千吨级高耐波性单体复合船型模型试验研究

2011-02-27王许洁孙树政赵晓东李积德栾景雷

船舶力学 2011年4期

王许洁，孙树政，赵晓东，李积德，栾景雷

（哈尔滨工程大学船舶工程学院，哈尔滨 150001）

1 引言

近年来，哈尔滨工程大学研发了一种加装组合附体的单体复合船型[3]，在常规单体船艏下部安装椭圆剖面流线型半潜艏，在半潜艏两侧安装三角翼型鳍，并成功进行了450吨级艇加装该组合附体的实艇海试验证[5]，研究表明组合附体可以显著地抑制船舶的纵向运动，实现波浪中高速航行。

本文对前期研发的千吨级单体复合船型进行快速性和耐波性试验研究，通过对千吨级圆舭母型船、加装组合附体及改进深V型加装组合附体等复合船型方案进行模型试验，分析比较了不同方案的阻力性能和耐波性能，优选出阻力和耐波性能良好的深V单体复合船型方案。

2 模型尺度和安装位置

2.1 试验模型尺度

模型试验是在哈尔滨工程大学船模拖曳水池进行的，加装组合附体的单体复合船型模型浮态与母船一致。

模型缩尺比1:25，船型模型尺度见表1。

表1 船型模型尺度Tab.1 Main dimension of the ship

半潜艏中纵剖面为NACA翼型，横剖面为椭圆形，g1，g2，g3表示圆舭船型加装组合附体的3种方案，V1，V2，V3表示深V船型加装组合附体的3种方案，尺度见表2。

表2 半潜艏尺度及编号Tab.2 Dimension and number of the appendage

5个鳍的平面为三角形，剖面为ЦАГИ翼型，编号和尺度见表3。

表3 鳍的尺度及编号Tab.3 Dimension and number of the fin

2.2 组合附体的安装位置

考虑组合附体尺寸布局对复合船型阻力性能的影响，结合前期研究成果，选定组合附体的安装位置。半潜艏安装位置是艏缘在0站处，首缘中心在基线下 20mm；鳍的安装位置是：对于圆舭船型（图1），鳍的首缘距0站300mm，对于深V船型（图2），鳍首缘距0站310mm。

图1 原船型横剖面图Fig.1 The body section of original ship

图2 改进深V船型横剖面图Fig.2 The body section of improved deep-V ship

图3 组合附体安装示意图Fig.3 The fitted situation of appendage

3 试验结果及分析

3.1 静水阻力试验

通过对半潜艏和鳍的多种组合方案进行静水阻力试验，优选出阻力性能良好的g1f4和v3f5方案，图4为圆舭原型g0，原船型加装组合附体g1f4，深V船型v0与加装组合附体v3f5的静水阻力结果比较，其中R为模型阻力，V为模型对应速度。图5，图6为各船型静水航行的升沉和纵倾曲线，其中Z为升沉值；θ为纵摇角，尾倾为正；V为模型对应速度。

图4 静水阻力曲线Fig.4 Still water resistance results

图5 静水中航行升沉曲线Fig.5 Sinkage in still water experiments

由试验结果可以看出：

（1）改进的深V船型与圆舭母型相比，静水阻力略有增加，但增幅不大。

（2）圆舭母型和改进深V船型在加装组合附体后，低速时的静水阻力有较大的增加，船模速度0.93m/s时，g1f4方案比g0原型阻力增加10.7%，v3f5方案比v0方案阻力增加10.6%；随着航速的提高，阻力值逐渐与原船型接近，船模速度2.16m/s时，g1f4方案比g0原型阻力增加2.8%，v3f5方案比v0方案阻力增加0.3%；高速时，阻力甚至低于母船型，船模速度3.08m/s时，g1f4方案比g0原型阻力减小0.4%，v3f5方案比v0方案阻力减小0.8%。分析原因，低速时摩擦阻力在总阻力中比例较大，加装组合附体后的复合船型湿表面积比原船型有所增加，而且在航行中复合船型下沉比原船型大，因此阻力增加明显；随着航速的提高，兴波阻力所占比例逐渐增大，组合附体与主船体产生有利干扰，使兴波阻力减小，从而使总阻力与原船型趋近甚至减小。

