小水线面双体船兴波阻力特性研究

刘 军 易 宏

(上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院 上海 200240)

0 引 言

小水线面双体船SWATH又称为半潜式双体船(semisubmerged catemaran,SSC),是一种排水型高性能船型,它由深浅于水下的2个鱼类状主体、高出水面的上层建筑,以及连接水下主体和上层建筑的小展弦比薄翼状支柱组成.从上世纪70年代开始,许多国家对小水线面双体船的性能及应用前途展开了广泛的研究,实船也投入到使用中.而到目前为止,小水线面双体船基本为直支柱式,关于斜支柱式的研究国内很少涉及,世界上也只有美国SeaShadow一条斜支柱式小水线面双体船实船.斜支柱 SWATH除具备常规SWATH优异的阻力及耐波性能以外,还具有优良的隐身性能,从目前发表的关于SWA TH阻力性能研究的文献来看[1-3],研究对象主要是直支柱SWATH.文献[4]中虽然采用Noblesse的新细长船兴波阻力理论对斜支柱SWATH兴波阻力,但没有分析斜支柱倾角对SWATH船型兴兴波阻力的影响.

本文利用线性兴波理论,采用数值计算方法对斜支柱SWATH兴波阻力性能进行研究,重点分析了支柱间距、支柱倾角对兴波阻力的影响,同时,将一部分结果与模型试验进行了对比分析,二者拟合比较好,也表明线性兴波计算方法,能够在斜支柱SWATH设计之初及模型试验之前,对船型进行初步分析研究,有助于减少设计费用,提高设计效率.

1 小水线面双体船兴波阻力计算基本理论

小水线面双体船兴波阻力计算可以通过扩展米切尔(M ichell)瘦船理论得到.即通过在船体中纵剖面布置一系列点源σi,在船体表面布置一系列偶极子μi,来模拟船体周围流场,然后运用势流理论,即可得到船体所受到的兴波阻力.

船体流场势流函数可以由格林函数得到

偶极子强度可表示为

运用运动学、动力学以及船体表面和水底条件等边界条件,可以得到作用在船体表面的兴波阻力为

式中:k0=g/U2;Si为船体表面在中纵剖面上的投影 ;σi(ξi,ζi)为在(ξi,ζi)处的点源强度;μi(ξi,)为在处的偶极子强度.

为了能够对式(2)进行数值计算,船体表面形式必须以函数形式给出,而通常情况船体表面形状是以型线值的形式给出的,如何通过型线值近似得到船体表面的函数表示,下节将给出具体的计算方法.

4）加强舆论宣传。要利用广播、电视、网络、宣传栏和标语等多种方式广泛宣传，使4类重点对象农村危房改造政策深入人心，引导社会各界积极参与、大力支持农村危房改造工作，形成良好的社会氛围。

2 数值计算方法

运用帐篷函数,可近似得到船体表面的函数表现形式,其中,帐篷函数是船体型线值的线性函数,以(xm,zn)作为网格中心点,帐篷函数表述为

于是可以得到船体表面近似的函数表达式

式(3)计算 ,即可得到 Piσ ,Qiσ .

对于偶极子 μi强度的计算,可参照文献[1]中 ,代入式(4)即可得到 Piμ,Qiμ.

3 计算结果分析

3.1 计算船型

本文计算基本船型以为一直支柱SWATH为基本船型,首尾均为椭球型,取右手坐标系oxyz,坐标原点o位于主体中轴线的中部,x轴指向船首为正,x轴垂直向上为正,y轴指向右舷为正.直支柱半宽水线由下式确定主体的平行中体为一圆主体.首尾两端各为半个椭球,其oxyz截面曲线方程分别为

如图1所示

图 1 直支柱SWATH船型(椭球首部)示意图

3.2 计算条件

计算区域宽度为0.7倍船宽,长度方向首部以外0.5倍船长,尾部以外1倍船长,水深为无限水深.船型数据由T ribon导出,并统一除以船长L,进行无量纲化,三维建模中调整倾角、支柱中心间距变化,并用T ribon导出.自由面元数量以计算结果收敛为准.保持SWATH排水体积不变,对不同支柱中心间距、不同支柱倾角的兴波阻力系数对比分析,其中,支柱中心间距变化范围0.2～ 0.6倍船长,倾角变化范围 0～ 50°,具体计算结果见下节.

