半滑行船扰流板阻力试验研究

王文江 宗 智 倪少玲 张 磊 陈志强

1 大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁大连 116024 2 大连理工大学运载工程与力学学部，辽宁大连 116024

1 引 言

20世纪50年代，我国就已开始大量建造并使用滑行艇和半滑行艇，主要用于军事用途。80年代以后，各种民用滑行艇和半滑行艇的建造数量开始大幅增长［1］。而大吨位半滑行船的研究则大约开始于20世纪90年代。半滑行船是在大吨位船型上应用半滑行船体，其主要结合了常规排水型船排水量大和滑行艇快速性好的优点［2］。半滑行船的水动力性能与其航态有很大关系。国外一些研究者通过采取在舰船尾部加装艉楔、艉压浪板、艉楔／板结合体等措施，达到了降低舰船功率损耗并提高最大航速的目的［3-4］。 Yaakob 等［5］研究了在船尾添加压浪板，通过调节压浪板的角度，使降阻平均可达 4.5%；Cusanelli等［6］同样研究了在船尾添加压浪板，给出了实船节能效果并已在实船中得到了应用。我国也对其进行了研究［7］；左文锵等［8］通过在穿浪双体船船尾添加扰流板（所谓艉扰流板，就是紧贴着船尾封板垂直下伸的直板，其宽度与船尾板宽度相同，深度可根据需要调节，是一种新型的节能装置）并进行实验，证明加装扰流板具有较好的减阻效果，且安装和调整更为方便。上述文献主要是针对满载状况进行的研究，本文将在单体船的船尾添加扰流板，对满载、空载和压载3种状况下的减阻效果进行对比分析与研究。

2 半滑行船型特点

通常，是按体积傅汝德数FrΔ来划分船舶的3种航态，其中

式中，υs为船舶航速，m／s；g 为重力加速度，为9.81 m／s2；Δ为船体静浮时的排水体积，m3。

通常，排水型船舶的优点是大型化，但不能高速化；滑行艇的优点是高速化，但不能大型化。而半滑行船则兼具两者的优点，如美国的“自由”号濒海战斗舰就属半滑行船型。

船舶在航行时的航态与静态不同，并且其航态是随航速的变化而变化。当在垂直方向出现运动和位移时，表明其不但受静力的作用，还存在着流体动力的作用。船体在航行时，沿垂直方向的力平衡关系为：

式中，Δ 为船体排水量，N；ρ为水的密度，kg／m3；Δ1为船体在航行过程中的排水体积，m3；L为沿垂直方向作用在船体上的流体动力（或称升力），N。

半滑行船在过渡状态时，流体动力L占船体总浮力的比重不可忽视，其对船舶阻力具有较大影响，与船舶的航态（升沉和纵倾）也有很大关系。半滑行船的阻力可以通过航态的控制得到改善。

在船尾添加扰流板会改变艉部压力分布变化［10］，从而可调整船舶的航态。文献［11］介绍了飞机翼板扰流装置（Gurney Flap）原理，并指出在稳流条件下，在船尾添加扰流板的基本流体动力学原理与其相似。因扰流板的高度与半滑行船的航态及其载况有密切关系，故本文先分3种载况（98.8 kg、152.4 kg 和 259.7 kg）对其进行试验，然后分别在这3种载况下，于船尾加上不同高度的扰流板（2 mm、3.5 mm和5 mm）并对其进行试验，以研究不同高度扰流板在不同载况下船模的水动力性能。

3 船模试验

3.1 半滑行船模型

半滑行船的型线图如图1所示。船模为木质材料，船长 3.833m，型宽 0.758m，型深 0.321m，设计吃水 0.204m，最大排水量 259.7 kg。 阻力试验在拖曳水池进行，拖曳水池的尺寸为160 m×7 m×3.7 m。数字控制的拖车速度范围为0.01～8 m／s，速度精度为0.1%。静水中船模的总阻力Rtm通过电测试阻力仪（NS-30）测量。阻力仪的最大量程为 25 kg（250 N），精度为 0.1%。 船模的升沉与纵倾变化由传感器测量。自动数据采集系统由高速数据采集卡、放大器和工控机组成，收集到的数据输入计算机进行处理。

3.2 船模不加扰流板试验

3种载况下的阻力、纵倾及升沉如图2～图4所示。

由图2可看出，船模阻力是随航速的增大而增大；在同一航速下，船模阻力随压载的增大而增大。

由图3可看出，船模纵倾是随航速的增大而增大；在同一航速下，船模纵倾随压载的增大而增大。当 0.24＜Fr＜0.4 时，船模的纵倾角度不超过0.5°；随着傅汝德数的增大，当 0.4 ＜Fr＜0.57 时，船模的纵倾角显著增大，分别达到 2.57°、1.58°和1.02°；0.57＜Fr＜0.73 时，船模的纵倾角变化不大。

