多附体对高速排水型船阻力及航态的影响试验研究

2022-04-21欧阳凌浩刘金勇

船舶力学 2022年4期

李超，欧阳凌浩，毛磊，王盟，刘金勇

（中国船舶集团第七一〇研究所，湖北宜昌 443002）

0 引言

高速排水型船兼具典型排水型船和滑行艇的特点，通过试验或数值模拟研究其水动力性能一直是学者关注的焦点[1-4]。船舶航态和航速要求的提高加快了各类附体的应用研究。防溅条[5]能够降低动压损失，减小飞溅阻力。压浪板和阻流板在降低滑行艇阻力和优化航态方面具有良好的效果。Brizzolara等[6-9]以及Mansoori等[10-11]分别讨论了阻流板和压浪板的作用机理，分析了不同高度阻流板对艇底压力分布的影响，确定了阻流板前端压力峰值的位置。Mansoori等[10]认为阻流板在船艉产生较大升力，能够减小纵倾和阻力，减缓滑行艇海豚运动幅度。Steen[12]和李超[13]分别通过大量试验确定了影响阻流板作用效果的因素，总结了适用于滑行艇和高速排水型船的阻流板诱导升力公式。

之前更多的研究集中在单一或组合附体对滑行艇水动力性能的影响，相关论文[14]也指出组合附体对高速排水型船依然具有良好的作用效果。本文在此基础上拓展附体组合方案，通过试验方法研究了多种附体对不同排水量下高速排水型船阻力及航态的影响。

1 试验模型及内容

1.1 试验模型

试验船模（如图1所示）采用单折角船型，艏部瘦削，水线进角较小，以减小兴波阻力，由船艏到船尾剖面的横向斜升角逐渐减小，至船尾接近0°，为了增加船体虚长度，艉部采用方艉结构。模型船型以英国“C-Sweep”为母型演变而来，主要用于高速拖曳，为了方便双喷泵以及拖曳绞车的安装，船体型宽较宽，相较传统高速排水型而言长宽比较小。

图1 船体剖面Fig.1 Ship sections

试验在华中科技大学水池开展，试验水池长175 m、宽6 m、水深4 m，最大拖车速度8 m/s，符合试验要求。船模按缩尺比1:4 制作，表面光洁，在模型艏部9 站和9.5 站分别安装1 mm 激流丝一根。阻力仪与船模通过钢丝连接，倾角传感器安装于模型艏部，导航架与船艏和船艉导航底座相连，拖点高度位于平均吃水上，拖点引出的钢丝与水平面平行，试验前对船模进行配重，调整船模浮态和吃水，保证拖航前船模处于正浮状态。试验分为正常排水量和满载排水量两种，船模尺度如表1所示。

表1 船模主尺度Tab.1 Main dimensions of ship model

1.2 试验内容

两种排水量下分别搭载不同附体组合进行静水阻力试验，研究各组合对两种载况阻力和航态的影响，确定最佳搭载方案。其中附体包括艏部长、短防溅条，艉部分段式、整段式压浪板和艉部阻流板，如图2所示。

图2 各附体形式示意图Fig.2 Schematic diagram of appendages

试验中的长、短防溅条安装站位分别为6～9.5，7.5～9.5，位于水线上20 mm，整段式压浪板伸出船艉50 mm，宽50 mm，阻流板高2 mm。船艉压浪板长度与船长比较大，为了减弱压浪板的纵向力矩效果，防止船体产生较大的埋艏，选用分段式压浪板做对照，分段式压浪板分三段，每段宽50 mm，伸出船艉50 mm。因船体吃水的限制，为了不影响推进器效率，只考虑压浪板下反角为0的情况。

2 正常排水量试验

排水量对高速排水型船阻力的影响是很敏感的[15]，船体正常排水量即装载50%航程所需油水的载况，相较满载排水量而言，此时船体排水量和重浮心位置皆发生变化，通过试验方法研究该载况下不同附体组合带来的阻力以及航态差异。

对于高速排水型船而言，其阻力除受航态影响之外，随着航速的增加，还会出现明显的飞溅，形成飞溅阻力。试验中先在船艏安装短防溅条，以此为基础，逐渐增加防溅条的长度和其它附体。试验航速为0.84 m/s、1.26 m/s、1.47 m/s、1.68 m/s、1.89 m/s、2.10 m/s、2.31 m/s、2.52 m/s、2.73 m/s、2.94 m/s、3.36 m/s、3.78 m/s、4.20 m/s、4.41 m/s，对应傅汝德数Fr分别为0.219、0.328、0.383、0.438、0.492、0.547、0.602、0.656、0.711、0.766、0.875、0.984、1.094、1.148，部分试验工况会缩减航速点。根据模型搭载附体的不同分为五种方案，用·表示已安装该附体，具体如表2所示。