3.3 结果分析

通过计算分析,发现SWATH支柱中心间距、倾斜角度的变化都对 C w有一定的影响,同时,Fr的变化对不同SWATH的C w呈现几乎相同的曲线走势,具体计算结果分析如下.

1)由图2不难发现,直支柱SWATH片体间距对Cw产生较大的影响,尤其是当片体间距约小于0.16倍船长时,C w发生急剧变化,且在Fr=0.5附近,C w急剧增加.

图2 直支柱SWATH不同支柱间距兴波阻力系数对比

图3 2b=0.4L,Fr=0.5时,直支柱SWATH波浪高度分布

2)由图4可以看出,当SWATH片体间距约大于0.3倍船长时,由计算所得,C w在所计算Fr范围内,都小于同样船型单体船的Cw,并且当0.3＜Fr＜0.6时,片体间距越大,C w越小,当Fr＜0.3时,片体间距对C w的影响很小,而当Fr＜0.6时,片体间距越大,Cw越大.

图4 直支柱SW ATH与单体船兴波阻力系数对比(有利片体干扰)

图5 Fr=0.5时,单体船型波浪高度分布

3)由图6可知,当片体间距约小于0.16倍船长,在所计算大多数 Fr范围内,直支柱SWATH的C w大于同船型单体船的C w,说明在此范围内的片体间距,SWATH片体之间将产生不利的兴波干扰,尤其是当Fr在0.5左右时,Cw急剧增加;当0.3＜Fr＜0.4,0.6＜Fr＜0.7时,直支柱SWATH的C w小于同船型单体船的C w,说明片体间产生了有利的兴波干扰;当Fr＜0.1或Fr＞0.8时,直支柱SWATH与同船型单体船的C w十分接近.

图6 直支柱SW ATH与单体船兴波阻力系数对比(不利片体干扰)

4)由图7不难发现,同一支柱间距,支柱倾角的变化,对C w有一定影响,尤其是Fr在0.5附近,Cw变化较大,同一支柱间距下,当倾角小于20°时,斜支柱SWATH与直支柱C w几乎相等,而当倾角大于20时,斜支柱SWATH的C w大于直支柱C w,这也可以很直观理解为当倾角增大到一定程度时,两船体间的波浪干扰更趋不利,从而导致Cw增大.

图7 直支柱与斜支柱SWATH(2b=0.4L)兴波阻力系数对比

5)如图8,9可知,直支柱/斜支柱SWA TH的实验测试结果与数值计算结果基本吻合,而如图所示测试结果总体上稍大于数值计算结果,分析可能主要因为实验结果Cr还包括一部粘压阻力和模型附体影响等组合成份.

4 结 束 语

图8 SWATH(2b=0.4L,直支柱)兴波阻力系数理论与实验值对比

图 9 斜SW ATH(2b=0.4L,倾角20°)兴波阻力系数理论与实验值对比

文中数值计算结果较好地反映了SWATH兴波阻力系数C w随Fr的变化规律,并且与实验结果吻合较好,可以作为SWATH设计处理阶段,作为评价设计方案好坏的重要标准,结合适当的船体拖模,可以大大提高设计效率、节省研制经费.另外,文中没有分析SWATH船体首尾部线型、片体线型以及相关附体对兴波阻力的影响,下一步将深入开展研究工作.

[1]Peng H ongxuan.Numerical computation ofmulti-hull ship resistance and motion[D].Canada:Da lhousie University,2001.

[2]陈 军,陆晓平.用线性兴波阻力理论计算穿浪双体船的兴波阻力[J].海军工程大学学报,2002,6(3):53-58.

[3] 韩端锋.直/斜支柱SWATH的兴波阻力预报[J].船舶工程,2004,26(4):19-21.

[4]李云波.用改进的Noblesse新细长船船理论方法探讨单体双体船兴波[J].哈尔滨工程大学学报,1998(8):76-81.