鄭 義 董文才

海軍工程大學(xué) 船舶與動力學(xué)院，湖北 武漢430033

高速輕型穿浪雙體船縱向運(yùn)動改善措施研究

鄭 義 董文才

海軍工程大學(xué) 船舶與動力學(xué)院，湖北 武漢430033

針對在改善高速輕型穿浪雙體船（WPC）迎浪中波長與船長接近時(shí)縱向運(yùn)動幅度較大的缺點(diǎn)，采用了理論計(jì)算與模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對250 t級穿浪雙體船開展了水翼改善縱向運(yùn)動的理論和試驗(yàn)研究，分析了水翼形式、尺度和安裝位置等對縱向運(yùn)動的影響規(guī)律。數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果的比較表明，計(jì)及水翼—船體水動力干擾影響的切片理論可滿足WPC加水翼后波浪中縱向運(yùn)動計(jì)算的需要，但在縱向運(yùn)動響應(yīng)峰值處數(shù)值計(jì)算結(jié)果偏高。模型試驗(yàn)表明，250 t級WPC加裝水翼后，迎浪縱搖和垂蕩有義幅值可減少20%～30%。

穿浪雙體船；縱向運(yùn)動；水翼；耐波性

1 引言

穿浪雙體船（WPC）綜合了深V型船和小水線面船的優(yōu)點(diǎn)，具有較好的耐波性、穩(wěn)性和快速性［1-2］，是目前國際造船界大力開發(fā)的新型船舶。該船型在我國也得到了高度重視，我國新研制的用于臺灣海峽的“海峽號”工作船也采用了穿浪雙體船型。然而，由于受到排水量以及船體尺度的限制，輕型WPC在一些海區(qū)的縱向運(yùn)動幅度仍然較大。尤其在海浪波長與船長較為接近的海區(qū)航行時(shí)，其垂蕩和縱搖幅值將會變大，存在暈船率較高的問題。國內(nèi)外高速船一般采用帶有自動控制系統(tǒng)的T型水翼和艉板裝置來改善WPC的耐波性［3-5］?？紤]到高速輕型WPC在國內(nèi)批量建造且其縱向運(yùn)動需要改善的客觀現(xiàn)實(shí)，在國家自然科學(xué)基金以及相關(guān)科研項(xiàng)目的支持下，開展了250 t級高速輕型WPC減搖水翼的理論及試驗(yàn)研究工作。

2 水翼參數(shù)設(shè)計(jì)

借鑒水翼船和水翼復(fù)合船型的水翼設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)［6-10］，可利用水翼在波浪中運(yùn)動時(shí)的附加質(zhì)量和阻尼來減小船的運(yùn)動響應(yīng)。圖1所示為250 t級WPC，編號為HG-01。結(jié)合此船型的特點(diǎn)，可采用首、中、尾3組水翼的設(shè)計(jì)形式。為保持WPC原有的穿浪航行特性，應(yīng)盡量減小水翼對原有航態(tài)的影響。在主要航速段，首中尾3組水翼的動升力應(yīng)基本抵消，這與水翼船或水翼復(fù)合船型［6-7］依靠水翼動升力來直接抬升船體是不同的。

圖1 HG-01船型的三維設(shè)計(jì)圖Fig.1 3D design sketch of the HG-01 WPC

首水翼主要發(fā)揮消波減阻的作用，兼有減縱搖和提供縱向平衡力矩的作用。將其安裝在片體穿浪艏內(nèi)側(cè)，從保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度考慮，可采用展弦比1.0～1.5的薄翼。首水翼還可采用帶下反角的安裝形式，以進(jìn)一步增大平均浸深，從而減少在大浪中出水的概率，并降低出水后下落時(shí)水翼受到的沖擊力。注意，首水翼消波減阻的效果還可部分抵消加裝水翼后的增阻。