由图4可看到，船模的升沉为负值，同一航速下，船模的下沉是随压载的增大而增大。当0.24＜Fr＜0.48时，船模的升沉随航速的增大而增大，至Fr＝0.48 时， 达到最大， 分别为 26.08 mm、15.96 mm 和 12.88 mm；当 0.48＜Fr＜0.73 时，船模升沉随航速的增大而减小。

3.3 船模加扰流板试验

在不同载况下，在船尾分别加装高度为2 mm、3.5 mm及5 mm的扰流板，以研究扰流板高度对船模阻力、纵倾及升沉的影响。为便于比较，用I表示扰流板的高度，其中I＝0 mm表示不加扰流板。Rtm表示不加扰流板时测得的总阻力值，RtmI表示不同I值条件下对应的总阻力。

3.3.1 压载为 98.8 kg 载况试验

由图5 可观察到，当 0.3＜Fr＜0.47 时，高度为2 mm及3.5 mm的扰流板起到了降阻作用。其中扰流板高度为2 mm，且Fr＝0.34时，船模的降阻最大，达到了2%。在其它傅汝德数下，未起到降阻作用，并且其中高度为5 mm的扰流板的降阻效果最差。

由图6可看出，同一航速下的纵倾随着扰流板高度的增加而减小，其中，扰流板高度为5 mm时船模的纵倾值最小。当Fr＝0.58时，船模纵倾达到最大，分别为 0.5°、0.2°和 0.1°；当 0.24 ＜ Fr＜0.45 以及 0.68＜Fr＜0.83 （扰流板高度为 2 mm 和3.5 mm）时，船模纵倾角为负值，船模埋首造成船模阻力增大。

由图7 可看出，当 0.24＜Fr＜0.76 时，船模的升沉随着扰流板高度的增加而减小；当Fr＜0.48时，船模的升沉随着航速的增大而增大，至Fr＝0.48 时达到最大；当 Fr＞0.48 时，船模的升沉随着航速的增大反而减小。扰流板高度为5 mm时对船模的升沉作用效果最明显。

3.3.2 压载为 152.4 kg 载况试验

由图8 可看到，当 0.31＜Fr＜0.72 时，扰流板起到了降阻作用，其中扰流板高度为2 mm，Fr＝0.35时的降阻率最大，达到了4%。在其它傅汝德数下，扰流板未起到降阻作用。

由图9可看出，同一航速下的纵倾随着扰流板高度的增加而减小，其中扰流板高度为5 mm时船模的纵倾值最小。 当 0.24 ＜Fr＜0.43 以及Fr＞0.75（扰流板高度为 5 mm）时，船模纵倾角为负值，船模埋首是造成阻力增加的原因。

由图10可看出，船模的升沉值先是随着航速的增加而增大，在Fr＝0.48时达到最大，然后便随着航速的增加而减小。另外，船模的升沉值是随着扰流板高度的增加而减小。

3.3.3 压载为 259.7 kg 载况试验

由图11 可看出，当 0.41＜Fr＜0.73 时，在船尾添加扰流板对船模可起到降阻的作用，降阻率达2%～6%，其中扰流板高度为5 mm时的降阻效果最好。

由图12 可看出，当0.24＜Fr＜0.41 时，船模纵倾角为负值，船模埋首是造成阻力增加的原因。同一航速下的纵倾是随着扰流板高度的增加而减小，其中扰流板高度为5 mm时，船模的纵倾值最小。

由图13可看出，船模的升沉值先是随着航速的增加而增大，在Fr＝0.48时达到最大，然后便随着航速的增加而减小。船模的升沉值是随着扰流板高度的增加而减小，在扰流板高度为5 mm时效果最明显，这与图8和图11所反映的规律是一致的。

4 结 论

1）扰流板高度随着船模压载的不同而对船模总阻力起降阻作用。在载况为98.8 kg时，高度为2 mm的扰流板对船模的降阻效果最好，最大降阻可达2%；在载况为152.4 kg时，高度为2 mm的扰流板对船模的降阻效果最好，最大降阻可达4%；在载况为259.7 kg时，高度为5 mm的扰流板对船模的降阻效果最好，最大降阻可达6%。

2）当 0.24＜Fr＜0.41 时，船模的纵倾角度不超过0.5°，随着Fr的增加，其纵倾值显著增大。船模纵倾角是随着扰流板高度的增加而减小，在0.24 ＜Fr＜0.41 时，纵倾值为负值，船模埋首是造成船模阻力增加的原因。

3）船模的升沉随着压载的增大而增大；同一载况下，船模的升沉随着扰流板高度的增加而减小；在船尾加扰流板能改善船模的升沉。

4）通过试验观察，发现添加扰流板可以改善半滑行船的艉部流场，并使艉部流线比较流畅，从而减小艉部兴波阻力。

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