穿梭艇艏部特征分析及优化

刘怡锦，李英辉，唐建飞，张裕芳

(上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240)

通常从水动力角度来看，Fn＜0.20的船舶为低速船，0.20＜Fn＜0.30的船舶为中速度，Fn＞0.30的船舶称为高速船［1］。当今的高速船种类繁多，新的船型不断出现，但就其基本情况而言，从高速船的结构和原理来看，单体船中绝大多数都为滑行艇或半滑行艇，它们往往通过动力支撑减少排水降低阻力，然而面对多浪的水域情况，波浪造成动力支撑不稳定，形成“海豚跳”，降低了船舶耐波性，成为其致命的弱点。这里试图探索高性能排水性船，在不减少其排水保证耐波性的同时降低阻力。近几年来，从常规高速双体船、小水线面双体船、穿浪双体船到三体船、多体船，高性能排水型船逐渐成为一个新的研究方向。

放眼世界，从英国的VSV“极细长艇”到美国的DDG1000朱姆沃尔特级驱逐舰，均为高性能排水型穿浪单体内倾船。较之于以往的常规舰艇，它们增加了L/B的同时，对于艏部也进行了比较大的改造。超细长的艇体和尖峭的艏部，如一巨斧般的劈开波浪，高速地破浪而行，并保持着良好的平稳性，与此同时，这种外形设计能显著降低雷达和可见光特征信号，并便于地面和空中运输［2］。但是针对这种新船型，艏部型线研究还寥寥无几，因此，这里以此为切入点进行初步的探索。

这里研究的穿梭艇是一艘排水型高速船，其干舷内倾，高速行驶时与其他高速船类似，兴波阻力在总阻力中占了非常大的比例，因此，兴波阻力对于穿梭船同样是一个不可或缺的考虑方面。有研究表明［3］，在一定的弗洛德数(Fn)范围内，兴波阻力对船型的变化相当敏感，适当修改船体型线可使兴波阻力明显降低，而艏部线型是影响兴波阻力的重点。因此将探讨这种船型艏部型线及其水动力特征。

从快速性角度看，艏部几何特征主要表现为横剖面形状特征和其相应的水线形状。设计水线的形状特征和横剖面形状特征密切相关，设计水线确定后，很大程度上已经决定了横剖面形状。同时，近水面处的水线形状对兴波阻力的影响较大，因此以设计水线为代表进行研究。设计水线的特征和参数主要为水线面系数、平行中段长度、端部形状、半进流角以及尾部的纵向倾斜等。由于穿梭艇船体超级细长，没有明显的平行中段。但具有明显区别于普通船舶的特殊艏柱等特征，因此这里以半进流角和艏柱倾斜角为探索方向。

1 船舶型线

穿梭艇艇体细长，L/B=10。由于L/B较大，船体瘦长，船体型线的纵向曲率较小，船体兴波区域的型线变得平直，兴波作用趋于和缓，波高变低，兴波作用所消耗的能量减少，所以兴波阻力较其他船型更小［4］。由于实际工程需要，穿梭艇的设计主尺度:水线长Lwl=20 m;船宽B=2 m;在船肿处保证船舶为最大船宽，图1为符合要求的某一模型。

图1 设计模型Fig.1 Design model

2 计算模型和边界条件处理

由于计算模型为细长船体，表面纵向曲率很小，在计算其兴波阻力时，可有效地直接应用线性兴波阻力理论。假设流体为不可压缩无粘的理想流体，其运动无旋，船体以恒定速度v在静水中沿x轴正向航行。数值计算的坐标系统如图2所示。

假定总定常速度势为Φ，扰动速度势为φ，则总速度势可表示为

图2 线性理论坐标Fig.2 Linear theory coordinate

在流域内其扰动速度势φ需满足拉普拉斯方程(2)，同时还需满足物面不可穿透条件(3)，自由面条件(4)，水底不可穿透条件(5)和无穷远条件(6)。

在船体湿表面和自由面上布置源汇，可求出扰动速度势，根据伯努利方程，可得到流场中压力分布，经过压力积分可求得兴波阻力。采用SHIPFLOW中的线性势流方法，基于Dawson方法的面元法，研究表明，该软件对于细长体的兴波阻力计算，可以得到较为准确的结果［5-7］，因此这里采用该方法进行阻力比较研究。

在具体计算设置方面，船艏前取0.5船长，船尾后取整船长，宽度取0.7船长，构成整个计算的自由液面域，网格数为2 032，各方案自由液面设置相同。由于各船型不同，船体网格数不尽相同，通过前期的网格测试，当船体网格数大于700时，计算结果已达到精度要求。