中水翼主要起到減小船體垂蕩的作用?？v向位置靠近船體重心，貫通兩片體內(nèi)側(cè)，可采用V型且有后掠外形的薄翼。水翼V型結(jié)構(gòu)可以增大水翼平均浸深，還可減小出水后下落引起的沖擊力。而水翼的后掠外形，則可增大水翼投影面積，進(jìn)而增大附加質(zhì)量和阻尼。由于中部兩片體間跨度較大，應(yīng)在中水翼中部加設(shè)支柱，并與船體連接橋相接。

尾水翼主要起到減縱搖和提供縱向平衡力矩作用。將其安裝在靠近船尾處，可采用水平貫通片體兩側(cè)布置方式。由于船尾部受波浪影響較小，尾水翼外形可使用簡單平面矩形，并在中部加設(shè)支柱。

根據(jù)以上分析給出的水翼設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。表中，L為船片體的總長；Δ為全船排水量；為水翼相對厚度；c為水翼弦長。作為對比，中水翼采用A、B 2種方案，水翼安裝如圖2所示。

表1 水翼設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Hydrofoil design parameters

圖2 水翼安裝形式示意圖Fig.2 Profile of the hydrofoils

3 耐波性理論計(jì)算方法

3.1 理論計(jì)算方法概述

基于S.T.F法的切片理論，并計(jì)及船體和水翼的粘性及水翼升力的影響，建立了縱向運(yùn)動理論計(jì)算方法。假設(shè)航行區(qū)域水深無限，船以恒定速度作直線航行，入射波為規(guī)則波，波幅相等。采用右手直角隨船坐標(biāo)系OXYZ，其以船的平均速度隨船平移前進(jìn)。坐標(biāo)原點(diǎn)O位于未受擾動的靜水表面上，X軸指向船的前進(jìn)運(yùn)動方向，Y軸指向船左舷，Z軸通過船的重心垂直向上，XOY平面與靜水面重合，XOZ平面與船的中縱剖面重合。經(jīng)過簡化后的縱向運(yùn)動（縱搖與升沉）方程可以表達(dá)為［8］：

勢流部分?jǐn)?shù)值計(jì)算的關(guān)鍵是二維剖面振蕩速度勢和水動力系數(shù)的求解，本文采用弗蘭克精確擬合源分布法來求解水動力系數(shù)［8］。

3.2 水翼對船體水動力的影響

WPC加裝水翼后，水翼對其水動力系數(shù)及波浪擾動力和力矩有較大影響。從理論上進(jìn)行分析，水翼對WPC水動力的影響主要包括：翼升力的影響；水翼粘性力的影響；水翼和船體之間的干擾效應(yīng)等。

文獻(xiàn)［8］對小水線面雙體船鰭的計(jì)算給出了經(jīng)驗(yàn)公式，文獻(xiàn)［9］采用勢流理論對常規(guī)船舶加裝水翼（或鰭）進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算模擬。對水翼與船體之間的粘性影響，目前有效的計(jì)算方法是基于有限體積法的CFD方法等。

3.2.1 水翼升力系數(shù)的計(jì)算

表2 水翼升力系數(shù)計(jì)算結(jié)果比較Tab.2 Lift coefficient of the hydrofoils

3.2.2 附加質(zhì)量的計(jì)算

本文采用附連水質(zhì)量手冊法［13］和Sarpkaya法［14-15］計(jì)算水翼的附加質(zhì)量。這2種方法也是“理論計(jì)算+試驗(yàn)修正”的計(jì)算公式和圖表。作為簡化計(jì)算方法，忽略了振蕩頻率的影響。取附加質(zhì)量系數(shù)為：

表3 水翼附加質(zhì)量系數(shù)計(jì)算結(jié)果比較Tab.3 Added mass coefficient of the hydrofoils

