加装艉板的深V单体复合船型水动力性能研究

王许洁，孙树政，赵晓东，李积德

(哈尔滨工程大学船舶工程学院多体船技术国防重点学科实验室，黑龙江哈尔滨150001)

在方尾高速水面舰船上加装艉板，是一种方便有效的减阻节能措施，在国内外已得到一致认同.研究结果表明，加装艉板可以改变舰船尾部流场分布，改善尾流波形，从而起到减阻节能的作用［1-4］.近年来，哈尔滨工程大学研发一种千吨级深V单体复合船型［5］，该船型在船艏底部加装了由流线型半潜体和一对艏鳍组成的减摇组合附体，在波浪中航行时能够产生较大的减摇稳定力矩，实现了耐波性的大幅度提升.本文对深V单体复合船型加装艉板后的航行性能进行了研究，通过水池模型试验和理论计算［6-8］，比较了深V原船型、深V单体复合船型、加装艉板的深V单体复合船型三者的阻力和耐波性能，分析了艉板对深V单体复合船型航态、阻力及耐波性的影响.

1 试验模型资料

1.1 舰船模型及附体主尺度

试验在哈尔滨工程大学船模拖曳水池进行.试验模型的缩尺比为1：25，材料为玻璃钢，主尺度见表1.

表1 舰船模型尺度Tab le 1 M ain dimensions of the ship

减摇组合附体由一流线型半潜体和对称安装在其两侧的一对三角翼组成，其中，半潜体中纵剖面为NACA翼型，横剖面为椭圆形，尺度见表2.鳍的平面为三角形，剖面为ЦАГИ翼型，尺度见表3.艉板弦长取船长的1.5%，尺度见表4.

表2 半潜体尺度Table 2 Dimensions of sem i-submerged body

表3 鳍的尺度Table 3 Dimensions of the fin

表4 艉板尺度Table 4 Dimensions of the stern flapmm

1.2 附体安装位置

考虑减摇组合附体布局对复合船型阻力性能的影响，选定组合附体的安装位置:半潜体艏缘位于0站处，艏缘中心在基线下20 mm;鳍的艏缘位于0站后310 mm，安装示意图见图1.艉板安装在尾封板处，取下反角α=5°，安装示意图见图2.

图1 减摇组合附体安装示意Fig.1 The fitted situation of appendage

图2 艉板安装示意Fig.2 The fitted situation of stern flap

2 阻力性能

2.1 静水阻力试验

对深V原型V0、复合船型Va，以及加装艉板的复合船型Vaf进行了静水阻力试验，试验结果见图3，其中R为阻力，V为对应速度.图4、5为各船型静水航行时的升沉和纵倾曲线，其中，Z为升沉值，θ为纵摇角(尾倾为正)，V为对应速度.

由试验结果可见，Va、Vaf船型的静水阻力在低速时略大于V0船型，随着航速的提高，逐渐与V0船型接近，而高速航行时比V0船型略有减小.Vaf船型的静水阻力与Va船型相比，航速0.92m/s(相当于实船9 kn)时，前者比后者增加2.8%，航速1.54 m/s(相当于实船15 kn)时两者基本相当，在之后的试验速度范围内，Vaf船型静水阻力小于Va船型，航速2.16 m/s(相当于实船21 kn)时，阻力减小约2%.

图3 静水阻力曲线Fig.3 Still water resistance resu lts

图4 静水中航行升沉曲线Fig.4 Sinkage in still water experiments

图5 静水中航行纵倾曲线Fig.5 Trim in still water experiments

分析其原因，低速航行时摩擦阻力占总阻力的比例较大，Va、Vaf船型加装附体增加了船体湿表面积，同时，由升沉曲线可见两者的下沉比V0船型大，进一步增加了湿表面积，因此两种船型的总阻力比V0稍大，而Vaf船型由于艉板的原因湿表面积增加，其阻力也略有增加.随着航速的提高，兴波阻力在总阻力中所占比例增大，Va、Vaf船型由于减摇组合附体的作用，在船首产生了有利的兴波干扰，减小了兴波阻力，当兴波阻力的减小量大于摩擦阻力的增加量时，2种船型的总阻力便小于V0船型.此时，主要有2个原因使得Vaf船型的阻力性能优于Va船型，1)艉板能起到压浪的效果，减小船尾的“鸡尾流”高度，减少碎波的发生，从而使兴波阻力减小;2)艉板安装的下反角使船尾的流场速度变慢，而根据伯努利方程，船尾的流速减小将导致尾部压强增大，阻力减小.此外，从航态的变化来看，艉板使Vaf船型的升沉减小，纵倾角减小，这些因素也对减阻起到了一定作用.

