航速（FV=2.796）下气流量变化对艇底流态的影响；图15～17给出了相同气流量（Q=3.75m3/h）时航速变化对艇底流态的影响。由图12～17可以看出航速和气流量对艇底流态的影响极大。

比较图12～14可知：在FV=2.796时，艇底喷气即能形成气穴，气穴的长度随气流量的增大而快速增加，直到饱和气流量，此时再继续增大气流量，气穴长度不再增加。FV=2.796时，模型的饱和气流量Q≈3.6m3/h，此时喷气所形成的气穴已基本覆盖了艇底空腔，气穴面积与艇底空腔在水平面的投影面积之比为96.3%（见表2），表2中SC为气穴面积，SB.H.为艇底空腔在水平面上的投影面积。

表2 FV=2.796时气流量变化对气穴面积的影响Tab.2 FV=2.796,the effect of flow rate on the area of air cavity

试验过程中发现，在模型的各测试速度（V＜6.5m/s）下，气流量Q≈4m3/h时均已达到或超出饱和气流量。因此，图15～17也表示了饱和气流量时，航速变化对气穴长度的影响。

对图15～17及图13的比较分析可知：在饱和气流量下，随着艇体运动速度的增加，气穴长度增大；当容积傅氏数FV=2.237时，气穴达到艇艉，气体从艇艉逸出，气穴已基本覆盖了艇底空腔；此后进一步增加航速（图13），气穴长度基本不变；当FV＜2.237时，气体从艇体舭部逸出，气穴长度随航速的增加而快速增长；在FV=1.677时，气穴面积与艇底空腔在水平面的投影面积之比为73%（见表3）。

表3 饱和气流量时航速变化对气穴面积的影响Tab.3 The effect of model speed on the area of air cavity under the saturated air flow rate

综合以上分析可知，气流量与航速均是影响艇底气穴形态的重要因素。

文献[10]给出了不设置艇底空腔的常规断阶滑行艇喷气时的艇底流态，如图18所示。

由图12～17及参考文献[10]可知：高速艇艇底喷气后所形成的气层形态与艇底几何结构密切相关。高速滑行艇一般具有 10°～27°的艇底斜升角，若对艇底不作较大改动，直接喷气，则所形成的气层为气穴及气泡流（气、水混合流），并在气泡浮力、艇底水动力、斜升角的共同影响下，气层斜向上升，饱和气流量时，气层也不能完全覆盖喷气出口处后方的艇底（如图18）。而高速艇艇底开槽形成空腔结构后，喷气所形成的气层形态为气穴。饱和气流量时，在所测试的速度范围内，气穴能覆盖55%以上的空腔面积，当FV＞1.7时，气穴能覆盖到95%以上的空腔面积。从维持艇底气层的角度看，高速艇艇底设置空腔是非常有利的，但值得注意的是艇底设置空腔会破坏底部升力面、艇体浮态也会发生较大变化，从而导致不喷气时阻力性能下降，需要在开槽导致的阻力增加和喷气导致的阻力减少两者间综合考虑。

图18 FV=3.32，Q=9.55m3/h断阶滑行艇艇底流态Fig.18 The bottom flow form of the stepped planning craft,FV=3.32 and Q=9.55m3/h

4 结论与建议

本文针对B.H.型气泡滑行艇的阻力模型试验，较系统地研究了该艇型在不同开槽方式、航速及气流量下的阻力、纵倾、升沉与重心升高，并对艇底流态进行了观测记录。结果表明：

（1）艇底开槽对形成气穴及保持艇底气层较为有利。

（2）开槽方式对B.H.型气泡滑行艇喷气减阻效果的影响不大，但开槽方式1不喷气时阻力增加较大，开槽方式2略优于开槽方式1。对开槽参数进行优化设计，以获得在不喷气状态下阻力增加较小的开槽方式，是个值得研究的问题。

（3）B.H.型气泡滑行艇的气层减阻效果与艇底喷气的气流量有关，气流量越大减阻效果越好，但存在一个饱和气流量，超过饱和气流量后，B.H.艇的气层减阻率趋于一个稳定值。

（4）B.H.型气泡滑行艇的气层减阻效果与艇速有关，艇速越高，气层减阻率越高，但受艇底空腔面积的限制，减阻率的变化在高速时趋于平缓。

（5）艇底流态显示表明，艇底开槽是保持气穴稳定性的有利措施，较普通断阶滑行艇，B.H.艇能更好地保持大而稳定的艇底气穴。

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Experimental study on the resistance of bottom hollowed air cavity planning craft

DONG Wen-cai,OU Yong-peng,GUO Ri-xiu
(Dept.of Naval Architecture&Ocean Eng.,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China)

The effects of some parameters,such as air flow rate,hull speed and the form of bottom hollow,on the resistance of air cavity planning craft and its motion are experimentally investigated,and the flow field surrounding the craft’s bottom is revealed by flow visualization techniques fairly systematically.Some results can be taken as follows:the two different hollowed bottoms but with same projection area on horizontal plane have little influence on resistance reduction rate.The most important factors affecting resistance reduction are hull speed and air flow rate.The relative resistance reduction rate is about 50%and the absolute resistance reduction rate is about 15%at saturated air flow rate.However,the hollowed bottom makes the craft’s resistance increase without air injection,while it can preserve the air cavity stable effectively.

air cavity planning craft;hollowed bottom;air cavity;relative resistance reduction rate;absolute resistance rate

U674.942

A

1007-7294（2010）07-0708-09

2009-05-09

全国优秀博士学位论文作者专项资金资助项目（200551）；国家“863”计划资助项目（2007AA11Z242）

董文才（1967-），男，海军工程大学教授，博士生导师。