4 理論計(jì)算方法的考核

4.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

為考核本文所提出的WPC加水翼縱向運(yùn)動理論計(jì)算方法，并從試驗(yàn)的角度來分析加水翼對WPC縱向運(yùn)動的影響規(guī)律，在中國特種飛行器研究所高速拖曳水池中進(jìn)行了模型試驗(yàn)。試驗(yàn)水池長 510 m，寬 6.5 m，水深 5 m。根據(jù) HG-01線型建造縮尺模型，如圖3所示。模型總長3.0 m，重量為68.5 kg。分別進(jìn)行了不加裝水翼、加裝水翼A方案和水翼B方案共3種狀態(tài)的迎浪規(guī)則波試驗(yàn)。3種狀態(tài)下重心縱向位置、重心高度和縱向慣性矩保持不變。

圖3 HG-01試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼掌現(xiàn)ig.3 Test model of the HG-01 light WPC

4.2 理論計(jì)算與模型試驗(yàn)結(jié)果比較

根據(jù)前文建立的計(jì)算方法，通過計(jì)算得到了水翼穿浪船的迎浪縱搖和垂蕩計(jì)算值。加裝水翼前后，垂蕩與縱搖響應(yīng)算子（RAO）的計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果值的對比如圖4、圖5所示。由圖4、圖5可見，在有水翼及無水翼狀態(tài)下，計(jì)算值與試驗(yàn)值相比，在運(yùn)動響應(yīng)峰值處計(jì)算值高于試驗(yàn)值；而在長波范圍內(nèi)（λ／L≥2.5）計(jì)算值則低于試驗(yàn)值。 當(dāng)在RAO相應(yīng)曲線的變化規(guī)律上，試驗(yàn)值與計(jì)算值總體相同。在水翼作用的影響上，試驗(yàn)值與計(jì)算值也表現(xiàn)了相同的規(guī)律， 即在 λ ／L=1.0～2.5 范圍內(nèi)，加裝水翼使垂蕩減??；在 λ／L=1.0～4.0 范圍內(nèi)，加裝水翼使縱搖減??；垂蕩和縱搖的響應(yīng)峰值減小在30%以上。

圖4 迎浪垂蕩RAO計(jì)算值與試驗(yàn)值比較Fig.4 Heaving RAO Cal.vs.Test

圖5 迎浪縱搖RAO計(jì)算值與試驗(yàn)值比較Fig.5 Pitch RAO Cal.vs.Test

5 水翼參數(shù)變化對縱向運(yùn)動的影響

5.1 中水翼參數(shù)的影響

對表1提出的A、B 2種中水翼方案，計(jì)算和試驗(yàn)得到的RAO如圖6和圖7所示。數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果均表明，2種方案RAO結(jié)果相近，垂蕩RAO 差別較小，而在 λ／L=1.8～3.2 時(shí)內(nèi) B 方案縱搖RAO小于A方案。

圖6 2種方案迎浪垂蕩RAO計(jì)算值比較Fig.6 Calculated heaving RAO foil A vs.B

圖7 2種方案迎浪縱搖RAO計(jì)算值比較Fig.7 Calculated pitch RAO foil A vs.B

5.2 首水翼和尾水翼參數(shù)的影響

只安裝首、中、尾水翼3組水翼中的一組時(shí)，計(jì)算得到WPC迎浪縱向運(yùn)動RAO如圖9和圖10所示。比較可知3組水翼中，中水翼減垂蕩效果顯著，而尾水翼減縱搖效果顯著。常規(guī)WPC多采用T型水翼和自控艉板進(jìn)行縱向運(yùn)動控制。相比而言，本文尾水翼的減搖效果與艉板相近，而中水翼的減垂蕩效果在輕型WPC上的減垂蕩效果更為明顯。