3 进流角影响结果分析

在满足设计要求的情况下，首先从常规外倾船舶入手，比较不同的进流角度对船舶兴波阻力影响，选取了3种方案进行比较分析，半进流角分别为17°、14°、11°(见表1)。由于必须保证船肿处达到最大船宽，半进流角不宜过大或过小。

表1 各方案的主要几何特征Tab.1 Geometrical characters of each scheme

计算得到3种方案排水量最大相差不过7%，因此在比较时采用相同的吃水，吃水D=1 m，艏柱倾斜角度为120°。图3为3种方案的进流段水线，从外到内依次为方案1、方案2、方案3。

图3 三种方案的进流段水线Fig.3 Entrance lines of three schemes

由图3可以看出，方案1和方案2差别主要在于进流段水线的中后部，方案2和方案3的主要差别在于进流段水线的前部。结合计算结果(见图4)，可以看到三种方案的兴波阻力曲线趋势大致相同，方案2稍优于方案1，但差别不是很大。方案3明显优于方案1、2，特别是Fn＜0.5之后。可以得出，越是靠近船艏的进流段线型对于兴波阻力的影响越是关键。因此穿梭艇必须保证进流段的前部尖削，才能明显的降低兴波阻力。

图5为这3种方案产生的最大波高比较，为避免单位造成的麻烦，这里所有的波高均用船长无量纲化。其中，除Fn=0.5左右时，三种方案较为接近，其他航速方案3的最大波高明显低于方案1、方案2，这与图4的结果也是相吻合的。因此，可以得出最佳的半进流角度方案为方案3，在之后的艏柱倾斜比较中确定半进流角为11°。

图4 三种方案的兴波阻力系数曲线Fig.4 Wave-making resistance coefficient curves of each scheme

图5 三种方案的波峰高度曲线Fig.5 Wave heights of each scheme

4 艏柱倾斜影响结果分析

这里的研究对象穿梭艇艏部薄而尖峭，有助于劈开迎面的波浪，降低甲板上浪的危险，减少喷溅阻力。艏柱倾斜角度关乎到艏部的尖峭程度，选取4种方案(见图6)进行比较分析，其中方案四为常规外倾式艏柱，方案三为过渡式艏柱，方案一和方案二为内倾式艏柱，但两者内倾角度不同(见表2)。

计算所选用的模型主尺度:水线长Lwl=20 m;船宽B=2 m;吃水D=1 m;水线面系数为0.62～0.63;半进流角为11°。

表2 各方案的主要几何特征Tab.2 Geometrical characters of each scheme

图6 四种方案的艏部模型Fig.6 Model of four schemes

图7为四种方案的兴波阻力系数曲线。可以看到，在整个范围内，方案一的兴波阻力系数明显小于其他三个方案。方案二的兴波阻力系数略大于方案一，并且在0.5＜Fn＜0.8最为明显。方案三的兴波阻力系数最大，方案四的兴波阻力系数稍微小于方案三。

在图7中，内倾式在兴波阻力系数上已经明显优于过渡式(方案三)和外倾式(方案四)，选取方案一为代表进行研究。下面观察三种艏部类型所产生的波形，图8至图11为三种方案在Fn=0.26和Fn=0.5时的波形分布图，其中图8和图10上半部分为内倾式(方案一)，下半部分为过渡式(方案三);图9和图11上半部分为内倾式(方案一)，下半部分为外倾式(方案四)。

在Fn=0.26时，可以看出，这三种方案产生的波形都较弱，都属于性能良好的艏部线型。具体比较能发现内倾式(方案一)的波形分布更均匀，艏部的高压区和肩部的低压区均小于其他三种方案，这也导致了向下游传播的兴波明显小于其他方案。图12是沿船体的自由面波高图，可以看出无论是艏波还是肩波，内倾式(方案一)波高都有了明显的降低，尾波的波高也略有降低，这与低速段的兴波阻力系数是吻合的。与此同时，艏波还发生了前移，而肩波略有向后移动。

图10至图11为三种方案在Fn=0.5时的波形分布对比，此时船舶已经处于中高速阶段，此时兴波阻力已经成为主要阻力，肩波几乎消失，兴波主要集中在艏尾两端。从波形图来看，此时的差别已经不是特别明显，但从艏部压力来看，内倾式(方案一)还是要稍低于其他两种。图13为此时三种方案船侧波形，可以看出过渡式(方案三)和外倾式(方案四)波形相差不大，最大波高均大于内倾式(方案一)，并且内倾式(方案一)艏波稍靠前。