表2 组合附体方案Tab.2 Combined appendage schemes

2.1 试验结果

根据试验结果绘制各种方案阻力曲线以及减阻效果曲线，几种方案的重点在于研究同一船型不同附体对阻力性能的影响，因此阻力采用单位排水量总阻力变化Rt/Δ 和阻力变化值ΔF对数据进行处理。图3纵坐标为单位排水量总阻力Rt/Δ，图4纵坐标为总阻力变化值ΔF，方案B-A 表示方案B和方案A 的阻力差值，两幅图横坐标均为傅汝德数Fr。各方案阻力曲线的变化趋势相近，先急速增长，后趋于缓和，阻力和航速的关系由二次曲线逐渐转为一次曲线。长防溅条在中低速情况下减阻效果不明显，Fr大于0.8以后，艏部飞溅严重，较长的防溅条能够吸收飞溅流体的能量，减小飞溅阻力，不过减阻能力有限。长防溅条和压浪板或阻流板的组合在船体高速航行阶段都能达到明显减阻效果。几种方案不同点在于方案C 的阻力始终小于方案A，而方案D 和E 在Fr大于0.438 以后才逐渐产生减阻的效果，并且整段式压浪板的减阻效果要优于三段式压浪板。对于阻流板和压浪板而言，速度越高其减阻效果越明显，Fr＞0.8以后，阻流板的减阻效果优于压浪板，在Fr=1.2时，阻流板减阻率到达28.2%。

图3 各方案船模阻力曲线Fig.3 Ship model resistance of each scheme

图4 各附体减阻效果Fig.4 Drag reduction effects of each appendage

随着航速的提高，虽然长防溅条能够在一定程度上减小飞溅阻力，但是飞溅冲击力会引起船体纵倾角度θ增大（如图5所示），不利于船体推进和稳定性，单独通过增加防溅条长度来减小阻力的方案B 不适用于本船体。艉部压浪板或阻流板产生的埋艏力矩能够很好地平衡由于防溅条带来的抬艏力矩，因此，长防溅条和压浪板或阻流板的组合能够很好地减小船体纵倾角，并且整段式压浪板的效果优于三段式。

图5 各方案对纵倾角的影响Fig.5 Influence of each scheme on trimming angle

与阻力变化趋势相同，Fr大于0.8 以后，阻流板改善航行姿态的能力要优于压浪板，进一步验证了压浪板和阻流板都是通过改善航行船体姿态实现减阻的。进一步分析，本模型的纵倾角度变化最大不超过7°，相同航速下，纵倾角改变所带来的摩擦阻力变化不明显，单位排水量总阻力Rt/Δ 的改变更多的是由单位排水量剩余阻力Rr/Δ 所引起，艉部附体的增加能够改善艉部流场环境，通过降低剩余阻力来达到减阻的效果。航速增加，阻流板所带来的剩余阻力减阻值变大，随着航态的改善，兴波阻力和粘压阻力得到优化。随着航速进一步增加，阻流板可能会引起埋艏。值得注意的是，方案A 在0.5 ＜Fr＜0.8 区间内纵倾角出现震荡，此时船模的载况属于半载状态，排水量较小，震荡的速度段位于航态过渡阶段，长、短防溅条的单独加装都会引起小范围纵倾角度的不稳定，因方案B 的试验数据点在该阶段较方案A 少，因此未表现出震荡。当吃水达到满载状态后，该种震荡消失，此时船体对因防溅条引起的航态变化具有更强的抗干扰能力。因本船型长宽比较小，压浪板的作用力臂相对较短，整个航速段船体并未因整段式压浪板的存在产生埋艏。

2.2 正常排水量航行姿态

对方案B、C、E不同航速下船体航行姿态、周围流场进行对比，如图6所示。

图6 不同附体方案船体周围飞溅比较Fig.6 Comparison of splash around hull of different appendages

随着航速增加，船体纵倾严重，在艉部形成明显“鸡尾涡”。此时，船体艏部水流以一定入射角紧贴船体表面开始向后、向上喷射，并且随着航速的增加，作用范围和强度逐渐变大，喷射水流受防溅条阻碍作用迅速调转方向射向水面，在船体周围形成白色“幕帘”。同时，纵倾角度越大，喷射水流与防溅条的接触点越靠后，而压浪板能够减小船体纵倾角度，将喷射水流与防溅条的接触点控制在船艏附近。Fr＞1以后，船体艏部飞溅明显，试验过程中船体产生不稳定抖动。

