浅析排水式高速艇的阻力性能

邬卡佳 田华勇

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

引 言

艇和排水式船舶之间，处于过渡航行状态的船舶，其阻力特点也具有过渡性能的特点，如图1所示。

快艇的阻力性能与排水式船舶有很大不同。排水式船舶在航行时，浮态基本不受航速变化的影响，其质量由静浮力支撑；而快艇的浮态随航速的增加而发生显著变化，其航行时，大部分或全部质量均由动浮力支持，总阻力的构成和相应随航速、船型参数的变化规律也与排水式船舶不同，即使各类型快艇之间，其阻力构成和相应的变化规律也有较大的差异［1］。

按产生动浮力方式的不同，可将快艇分成滑行艇、水翼艇、气垫船等。排水式高速艇是介于滑行

图1 各航态范围船舶的阻力曲线

这类艇的用途很广，小型摩托艇、交通艇、航政艇、海关检查艇和巡逻艇等都属于该类型快艇。本文分析了排水式高速艇的阻力性能特点，为该类船舶的快速性设计提供一定的参考。

1 阻力性能特点

排水式高速艇的阻力和其中的摩擦阻力Rf、剩余阻力Rr的比例均随航速的变化而变化。荷兰水池针对某型圆舭型高速艇进行了阻力性能试验［2］，其试验结果（图2）表明，排水式高速艇的剩余阻力系数Cr随排水体积长度系数的增加而急剧增加；在长度傅氏数附近，剩余阻力系数达到最大值。图3是某两条排水式高速艇剩余阻力与摩擦阻力之间的比值曲线［1］。可见，在Fn= 0.5附近，剩余阻力占总阻力的比重较大（可达50%以上）。由此可见，排水体积长度系数 和傅氏数Fn是影响排水式高速艇快速性能最重要的两个参数。在初步设计时，就应综合权衡水线长度、排水量和设计航速的选取，合理设计排水式高速艇的长度傅氏数，避开剩余阻力峰值区域，并尽可能控制空船质量，减小排水体积长度系数 ，提高其阻力性能。

此外，排水式高速艇的动浮力对其航行性能的影响不容忽略，如图4所示。当体积傅氏数时，动浮力和静浮力相比虽是小量，但足以引起船舶纵倾；随着航速进一步提高，动浮力越来越大，船艇的纵倾角也增加，但由于艇的重心固定及排水式快艇的船型特点，到某一 之后，纵倾角减小。当 达到一定数值（通常是1.5左右）时，艇底动压力足以迫使水流沿着横向喷出而有喷溅出现，此时，喷溅阻力在总阻力的构成中已不可忽略；当 达到3时，动浮力已经成为支持艇重的主要成分，但受艇型限制，排水式快艇无法和底部较平且有舭折角的滑行艇一样达到“滑行”状态，艇淹湿飞溅严重，喷溅阻力和摩擦阻力迅速增大，总阻力急剧增加，快速性能恶化。因此，排水式高速艇的傅氏数不应过高。

图2 剩余阻力系数CR和Fn的关系

图3 剩余阻力与摩擦阻力的比值曲线

图4 船运动时首、尾及船中的吃水变化

2 阻力估算

2.1 船模试验

为了更好地理解排水式快艇的阻力性能，委托武汉理工大学交通学院在605所高速拖曳水池中针对某型巡逻艇进行船模阻力试验，如图5所示。

图5 船模阻力试验

某型巡逻艇的主尺度参数如表1，试验水温为8.4℃，缩尺比为8。

表1 实船主尺度

模型阻力试验按照力学相似的原则（傅氏数相似）确定船舶模型的排水量与对应航速，拖车速度通过闭环控制在对应速度下运行，通过拉力传感器测量对应航速下的模型阻力，并通过二因次方法预报实船的阻力。由试验结果得到的实船总阻力预报曲线见图6所示，船舶不同航速下的航态见图7所示。

图6 实船总阻力预报曲线

图7 航态角/升沉曲线

由图可知，该型巡逻艇的阻力随航速的增加而增加，在航速为 16 kn（Fn≈0.5）时，增幅较大；航行纵倾角随航速的增加而增大，当航速大于24 kn（ ）时，艇体开始相对静浮时上抬。

