不同附体对穿浪双体船阻力和耐波性影响研究

杨　帅，谢　伟，许　晟

(中国船舶研究设计中心，湖北武汉430064)

不同附体对穿浪双体船阻力和耐波性影响研究

杨帅，谢伟，许晟

(中国船舶研究设计中心，湖北武汉430064)

摘要:为了评估目前国际上穿浪双体船航行控制系统常采用的控制面即不同附体对穿浪双体船阻力和耐波性的影响，对某穿浪双体船进行不同附体阻力和耐波性模型试验研究。通过在穿浪双体船尾部安装水平尾板、垂直尾板或鳍，首部安装倒T型翼3种不同组合附体形式，进行静水阻力和规则波耐波性试验。试验结果表明:不同附体组合均可以不同程度减小船体阻力和船舶运动，其中垂直尾板与倒T型翼组合减阻效果最佳，鳍与倒T型翼减小船舶运动效果最明显。

关键词:穿浪双体船;航行控制系统;附体;阻力;耐波性

The effect of the different appadage on WPC resistance and seakeeping

YANG Shuai，XIE Wei，XU Sheng
(China Ship Development and Design Centre，Wuhan 430064，China)

Abstract:The paper give us the resistance and seakeeping test result of WPC with different appadage in order to estimate their effects．The appadage is installed on the bow fore and aft，and fore is the T-foil，aft is the one pair of flaps，trimtab and fins．Then the resistance and seakeeping test carry on the three kinds of compages．The paper gives the result:the WPC resistance and motion are minished with the different appadage，among these the trimtab and T-foil are best for resistance，the fin and T-foil are best for seakeeping．

Key words:WPC; RCS; appadage; resistance;seakeeping

0　引言

穿浪双体船自20世纪诞生以来，由于其具有高速、优良的耐波性、稳性好、舒适、吃水浅、甲板宽敞和回转性能好等高水平的综合航海性能，以及建造工艺简单、使用成本低和技术风险小的特点，在民用领域的各类高速客船、高速滚装船，军事领域的各类高速隐身攻击艇、护卫舰、战区支援舰等［1］得到很好的推广和应用，成为在诸类高性能船中发展最快的一种船型。

我国在20世纪末开始跟踪国外技术，开发了具有自主知识产权的穿浪双体船并在本世纪初先后成功研制了“海峡”号、“海巡106”和“东远01”三型穿浪双体船［2］。通过实船航行试验发现，穿浪双体船虽然快速性和宽敞的布置的确值得推崇，可是遭遇与船长相近波长的波浪时，耐波性能仍有待提高。

通过与国外同类型船对比发现，国外在20世纪90年代后期建造的穿浪双体船在应用过程中都无一例外配备了航行控制系统［3－4］。研究和实践说明，随着穿浪双体船的大型化，增大片体尺度，可以改善耐波性的程度。但更有效的方法是采用航行自动控制系统［5］，更好地改善各类尺度穿浪浪双体船的耐波性能，例如AMD350穿浪双体船在片体上加装了前后水翼的航行自动控制系统后，舒适性得到显著提高，完全消除了乘客的不舒适感。以AMD专利技术在日本建造的100 m穿浪双体船在首部安装了自控首鳍、尾部安装了自控扰流板，取得了很好的

应用效果［6－7］; Incat公司在租用给美国的HSV战斗支援舰上，为更好体现穿浪双体船快速跨区域支援的能力，使运载人员到达目的地后能以很好的状态开展行动，均都加装了自动航行控制系统，使较高海况下的纵摇、横摇和深沉降低了60%。

然而，由于穿浪双体船行控制系统属于当前国际上高性能船发展、推广应用的一个较新、活跃的高性能设备，国外有关这方面的公开文献较少，更缺乏航行控制系统控制面对船体本身影响研究公开。国内则尚无此类设备，虽有有关学者开展航行控制系统理论研究，但都集中在其运动预报［8］方面，如侯国祥等［9］通过切片理论对穿浪双体船运动预报的研究，但目前还缺少不同附体控制面对穿浪双体船阻力和耐波性影响研究。

对于穿浪双体船在航行控制系统下的水动力性能和耐波性的研究，鉴于理论计算和数值计算方法尚未成熟，模型试验仍然是必不可少的手段之一［10］。本文将以某穿浪双体船为研究对象，对其加装不同附体组合在同一状态下的阻力和耐波性能进行研究，以掌握不同附体组合的优缺点，为后面航行控制系统控制面选取提供参考。

1　试验模型及附体方案

某穿浪双体船的横剖面形状如图1所示，主尺度如表1所示。该穿浪双体船片体线型为折角线型，根据片体和中间体线型以及所研究排水量的吃水状况，设计3种不同的附体组合形式，即首部T型翼+水平尾板、首部T型翼+垂直尾板和首部T型翼+鳍，具体组合和尺寸见表2。

图1　穿浪双体船的横剖面图Fig.1　Transversal section of the WPC hull model

表1　穿浪双体船模型主尺度Tab.1 Main dimension of the WPC hull model

表2　附体形式及尺度Tab.2 Dimension and type of the WPC appadages

2　试验目的及方案

本试验通过在穿浪双体船上分别安装不同的附体，对同一排水量、航速和吃水状态进行静水阻力试验和规则波耐波性，测量其船模阻力、航行纵倾角和升沉以及规则波下的升沉、纵摇以及首、中、尾加速度，并将数据换算实船后对数据进行分析，得到不同附体对阻力和耐波性的影响，为后续航行控制系统控制面选择提供参考。