3 满载排水量试验

正常排水量下整段式压浪板的效果要优于分段式，船体并未产生埋首现象，满载排水量下着重开展防溅条和整段式压浪板、阻流板的组合附体阻力试验，研究不同附体在阻力和纵倾角度减小方面的作用效果。具体安装情况如表3所示，用·表示已安装该附体。

表3 组合附体方案Tab.3 Combined appendage schemes

如图7所示，三种方案阻力的变化趋势一致，先急速增长，后趋于缓和。方案C的阻力始终要小于方案A，长防溅条和压浪板的组合在整个航速段起到有效减小阻力的效果，并且随着航速的增加减阻效果逐渐明显，直到Fr=0.7 以后趋于稳定；在Fr=0.438 之前，方案D 的阻力要大于方案A，长防溅条和阻流板的组合并没有起到减小阻力的效果，反而使阻力增大。直到Fr=0.5之后，方案D的减阻效果逐渐变得明显，此时，水面开始出现飞溅现象，压浪板和阻流板在高速下皆能明显增加艉部鸡尾涡，增加船体“虚长度”，降低兴波阻力。随着航速的提高，阻流板在船底产生的高压区能够抬升船体，改善航行姿态，并且在Fr=0.8 以后因阻流板带来的减阻效果大于压浪板，在更高航速下依然保持该规律不变。

图7 各方案船模阻力Fig.7 Ship model resistance of each scheme

如图8 所示，方案C 的减阻值先增后减。低速时，减阻值较小，减阻效率较低，随着速度的增加，减阻值逐渐增大，在Fr=0.875 时达到最大，最大减小阻力20.4%，此时的长防溅条和压浪板的组合效果最佳。速度继续增加，减阻值开始减小，减阻效果开始衰减，但在服务航速段依然具有明显减阻效果，该规律与一半油水载荷情况下略有不同。方案D 的阻力变化曲线具有两个转折点，在Fr=0.438时达到最大增阻11.7%，之后减阻趋势和方案C 相同，在Fr=0.875 时达到最大，最大减小阻力21.4%，此后减阻效率逐渐降低，降低速度要低于方案C。综上所述，方案D 更适用于高速排水型船。

图8 各附体减阻效果Fig.8 Drag reduction effects of each appendage

三种方案的纵倾角随着航速的增加而呈增加趋势，如图9 所示。低速时，方案C 的纵倾角度要大于方案A，但阻力却小于方案A，此时，压浪板改善尾流产生的减阻值小于姿态改变产生的阻力增值。三种方案中，D 的航态最佳，θ始终小于3°，Fr=0.7 以后纵倾角趋于平稳，相比于方案A，最大纵倾角度降低70%，纵倾角度的改善能够降低剩余阻力，这也是阻流板能够减小航行阻力的重要原因。此外，因阻流板的存在，低速时会产生埋艏，造成阻力增加。

图9 各附体方案对纵倾角的影响Fig.9 Influence of each scheme on trimming angle

4 结果讨论

由上述试验结果可知，高航速情况下两种排水量对应的附体减阻效果有所差异，主要差异航速段位于Fr＞0.875 以后，短防溅条船体的阻力和纵摇角发生变化，通过绘制两种排水量下的方案A 阻力和纵摇曲线进行进一步分析，如图10所示。

图10 阻力和纵倾角对比Fig.10 Comparison of resistance and trimming angle

正常排水量和满载排水量因重浮心存在差异，不同航速下的姿态角不相同，正常排水量下的纵倾角度始终要小，各组合附体在不同排水量下的减阻效果较稳定。当Fr＞0.875以后，正常排水量与满载相比，阻力和纵倾角的曲线斜率变大，增长趋势开始增加，此时，飞溅阻力急剧增加，艏部飞溅产生的动升力将船体艏部抬升，纵摇角度增加，使原本平稳的阻力增值急剧增加，正常排水量情况下船体基础阻力较小，增加的飞溅阻力更容易影响总阻力，因此总阻力增加迅速，附体减阻效果明显。正常排水量情况下船体的航行Fr最好要小于0.875。