艉压浪板与艉垂直板对浅吃水高速船快速性的影响比较

陈 涛，崔 健，陆泽华，陈克强

(1.航运技术与安全国家重点实验室，上海 200135； 2.武汉理工大学 交通学院，武汉 430063)

0 引 言

近年来，造船界越来越关注艉压浪板和艉垂直板(也称艉阻板、艉插板和截流板等)对船舶航行态势和阻力性能的影响，开展了诸多研究。在艉压浪板方面:邵世明等[1]和赵边恩等[2]对高速艇艉压浪板的长度和安装角等进行一系列的试验研究，给出艉压浪板长度估算公式；蒋一等[3]对艉压浪板对滑行艇阻力性能的影响进行试验研究，验证合适的艉压浪板尺寸和安装角可提升滑行艇的快速性能；赵超[4]通过数值模拟对艉压浪板的减阻机理进行研究，初步认定艉压浪板能改变滑行艇底部的压力和艉后流场，使摩擦阻力和兴波阻力等发生变化，总阻力减小。在艉垂直板方面:郭春雨等[5]、马超[6]和周广礼等[7]分别研究艉垂直板对深V型船和滑行艇等船型的快速性能的影响，在改善航态和阻力性能等方面得到较为满意的结果；黄技[8]通过数值模拟对艉垂直板的减阻机理进行研究，初步认定船舶高速航行时阻流板的阻碍作用会使艉部流线在阻流板前方发生偏转、绕过阻流板，导致艉流场发生改变、虚长度增加，同时阻流板的阻碍作用会导致船舶的升力增大，船体出现抬升，湿表面积减小，船舶的总阻力减小。然而，已有研究基本上局限于对艉压浪板或艉垂直板进行独立研究，很少对二者进行比较，本文通过模型试验探索艉压浪板与艉垂直板对浅吃水高速船快速性影响的定量差异，研究二者相互替代的可能性，为工程应用提供参考。

1 试验模型和试验方案

1.1 试验模型和附体尺寸

本文选择的浅吃水高速船模型见图1，艏部为纵流平头型，后部为滑行艇型，艉部为方型，其主要要素见表1。邵世明等[1]认为艉压浪板的长度取船长的1%～2%为宜，本文中艉压浪板的长度为35 mm,安装角度分别为0°、4°和6°，艉垂直板的浸深(垂直板垂直向下超过艉封板边缘的尺寸)分别为4.0 mm、3.5 mm和3.0 mm。

图1 试验模型示意

参数船模艉压浪板艉垂直板LWL /mB/mT/m长度/mm角度/(°)浸深/mm数值1.750.500.10350、4、64.0、3.5、3.0

1.2 试验方案

按照国际拖曳水池会议(International Towing Tank Conference, ITTC)推荐的静水阻力试验规程,依次开展无附体模型静水阻力试验、带艉压浪板模型静水阻力试验和安装不同浸深(h)艉垂直板模型静水阻力试验。在试验过程中测量船模阻力和纵倾等试验数据，采用弗劳德二因次方法进行数据处理，并采用无量纲型式对部分试验数据进行表达，其中：无量纲的航速用Fr表示;无量纲的模型总阻力系数、摩擦阻力系数和剩余阻力系数分别用Ctm、Cfm和Crm表示[9];船模的纵倾角用θ表示。

(1)

(2)

(3)

Crm=Ctm-Cfm

(4)

2 带不同安装角度艉压浪板船模静水性能比较

首先开展无附体模型静水阻力试验;随后在船模艉部安装艉压浪板，并调节艉压浪板的安装角度，分别开展带不同安装角度(0°、4°和6°)艉压浪板模型静水阻力试验；由此得到不同方案在设计航速处(Fr=1.185)的试验结果(见表2)。

2.1 模型阻力

带不同安装角度艉压浪板模型与无附体模型的总阻力系数比较见图2。

表2 带不同安装角度艉压浪板模型静水阻力试验结果

由图2可知，在安装长度为35 mm的艉压浪板之后，船模的总阻力系数显著减小，艉压浪板安装角度为0°、4°和6°的船模的总阻力系数分别减小约15.4%、21.0%和23.2%。由此可知，艉压浪板的安装角度越大，其减阻效果越明显，但随着艉压浪板的安装角度逐渐增大，其减阻幅度逐渐平缓。此外，艉压浪板的安装角度增大会对其结构强度等产生影响。因此，艉压浪板的安装角度不宜过大，需综合考虑，设计出合适的艉压浪板。