2.2 CFD流场模拟

为观察船体表面压力分布情况，进一步验证分析结果，应用Fluent软件对Va、Vaf船型模型静水航行进行了CFD计算.计算对象为半船体，计算区域为船前1倍船长、船后2倍船长、半径为10倍半宽的1/4圆柱，划分网格数量为385 000，对船体艏部和艉部进行了局部加密.

图6为Va、Vaf船型模型在航速1.85 m/s(相当于实船18 kn)和2.47 m/s(相当于实船24 kn)时的尾部动压等值线.

由动压等值线可知，航速1.85 m/s时，加装艉板使尾部压强由 752～827 Pa上升至1 305～1 492 Pa，平均增加了600 Pa左右;航速2.47 m/s时，加装艉板使尾部压强由1 396～1 793 Pa上升至1 635～1 962 Pa，平均增加了200 Pa左右.可见，艉板的确改变了船体尾部的流场速度和压力分布，使船尾压强增大，起到了减少阻力和减小尾倾角的作用，这与前文分析结果是一致的.

图6 Va船型尾部动压等值线Fig.6 The dynamic pressure contour on tail surface

3 耐波性能

3.1 规则波试验

对V0、Va和Vaf船型模型在相当于实船18 kn(Fn=0.32)、24 kn(Fn=0.43)2 个航速下进行迎浪规则波试验，试验波幅为25 mm，波长范围为0.8～2.2倍船长.试验测量模型的阻力、升沉、纵摇以及艏部第1.5站处的垂向加速度.图7～11为3种船型在不同航速下的运动响应曲线.其中，λ为波长，L为设计水线长，R为阻力，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，g为重力加速度.

Va、Vaf船型的减阻和减摇效果分别见表5、6.从试验结果可以看出:在试验波长范围内的3个航速下，Va、Vaf船型的阻力和耐波性能均比V0船型有了大幅提升，Vaf船型的综合性能优于Va船型.分析原因，是因为艉板在航行时与水流形成攻角，产生了较大的动升力，增大了舰船的纵向稳定力矩，抑制了舰船的纵向运动，使Vaf船型的耐波性进一步提高，航速越高，产生的动升力越大，减摇效果越好，从而使Vaf船型波浪中阻力性能得到改善.

表5 复合船型减阻效果表Table 5 The resistance reduction of hybrid m onohu ll

表6 复合船型减摇效果表Table 6 The stabilizing effect of hybrid monohull

图7 阻力曲线Fig．7 Resistanceresults

图8 升沉运动响应曲线Fig．8 Heaveresponse

图9 纵摇运动响应曲线Fig．9 Pitchresponse

图10 艏部加速度响应曲线Fig．10 Bowverticalacceleration

3.2 实船耐波性预报

根据规则波的试验结果，对V0、Va、Vaf船型采用ITTC标准单参数谱［5］，计算了有义波高分别为1.25、2.0、3.2、5.0 m，在航速 18、24kn 时的单幅有义值，计算结果见表7，减摇效果见表8.

表7 实船耐波性预报Table 7 The prediction results of the real ship

表8 复合船型减摇效果Table 8 The stabilizing effect of hybrid monohull

从预报结果可以看出：在各级海况下，Va、Vaf船型的耐波性明显优于V0船型，加装艉板后的Vaf船型耐波性比Va船型有了进一步提升.

4 结论

模型试验及数值计算结果分析得出如下结论:

1)深V单体复合船型加装艉板后，静水航行时在低速极小范围内阻力略有增加，其余速度区间内阻力有所减小;在波浪中航行时，波浪增阻明显降低.

2)加装艉板能够增大舰船的纵向稳定力矩，使深V单体复合船型的耐波性进一步提高.

可见，对深V单体复合船型，通过合理设计艉板的尺度以及选择良好的水动力布局，能够使舰船的阻力性能与耐波性能进一步提升.

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