图6 静水中航行纵倾曲线Fig.6 Trim in still water experiments

（3）加装组合附体后，复合船型的航态与原船型相比略有变化，复合船型航行中下沉变大，航速越高，下沉越大；纵倾角在低速时变化不大，随着航速增加，尾倾越小。

3.2 耐波性试验

3.2.1 规则波试验

图7 升沉运动响应曲线（Fn=0.32）Fig.7 Heave response(Fn=0.32)

图8 纵摇运动响应曲线（Fn=0.32）Fig.8 Pitch response(Fn=0.32)

图9 艏部加速度响应曲线（Fn=0.32）Fig.9 Bow vertical acceleration(Fn=0.32)

图10 舯部加速度响应曲线（Fn=0.32）Fig.10 Middle vertical acceleration(Fn=0.32)

图11 艉部加速度响应曲线（Fn=0.32）Fig.11 Stern vertical acceleration(Fn=0.32)

图12 升沉运动响应曲线（Fn=0.42）Fig.12 Heave response(Fn=0.42)

图13 纵摇运动响应曲线（Fn=0.42）Fig.13 Pitch response(Fn=0.42)

图14 艏部加速度响应曲线（Fn=0.42）Fig.14 Bow vertical acceleration(Fn=0.42)

图15 舯部加速度响应曲线（Fn=0.42）Fig.15 Middle vertical acceleration(Fn=0.42)

图16 艉部加速度响应曲线（Fn=0.42）Fig.16 Stern vertical acceleration(Fn=0.42)

图17 升沉运动响应曲线（Fn=0.53）Fig.17 Heave response(Fn=0.53)

图18 纵摇运动响应曲线（Fn=0.53）Fig.18 Pitch response(Fn=0.53)

图19 艏部加速度响应曲线（Fn=0.53）Fig.19 Bow vertical acceleration(Fn=0.53)

图20 舯部加速度响应曲线（Fn=0.42）Fig.20 Middle vertical acceleration(Fn=0.42)

对g0、g1f4、v0及v3f5方案的船型模型在三个航速下进行迎浪规则波试验，试验测量模型纵摇、升沉、艏部第1.5站、舯部第10站和艉部第19站处的加速度。试验波幅取25mm，波长范围0.5～2.5倍船长。图7～21为各方案在航速 18kns（Fn=0.32）、24kns（Fn=0.42）、30kns（Fn=0.53）各参数的幅频响应函数曲线的比较。其中，λ为波长，L为设计水线长，Z为升沉值，ζa为波幅，θ为纵摇角，k为波数，A1为艏部加速度，A2为舯部加速度，A3为艉部加速度，g为重力加速度。

由规则波试验结果可知，改进深V船型相比圆舭原船型在规则波中的纵向运动有了明显减小，尤其在加装组合附体后，单体复合船型在规则波中的纵向运动得到了较大抑制，高速时减摇效果更加突出。比较v3f5方案和g0原船型的试验结果，在Fn=0.32时，对于升沉运动峰值减小31%，纵摇运动峰值减小28.8%，艏部加速度峰值减小27.1%，舯部加速度峰值减小31.2%，艉部加速度峰值减小28.9%；在Fn=0.42时，对于升沉运动峰值减小15.1%，纵摇运动峰值减小15.3%，艏部加速度峰值减小24.7%，舯部加速度峰值减小21.1%，艉部加速度峰值减小20.7%；在Fn=0.53时，对于升沉运动峰值减小36.5%，纵摇运动峰值减小30.6%，艏部加速度峰值减小48.9%，舯部加速度峰值减小36.7%，艉部加速度峰值减小36.4%。总体看来，深V单体复合船型v3f5方案的耐波性得到大幅提升。