尾插板对滑行艇阻力及纵向稳定性影响试验分析
2018-03-01，
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(海军工程大学 舰船工程系，武汉 430033)
尾插板通常是垂直安装在船艉部的一块具有很大长宽比的平板，尾插板可以在船舶航行过程中产生的额外的水动升力，能够一定程度上影响船舶的航行姿态，进而改变船底的压力分布和尾流场的兴波特性[1]，选择合适的尾插板可以在某些航速范围内降低船舶航行阻力，提高航行效率[2]。滑行艇由于其工业技术要求较低，发展最早，所以是当前应用最为广范的高性能船[3]，各式新型滑行艇也层出不穷[4- 6]。由于滑行艇航速快、排水量小、起滑前后运动姿态差异大，导致其重心、浮心及动升力中心三者关系变化剧烈，极易发生纵向失稳，也就是“海豚运动”[7]。这些运动稳定性问题是制约滑行艇进一步发展的关键因素。目前解决纵向运动稳定性的方法一般是调整重心位置[8]，通过减小初始尾倾来压制海豚运动，但是重心纵向位置可调的范围通常很小，所以该方法仅对轻微的纵向失稳有一定缓解作用，具有很强的局限性。尾插板通过改变来流攻角能够有效地调节滑行艇运动姿态与其重心的匹配关系，且安装简单快捷，是目前解决运动稳定性问题最有效的手段之一。过短的尾插板无法有效地调节运动姿态，而过深的尾插板则会导致高速下发生埋首以及起滑效率低下等负面作用，所以选择适当的尾插板十分关键。鉴于理论计算[9- 10]及数值方法[11- 12]尚不成熟，模型试验仍然是正确选择尾插必不可少的手段。为此，以某高速滑行艇为试验对象，比对不同深度的尾插板对滑行艇运动稳定性的影响。
1 船型介绍
1.1 船型主尺度
为保证船模在高航速下能够有较好的强度，船模使用木质结构经打磨、喷漆、防漏等一系列工序加工而成，无因次主尺度如表1所示。
表1 模型无因次化尺度
注：B- 模型宽度，m；L- 模型长度，m；H- 型深，m；d- 模型吃水，m；LCB- 浮心距艏部距离，m。
表2所示为滑行艇排水量与阻力的无因次化。
表2 拖曳模量纲一的量化主要参数
注：Rm- 阻力，N；Δ- 排水量，kg；▽- 排水体积，m3；Vm- 模型拖曳速度，m/s。
1.2 试验方案
通过自由拖曳试验，测量该船在一定排水体积下的阻力，纵倾角以及升沉的变化，并对鸡尾和飞溅等现象进行观察，通过调整尾插板深度来测得该船的最佳运动姿态和阻力性能。拖曳速度从Fr▽=1.0逐渐增大至Fr▽=7.0，若发生海豚运动或者横向失稳则停止试验。试验在中航重工605所的拖曳水池内进行，模型如图1所示，试验中尾插板加装如图2所示。其中尾插板的深度指在滑行艇断阶处安装的横向木条突出模型基面的高度,如图3黑色区域的高度即为断阶处尾插板深度。
图1 试验模型
图2 尾插板安装
图3 尾插板深度示意
2 不同尾插板的静水性能对比
2.1 单位升阻比对比
通过调整安装在断阶尾封板处的尾插板深度，得出3种不同尾插板配置下该船的单位升阻比的变化。
相同体积弗劳德数下不同深度的尾插板对滑行艇的阻力性能的影响见图4。
图4 不同深度尾插板阻力无因此对比
当Fr▽>5时，若不加装尾插板，模型会产生纵向失稳，也就是海豚运动，无法采集以后的数据，且阻力值相对较大。加装尾插板以后，海豚运动得到明显解决，整体的阻力曲线呈阶梯状分布，在2.0
2.2 垂荡幅值对比
由图5可以看出，当Fr▽<3.0时，尾插板深度对升沉和纵摇的影响较小，当Fr▽>3.0以后，尾插板深度对升沉的影响开始不断变大，相比于阻力曲线在Fr▽>4.5以后才发生分离，升沉的变化发生较晚。1.0 mm深尾插板最终的垂荡幅值比2.0 mm尾插板的垂荡幅值要小6.7%左右。
图5 不同深度尾插板模型升沉对比
升沉是影响滑行艇在滑行过程中湿表面积大小的重要因素之一，若滑行艇在滑行过程中湿表面积过大，会导致阻力的增长。结合试验数据可以认为，较短的尾插板可以控制模型的升沉在较小的范围内，进而起到减阻的作用。
2.3 纵摇幅值对比
不同尾插板深度模型纵摇幅值对比见图6。
图6 不同深度尾插板模型纵摇幅值对比
根据图6可以发现，当Fr▽=2.5时，纵摇达到峰值后迅速减小，有着明显的越峰过程，符合滑行艇纵摇角变化的一般规律。深度越深的尾插板纵摇角减小的越快。其中深度为2.0 mm的尾插板在高速状态下的纵摇最小甚至达到了负值，发生了埋首现象，说明此时的模型已无进一步向高速冲击的潜力。这是因为过深的尾插板挡水面积很大，在高速来流的冲击下产生了较大的埋首力矩。
滑行过程中纵摇角的变化是影响滑行艇运动稳定性的重要因素，每条滑行艇都有着各自的最佳纵摇角，由于船体自身有着多方面设计限制，所以仅靠滑行艇自身很难达到最稳定状态。通过安装尾插板可以有针对性地进行调节纵摇，能够有效地提升滑行艇的各方面性能。
3 结论
通过在长条水池对带系列尾插板的滑行艇模型的直航静水测试试验，得出以下结论：
1)加装合适深度尾插板可以有效地提高滑行艇的纵向运动稳定性，延缓海豚运动的发生；在4.0
2)与目前滑行艇使用较多、功能相似的带角度安装的尾压浪板相比，垂直安装的尾插板效率更高，总体长度仅为尾压浪板的10%左右；对滑行面影响更小，尾压浪板一定程度上延伸了滑行面；结构更为简单，不需要带角度安装；但是对深度过于敏感，试验发现1.0 mm左右的深度变化会对滑行艇整体的姿态产生很大影响，试验过程中需要对深度有准确的控制。
3)随着控制技术的发展，在航行过程中根据船舶的航行姿态实时精准地控制尾插板的深度成为可能，模型试验中对尾插板性能的测试是重要的输入参数，所以该试验具有较大的实际意义。
4)本试验仅以安装深度作为变量分析了尾插板对滑行艇静水直航的运动姿态及阻力性能的影响，对于尾插板的安装宽度及其波浪运动中调节能力的变化仍有进一步探索的空间。
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