2.2 模型纵倾

带不同安装角度艉压浪板模型与无附体模型的纵倾角结果见图3。

图2 带不同安装角度艉压浪板模型与无附体模型的总阻力系数比较

图3 带不同安装角度艉压浪板模型与无附体模型的纵倾角比较

由图3可知，安装艉压浪板之后，模型的纵倾角大幅减小，艉压浪板的安装角度越大，模型的纵倾角越小。当艉压浪板的安装角度为6°时，模型的纵倾角为2.5°，恰好达到最佳纵倾角[2]，说明通过安装合适的艉压浪板，可使船舶按期望的纵倾角航行。试验结果表明,在本文研究的船模艉部安装长度为35 mm、角度为6°的艉压浪板较为合适。

3 不同艉垂直板的比选

艉垂直板的浸深参照艉压浪板的浸深设计，艉压浪板的长度与安装角度之间的几何关系可估算为

h=l×tanθ

(5)

式(5)中:l为艉压浪板长度；h为垂直板高度；θ为艉压浪板安装角。根据上述艉压浪板的试验结果，选择安装长度为35 mm、安装角度为6°，将其代入式(5)，估算得到艉垂直板的浸深约为3.7 mm。参照艉垂直板最佳方案对应的浸深结果，选择4.0 mm、3.5 mm和3.0 mm等3种浸深的艉垂直板开展模型试验，得到设计航速处(Fr=1.185)不同方案的试验结果见表3。

表3 安装不同艉垂直板的模型静水阻力试验

3.1 阻力比较

带不同浸深艉垂直板模型与无附体模型的总阻力系数比较见图4。

由图4可知：加装浸深为4.0 mm的艉垂直板之后，模型的总阻力系数减幅不明显，约为5.3%；当逐渐减小艉垂直板浸深到3.0 mm时，模型的总阻力系数迅速减小，幅度达到20%以上，说明安装合适尺寸的艉垂直板可很好地改善船模的阻力性能。

3.2 纵倾角比较

带不同浸深艉垂直板模型与无附体模型的纵倾角比较见图5。

图4 带不同浸深艉垂直板模型与无附体模型的总阻力系数比较

图5 带不同浸深艉垂直板模型与无附体模型的纵倾角比较

由图5可知：加装4.0 mm的艉垂直板之后，模型的纵倾角减小到1°左右;当逐渐调节艉垂直板的浸深到3.0 mm时，模型的纵倾角随之增大到2.2°左右，与最佳纵倾角接近。这说明通过安装合适浸深的艉垂直板可使船舶达到期望的纵倾角。本文研究的船模安装浸深为3.0 mm的艉垂直板较为合适。此外，艉垂直板的最佳浸深与艉垂直板几何关系的普适性有待进一步研究，需针对特定船型开展深入研究。

4 艉压浪板与艉垂直板静水性能对比

下面对上述性能较好的艉垂直板(浸深为3.0 mm)与艉压浪板(安装角度为6°)的静水性能进行比较。

4.1 阻力比较

带艉压浪板模型与带艉垂直板模型的阻力性能比较见表4和图6。

表4 带艉压浪板模型与带艉垂直板模型的阻力性能比较

图6 带艉压浪板模型与带艉垂直板模型的阻力性能比较

从图6中可看出，2种方案(艉垂直板方案和艉压浪板方案)在Fr=1.12附近相交:当Fr<1.12时，艉压浪板的减阻效果较好；当Fr>1.12时，艉垂直板的减阻效果较好。2种方案的减阻效果相差3%左右，说明二者的减阻机理虽然不同，但都可获得良好的减阻效果，比较而言艉垂直板对速度变化较为敏感。

4.2 纵倾比较

带艉压浪板模型与带艉垂直板模型的纵倾比较见表5和图7。

表5 带艉压浪板模型与带艉垂直板模型的纵倾比较

从表5和图7中可看出，无论是艉压浪板方案还是艉垂直板方案，纵倾角随速度的变化均较小，在2.5°(或2.3°)左右，这说明2种方案的作用原理虽然不同，但改善船舶航态的效果相差不大。

5 结 语

通过在拖曳水池对安装系列艉压浪板和艉垂直板的浅吃水高速船模型进行静水拖曳试验，主要得到以下结论:

1) 在艉部加装合适尺寸的艉压浪板可有效解决船模纵倾过大的问题，并能改善船模的阻力性能。随着艉压浪板的安装角增大，当纵倾角接近最佳纵倾角时，减阻效果更好，但随着艉压浪板安装角度增大，其减阻幅度逐渐平缓。

2) 在艉部加装合适浸深的艉垂直板可有效改善船模纵倾过大的问题，并能提升船模的阻力性能。艉垂直板浸深尺度只有艉压浪板长度的10%左右，为毫米量级，对船模总体性能的影响更加敏感，在试验过程中需加以重视。

3) 安装尺寸合适艉压浪板和艉垂直板的船模都可获得比较好的减阻效果和航态改善效果，虽然艉压浪板和艉垂直板的减阻机理可能不太一样，但二者的减阻差异并不是十分明显。

4) 本文仅研究艉压浪板和艉垂直板的静水性能，二者在波浪中的性能差异仍需进一步探讨。