试验方案须综合考虑各种影响因素，以能单独评估每个附体的影响为目的。在所采用的4种附体中，按照以往常规经验来看，水平尾板减阻的效果应用研究较多，但缺少相关耐波性影响公开文献，故本试验方案对尾板进行单独试验，其他附体的影响均以水平尾板为基础进行对比分析，不同附体的初始位置均通过阻力试验根据阻力的最佳状态所选取，这样最终对比试验方案如表3所示。

表3　穿浪双体船船模试验方案Tab.3 Testing program of the WPC model with appadages

3　试验结果分析

3.1不同附体阻力对比试验结果

试验中，不同附体试验都是在同一吃水状态下进行，通过测定同一工况下船体加装不同附体后的阻力、航行姿态角和升沉，并将其结果换算到实船阻力，试验航速从傅氏数0.54～0.99。图2是不同状态船体阻力对比图，图中R为实船阻力; Fr为长

度傅汝德数。表4是带附体后不同状态S2～S5下与光体阻力比值。

图2　不同状态下的实船阻力Fig.2　The resistances of the model ship on different state

表4　不同附体状态下阻力与光体阻力比值Tab.4　The contract between different state with appadageand bare hull

通过阻力试验，由图2和表4数据分析，可得到不同附体对穿浪双体船阻力的影响:

1)从S2与S1两个状态阻力情况来看，水平尾板在整个试验段具有明显的减阻效果，且航速越高效果越明显，最高可达减阻9%。

2) S3是在S2状态基础上增加首部T型水翼，从试验结果可以看到，增加T型水翼，船体阻力明显增加，增加幅值为4%～8%，随着航速加大增幅减小，这与水翼的特性一致。就整个附体组合(T型翼和水平尾板)而言，由于水平尾板减阻效果明显，傅氏数在0.8以后，整个控制面的阻力是较裸船体小，因此采用此种组合作为控制面的航行控制系统，当设计速度超过傅氏数0.8后，不仅不会降低静水中穿浪双体船的快速性，而且可提高航速。

3)从S4状态试验将水平尾板换为垂直尾板(又名绕流板)，不难发现垂直尾板与水平尾板相比具有更好的减阻效果，其减阻效果在整个速度段比水平尾板均有所增加。采用垂直尾板和T型翼作为控制面的航行控制系统，在设计速度达到傅氏数0.4以上后就不会影响船舶快速性，同样也可以提高航速。

4)从S5状态试验结果来看，鳍对静水阻力影响最大。通过S1，S2，S3和S5试验对比分析，可得本艇若单独加装尾部鳍，在傅氏数0.5以下，鳍会增加船体阻力，在达到0.5后有一定的减阻作用。从上面3种组合比较可知，鳍和T型翼作为控制面组合形式对快速性影响最大，在整个航速段阻力均增加。

3.2不同附体耐波性对比试验结果

为了进行不同附体对耐波性影响，从耐波性角度对不同形式进行优选，对表3中的状态进行规则波耐波性试验，然后进行实船的耐波性预报。表5是其同一海况、航速下耐波性预报结果。

通过表5中耐波性数据进行数据分析，可得到不同附体对穿浪双体船阻力的影响:

1)从S2耐波性试验结果，水平尾板对本艇而言可减小纵摇、垂荡以及加速度有义值在10%以上，提高耐波性效果明显，同时水平尾板安装简便，由此可见水平尾板是一种高效的节能减阻、提高艇体舒适性有效措施;

2) T型水翼具有明显的改善耐波性效果，增加T型翼后，试验艇的运动又减小了约15%。故在采用T型水翼和水平尾板组合附体后，可达到降低裸船体运动约25%;

3)尾部垂直尾板可以减小船舶运动约8%，同样具有改善耐波性效果。鳍则可以在尾板的基础上再减小16%，尾部3种附体中减摇效果最佳。

4)不同的附体组合中，T型水翼和鳍的改善耐波性效果最优，可见从改善耐波性角度出发，鳍的效果最佳。

4　结语

通过进行穿浪双体船的阻力和耐波性特性模型

试验研究，得到如下结论:

1)水平尾板不仅具有明显的减阻效果，可提高穿浪双体船快速性，而且还具有明显的改善耐波性效果，而以往水平尾板的改善耐波性效果关注不多。

2)尾部3种附体中，水平尾板、垂直尾板和鳍都具有减阻和改善耐波性作用。垂直尾板与倒T型翼组合减阻效果最佳，改善耐波性效果稍差;鳍的改善耐波性效果最佳，但阻力性能稍差;水平尾板与倒T型翼组合综合效果最佳。

3)高速段，尾部3种形式附体均具有减阻作用，因此若当航行控制系统首部的T型翼采用可回收式时，尾部3种控制面均可选，但究竟选哪种，可以依据船舶行驶海域海况以及快速性需求进行任意选择。

4)不同附体组合均可以不同程度减小船体阻力和船舶运动，其中，鳍与倒T型翼减小船舶运动效果最明显。

参考文献:

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作者简介:杨帅(1979－)，女，博士研究生，高级工程师，主要从事船舶总体性能研究设计。

基金项目:工信部高技术船舶专项工程基金资助项目

收稿日期:2015－01－12;修回日期: 2015－03－11

文章编号:1672－7649(2015) 07－0020－04doi:10.3404/j.issn.1672－7649.2015.07.005

中图分类号:U661．31

文献标识码:A