为研究该型巡逻艇的剩余阻力随航速的变化规律，现根据ITTC-57公式估算摩擦阻力系数，得到该型船的摩擦阻力，并结合实船总阻力预报得到该型船的剩余阻力系数以及剩余阻力在总阻力中的占比（如图8和下页表2所示）。其中海水密度ρ取1.025 t/m3，海水粘度ν取1.188 31×10-6m2/s。

图8 剩余阻力系数和剩余阻力/总阻力比值

表2 基于模型试验的剩余阻力系数、剩余阻力/总阻力比值计算

由此可见，各航速下该型巡逻艇的剩余阻力均较大（占总阻力的60%以上），且在Fn= 0.5时达到最大值（约77%），此时，剩余阻力系数也达到最大值。

2.2 试验图谱估算

图9 圆舭艇的船模阻力，LM =2.25 m

GROOT［3］根据荷兰船模试验池及Nordstrom发表的圆舭型摩托艇船模试验资料绘制成阻力计算图谱（图9），又根据美国司蒂汶司工学院及其他水池发表的V型摩托艇船模试验资料整理成图10，可供阻力换算之用。为便于计算，《内河船舶设计手册》［4］将该阻力图谱绘成剩余阻力系数图谱（图11），该图谱适用于傅氏数Fn在0.3～1.0，排水体积长度系数 在2.5～7.5的圆舭艇的阻力预报和轴功率计算，可用于小型军舰和巡逻艇的初步设计。

图10 V型艇的船模阻力，LM =2.25m

图11 剩余阻力系数图谱

根据该图谱计算该型巡逻艇的总阻力，如表3所示。

表3 基于试验图谱的排水式高速艇阻力估算

将试验图谱与模型试验的总阻力预报结果进行对比，如图12所示。

图12 试验图谱和模型试验的总阻力预报结果对比

由对比结果可知，该型船的图谱换算结果和模型试验结果十分接近，后续类似船（ ，）可在初步设计阶段根据该图谱估算阻力，并优化船型尺度。

3 船型参数对阻力性能的影响

3.1 棱形系数CP

棱形系数表征了船体首尾端的丰满程度。高速艇的前体处于强兴波区，因此要求前体排水量自首向中匀称过度；由于尾部采用方尾，尾部排水量分布较大；因此，高速艇的CP值不能过小，应以使整船排水量自首向尾均匀分布为宜。可根据Fn选取CP值［5］，如图13所示。

图13 CP和Fn的关系

3.2 尾封板浸湿面积比AT /AX

尾封板浸湿面积AT和最大横截面积AX之比（AT/AX）是排水式高速艇阻力很重要的参数。在低速时，尾封板面积较大易产生涡流，增加形状阻力；在高速时，尾封板处水流沿纵剖线方向冲向水面，尾封板浸湿部分与水脱离，形成虚长度，起到增加船长、减小阻力的作用。因此，尾封板浸湿面积比应与Fn相对应［5］，过大过小均不利，如图14所示。

图14 尾封板浸湿面积比AT /AX与Fn的关系

3.3 浮心纵向位置xB

浮心后移可使前体相对尖瘦、后体相对丰满，有利于形成虚长度，并保证船有一定的纵倾。排水式快艇的浮心一般都设在中横剖面之后。可根据Fn选取xB值［5］，如图15所示。

图15 浮心位置xB和Fn的关系

3.4 横剖面和纵剖面形状

船底越平坦，越有利于动浮力的产生，并减少底部压力的损失，从而减小喷溅阻力和淹湿状况。因此，高速艇的舭圆半径比低速艇要小，底部横向斜升角亦变小，并且舭圆半径和底部横向斜升角均是从最大截面以后向尾逐渐减小。

3.5 方形系数CB和宽度吃水比B/T

方形系数CB和宽度吃水比B/T通过湿表面积影响阻力。从减小喷溅和淹湿来看，大的方形系数和宽度吃水比是有利的；方形系数减小，宽度吃水比增大，则湿表面积增大。对于排水式高速艇而言，方形系数和宽度吃水比应和其他船型参数相协调，使得型线平顺，其对阻力性能的影响是次要的［1］。

4 结 语

排水式快艇的剩余阻力在总阻力中占比较大，应充分重视剩余阻力随航速变化的规律特点。可以通过适当调整船舶的船型参数，如减小排水量长度比，减小剩余阻力，从而改善排水型快艇的阻力性能。