图7 四种方案的兴波阻力系数曲线比较Fig.7 Wave-making resistance coefficient curves of four schemes

图8 方案一与方案三波形分布图对比(Fn=0.26)Fig.8 Waveforms of Scheme 1 and Scheme 3(Fn=0.26)

图9 方案一与方案四波形分布图对比(Fn=0.26)Fig.9 Waveforms of Scheme 1 and Scheme 4(Fn=0.26)

图10 方案一与方案三波形分布图对比(Fn=0.5)Fig.10 Waveforms of Scheme 1 and Scheme 3(Fn=0.5)

图11 方案一与方案四波形分布图对比(Fn=0.5)Fig.11 Waveforms of Scheme 1 and Scheme 4(Fn=0.5)

图12 三种方案船侧波形比较(Fn=0.26)Fig.12 Waveforms of three schemes(Fn=0.26)

图13 三种方案船侧波形比较(Fn=0.5)Fig.13 Waveforms of three schemes(Fn=0.5)

虽然方案一和方案二同为内倾式，但它们之间还是存在差异的，图14为方案一和方案二在不同Fn时的艏波波高比较，可以看到在低Fn时二者差别较为明显，但随着航速不断的增加，二者的差别越来越小。图15和图16分别是二者在Fn=0.26和Fn=0.5时的波形分布图对比。在低速(Fn=0.26)时，方案一的艏部的正压和肩部的负压明显低于方案二，并且散波也相对小很多，但当速度提升到Fn=0.5时二者差异已经很小。

图17至图20为四种方案在Fn=0.5时的艏部压力分布。通过对比可以发现，常规外倾式艏柱(方案四)艏部有相当大的区域受到较高的压力，并且压力变化梯度较为明显，进而引起了较强的兴波，这一点通过图7兴波阻力系数曲线可以得到验证，因此外倾式艏柱并不能保证穿梭艇最大限度地发挥其快速低阻的特性。方案三(90°)作为一种中间过渡型情况，虽然能降低艏部的压力，但效果并不明显。相比之下，内倾式船艏明显降低了艏部的压力，从图17图18中可以看到，方案一和方案二的艏部压力较大的区域明显减少，产生的兴波阻力系数随之降低。而同样为内倾式的两方案相比，方案一受压较大的区域明显低于方案二。因此，可以推断，对于新船型穿梭艇，相比于常规的外倾式艏柱，内倾式能有效的降低艏部压力，除此之外，内倾式的艏柱倾斜角度对于结果有重要的影响，内倾式船型艏柱与基线夹角角度越小，艏部越尖削，压力降低越明显。

图14 方案一与方案二艏波波高比较Fig.14 Head wave heights of Scheme 1 and Scheme 2

图15 方案一与方案二波形分布图对比(Fn=0.26)Fig.15 Waveforms of Scheme 1 and Scheme 2(Fn=0.26)

图16 方案一与方案二波形分布图对比(Fn=0.5)Fig.16 Waveforms of Scheme 1 and Scheme 2(Fn=0.5)

图17 方案一(30°)表面压力分布图(Fn=0.5)Fig.17 Surface pressure of Scheme 1(Fn=0.5)

图18 方案二(60°)表面压力分布图(Fn=0.5)Fig.18 Surface pressure of Scheme 2(Fn=0.5)

图19 方案三(90°)表面压力分布图(Fn=0.5)Fig.19 Surface pressure of Scheme 3(Fn=0.5)

图20 方案四(120°)表面压力分布图(Fn=0.5)Fig.20 Surface pressure of Scheme 4(Fn=0.5)

5 结语

分别通过改变半进流角和艏柱倾斜角度两方面，分析穿梭艇艏部的特征，并改善整体的阻力性能。首先通过对兴波阻力系数和最大波高的分析，得出了半进流角为11°时能有效降低船舶兴波阻力。在满足这一条件下，进一步分析外倾式、过渡式以及内倾式船艏对船舶的兴波阻力和流场的影响，结果表明内倾式30°的船艏能有效降低波浪高度。除此之外，归纳了穿梭艇艏部型线特征如下:

1)进水角应尽量小，并且进流段的中前部对兴波阻力的影响最大;

2)外倾式、过渡式船艏受到的压力、产生的波高明显大于内倾式船艏，因此前两者并不能保证穿梭艇的优良性能;

3)内倾式船艏的内倾角度对压力、波高影响很大，内倾式船型艏柱与基线夹角越小，艏部越尖峭，艏部压力和艏波高度降低越明显。

但由于一些客观要求，文中只进行了一些初步探索，对于这一新船型，还有很多特征待于进一步的分析和优化。

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