一种新型多效能减阻船的设计研究

巨浩天 陆昊 曲志超

一、研究背景

随着时代的发展，民用高速客运的发展趋势是希望有较高的航速。而用于海关缉私艇，应能迅速反应，高速拦截，因此需要高航速。如用于巡逻，须具备较高航速，但更着重要求适航性和居住条件好；在民用方面，如用于救援，时间就是生命，对船舶快速性以及稳性的要求较高。所以研究一种快速性好、稳性优良、适航范围广的船舶具有十分重要的意义。高速滑行艇具有体积小、航速快、机动性强的特点，在未来海洋开发以及海军军事装备领域具有广泛的应用前景。滑行艇的排水量一般在200吨以内，航速可达40～50节，尽管其航速比一般排水型船舶高，但适航性能却较差。传统的单体滑行艇在风浪中失速较大、航行拍击较重、限制了航行区域，特别是对军用滑行艇的发展受到了较大的限制。

槽道滑行艇是在滑行艇基础上发展起来的一种高性能新船型，它具有起滑快、纵倾小、航态平稳、兴波飞溅小、速度快、操纵灵活、耐波性好等特点。它比常规滑行艇有较大的优越性，在风浪中可保持较高的航速，显示出高水平的综合航行能力。 因而，在近海水域中，可作为新一代的巡逻艇、侦察艇、导弹艇、救生艇和交通艇。由于其吃水浅，兴波飞溅小，也可在内河和港湾中使用。槽道滑行艇不论在军用或民用上都具有广泛的发展前途。研究意义：能源是整个世界发展和经济增长的最基本的驱动力，是人类赖以生存的基础。伴随着经济的快速发展和人口的迅速增长、能源消耗大幅增加、化石能源资源却在日益耗尽。发展绿色船舶成为当今造船界的热点，减小船舶所受的阻力可以大大降低主机功率，符合节能减排的要求。随着时代的发展，对高性能船舶的需求量只增不减，本项目研究的新型减阻多效能滑行艇具有快速性和稳性好、适用范围广、操纵性灵活、起滑快、所受阻力小等优良特点，不仅适合于民用而且在军事上有广泛应用前景。用于海关缉私艇，本船可以迅速反应，高速拦截。如用于巡逻，具备较高航速，适航性和居住条件好；在民用方面，用于救援，时间就是身命，船舶快速性以及稳性较高。综上，该船符合未来高速船舶的发展需求。

二、设计创新点

2.1倒V型槽道的设计引用

如图1、2，我们设计了这种拥有倒V式槽道滑行艇，在艇体底部的内折角线处设有纵向上贯穿全艇的引气槽，我们为了提高滑行效率，设计了艇底断阶形式。艇底采用断阶后，水流流经断阶时离开艇底，在断阶后形成一空穴，经一定距离后与第二断阶的艇底接触，直至尾缘，在艇底断阶前后形成两个滑行面，每个滑行面的长度较短，由机翼理论知有较大的展弦比，从而可提高滑行艇的效率。

2.2水翼板的设计

水翼板部分设计如图3所示，为了改善滑行艇高速时的“随浪横甩”、“急停埋首”现象，本产品在船体两侧配以类似于可收放减摇鳍的可控水翼装置，该装置可实现水翼收放、纵向位置以及水翼攻角的调节。可控水翼攻角及纵向位置在不同航速不同海况下调节到最佳位置，可以给船体提供升力并且增大滑行艇的适航性。类似于减摇鳍的水翼也能起到一定的减摇作用。考虑到两侧水翼的设置会增大船寬，容易触礁和刮到渔网等杂物，所以将其设计成可收放式。

2.3气泡减阻系统的设计

气泡减阻系统又名“空气润滑法”通过气泡覆盖船底进而减少船舶与水面的接触阻力，提高船体的速度，使能源利用率大大提高。我们将其引用在滑行艇上，进一步达到节能减排的目的。

2.4设计时考虑的主要问题

a.滑行面的摩擦阻力过大；b.水翼板两侧兴波和飞溅所导致的压差阻力过大；c.导流管安装不合理，气泡减阻效果不好，气泡无法完全覆盖船底；d.槽道结构以及断级设计；e.通过上述的创新结构设计，减少无用功的输出，能源利用率提高相较于传统船体30%～35%，在未来绿色船舶的世界里，会有很大的利用空间，做到节能减排的最终目的。

三、理论计算

3.1静水阻力实验

首先验证船模的正浮情况，然后在不同流速下，进行静水拖航实验，测量船体在以下几种不同航行姿态下的阻力，对比分析加装水翼前后对船体阻力的影响。

3.2通过软件模拟流场

通过软件FLUNENT、CFX等模拟流场，对流速的控制，对船体的阻力及升力进行分析以及各种船体情况模拟计算结果得出相比与传统的滑行艇，倒V型槽道船的确有其优良之处，下表为测量数据表。

3.3验证快速性

在传统船体，普通槽道船体、加装两侧可控水翼船体、完整滑行艇的状态下，保持一定的主机功率测试船体航行相同距离所需要的时间，对比分析其性能。

3.4操纵性实验

将船模制作完毕以后，安装相应的控制机构、动力装置分别在静水和有波浪扰动状态下，进行直航和回转性实验，检验其直线稳定性及回转半径。我们对所设计的新型滑行艇进行了数值模拟计算分析，利用三维建模软件CATIA对船体总体结构进行设计，并将其细化，通过软件FLUNENT、CFX等模拟流场对不同航行姿态下船体的阻力及升力进行分析结果得出相比与传统的滑行艇，该类滑行艇确实可以在航行过程中减少兴波阻力与摩擦阻力，可行性较好。如图5所示。

3.5滑行艇阻力与升力计算以及不同水翼的升阻力计算

首先，最简单的滑行艇是一块半浸湿的矩形平板，沿着水面以小冲角α运动，前进速度为v，其载荷为G，此时平板上作用有垂直于平板的水动压力P和平行于平板表面的水粘性摩擦力Rf。此外，作用于平板的还有平板排开水的浮力D。将水动压力P和摩擦力Rf的合力Q分解成垂直于水平面的升力L和平行于水平面的阻力R，有：

在垂直于水平面的z轴上有力的平衡方程：G = L + D此等式表明，艇的载荷G （相当于艇在静止吃水时的排水量Δ）被流体动升力和小部分浮力所平衡。正如前面所说，艇达到起飞速度后，浮力所占的比例很小。其次，假设流体为无粘、无旋、不可压缩，水翼的翼端效应很小，将水翼简化为二维。应用边界元模拟水翼周围外部流场，通过求解格林第二公式获得水翼周围速度势分布，进而求得水翼受力，计算分析水翼推进性能。

工作原理及性能分析：槽道滑行艇具有优良的水动力性能，无论在快速性，或者是适航性等方面都明显优于常规船型以及一些其它类型的高性能船舶，首部呈喇叭状的槽道口在高速航行时导引、捕捉空气和首兴波等，在槽道中形成螺旋状的气水二相流，产生动升力，能迅速越过阻力峰，使艇体大大抬高，滑行状态下吃水非常小，因而可大幅度地减小阻力，且纵倾角小，此外槽道内的气水二相流可减缓波浪对艇底部的砰击，改善其耐波性能。槽道内空气贯通，在顶部形成了一个冲压空气层，起到空气润滑作用。在尾部，水流以喷柱形式射出，这种现象可称之为“槽道效应”。我们设计的艇体底部的滑行面是横向斜升型，在艇体底部的内折角线处设有纵向上贯穿全艇的引气槽，运用槽道效应原理，所述艇体底部、在中央槽道的两侧对称设置有断级，每个断级后均设置有凹槽，且断级始于引气槽，并向艇艉方向延伸至舭部。在航行过程中能够充分利用冲压空气进行减阻和支撑艇重，并具有较小兴波和飞溅，使得航速较常规槽道滑行艇有了大幅提高。高速航行时，来流越过断级后将与艇底滑行面脱离，导致压力分布产生突变，并在断级后部形成低压区域，由于断级前段开槽处位于艇体舯前，因此当艇体前方空气经由槽道和引气槽进入艇底后，受断级后低压区的影响将被吸入凹槽，并顺着一断级的方向向艇艉流动，在此过程中空气持续进入断级后部，逐渐形成稳定的气穴覆盖于艇底，从而减少了艇底的浸湿面积。使兴波阻力和飞溅阻力大大减少，提高了滑行艇的运行速度和平稳程度。性能显著提高。如图6是常规舰艇与槽道艇的曲线。

图6完成制作后，作品实物外形照片见图7

四、优点和应用前景

1）能够充分利用冲压空气进行减阻和支撑艇重，并具有较小兴波和飞溅，使得航速较常规槽道滑行艇有了大幅提高。2）充分将能源产生的动力用于船体的推进，使能源利用率显著提高，达到了节能减排的目的，符合绿色船舶设计的理念。3）运用槽道效应和在艇体底部的内折角线处设有纵向上贯穿全艇的引气槽，所述艇体底部、在中央槽道的两侧对称设置有断级，每个断级后均设置有凹槽，且断级始于引气槽，并向艇艉方向延伸至舭部。使船体的稳定性和速度都有显著地提升。 槽道滑行艇是在滑行艇基础上发展起来的一种高性能新船型，它具有起滑快、纵倾小、航态平稳、兴波飞溅小、速度快、操纵灵活、耐波性好等特点。它比常规滑行艇有较大的优越性，在风浪中可保持较高的航速，显示出高水平的综合航行能力。 因而，在近海水域中，可作为新一代的巡逻艇、侦察艇、导弹艇、救生艇和交通艇。由于其吃水浅，兴波飞溅小，也可在内河和港湾中使用。槽道滑行艇不论在军用或民用上都具有广泛的发展前途。我们设计的新型减阻多效能节能滑行艇，不仅具备了普通速滑艇速度快的优点，而且在稳定性上有了很大的提高，在未来船舶以绿色船舶，在社会提倡节能减排的大主题下，我们设计的新型减阻多效能减阻滑行艇将有很大的市场价值。不仅适合于民用而且在军事上有广泛应用前景。用于海关缉私艇，本船可以迅速反应，高速拦截。如用于巡邏，具备较高航速，适航性和居住条件好；在民用方面，用于救援，时间就是身命，船舶快速性以及稳性较高。保证了救援的安全，综上新型减阻多效能滑行艇应用范围很广，实用性非常强。

参考文献：

[1]赵连恩，李积德，何义.槽道水翼滑行艇快速性能研究[J].中国造船. 1997（03）

[2]黄武刚.M型艇与槽道型艇的阻力和耐波性比较[J].船海工程. 2015（01）