圖9 只安裝單組水翼時(shí)的垂蕩RAO計(jì)算值Fig.9 Heaving RAO with only one set of hydrofoils

圖10 只安裝單組水翼時(shí)的縱搖RAO計(jì)算值Fig.10 Pitch RAO with only one set of hydrofoils

在只裝有首水翼的情況下，變化首水翼縱向位置（選取30%L、24%L和20%L），計(jì)算得到的縱搖RAO如圖11所示。由圖中數(shù)據(jù)可知，首水翼越靠近船首（即越遠(yuǎn)離重心）減搖效果越好，同理易推知對于尾水翼是越靠近船尾 （同樣是越遠(yuǎn)離重心）減搖效果越好。但必須注意，首水翼消波減阻要求的安裝位置與船體興波特性相關(guān)，這也是本文設(shè)計(jì)中選取現(xiàn)有首水翼位置的原因。此方面內(nèi)容主要涉及阻力和船體波形的計(jì)算，本文不贅述。

圖11 首水翼縱向位置對縱搖RAO的影響Fig.11 Pitch RAO of different bow foil position

6 加裝水翼后耐波性的改進(jìn)

圖12 安裝水翼前后迎浪有義垂蕩值之比Fig.12 Relative significant heaving in seaway

圖13 安裝水翼前后迎浪有義縱搖值之比Fig.13 Relative significant pitch in seaway

理論計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)預(yù)報(bào)值相比，減垂蕩效果與試驗(yàn)結(jié)果較為接近，相差在10%以內(nèi)。減縱搖效果在Fn＝0.61和0.71時(shí)與試驗(yàn)結(jié)果相差10～15%，但預(yù)報(bào)減搖效果要大于試驗(yàn)所得減搖結(jié)果；而在Fn＝0.91時(shí)，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差達(dá)30～40%。總體上說，前文所建立的理論計(jì)算方法有一定指導(dǎo)意義，但還需進(jìn)一步改進(jìn)。

7 結(jié)論

1）為改善迎浪縱向運(yùn)動特性，對250 t級輕型穿浪雙體船加裝首、中、尾3組水翼，迎浪縱向運(yùn)動減小幅度可達(dá)20%～30%。首水翼采用小展弦比梯形翼，安裝在片體內(nèi)側(cè)中前部；中水翼采用大展弦比后掠翼，縱向安裝位置靠近船體重心，橫跨于2個(gè)片體之間；尾水翼采用大展弦比矩形翼，靠近片體尾部，同樣橫跨于2個(gè)片體之間；

2）基于S.F.T切片法，采用實(shí)用工程算法計(jì)算水翼升力系數(shù)和附加質(zhì)量，得到適用于加裝減搖水翼的雙體穿浪船迎浪縱向運(yùn)動理論計(jì)算方法。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較接近，可用于該船型初步設(shè)計(jì)階段耐波性的計(jì)算預(yù)報(bào)。

穿浪雙體船加裝水翼后，雖然迎浪縱向運(yùn)動有顯著改進(jìn)，但中低航速下的靜水阻力有所增大。后續(xù)研究將開展對翼型和水翼裝置進(jìn)行精細(xì)設(shè)計(jì)，以進(jìn)一步減小阻力。此外，還需進(jìn)一步完善耐波性理論預(yù)報(bào)方法，更充分地考慮水翼與船體間的相互干擾作用和非線性影響因素，以進(jìn)一步提升高航速段下預(yù)報(bào)精度。

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Improvement of Longitudinal Motion Performance of High Speed Light Wave－Piercing Catamaran by Hydrofoils

Zheng YiDong Wen－cai

College of Naval Architecture and Power， Naval University of Engineering， Wuhan 430033， China

The pitch and heave motion range of high speed light wave-piercing catamaran （WPC） in head sea would become much higher while wave length near the ship length.Theoretical approaches together with model test were induced to provide a longitudinal motion performance improvement for a 250 t WPC using hydrofoils.The influence of the hydrofoils parameters， such as the shape， size and mounting locations， were investigated.A comparison of numerical calculation results and test data suggests that the strip method， with hydrodynamic interactions between hydrofoil and the hull taken into account， is applicable to the longitudinal motion prediction of WPC with hydrofoils，though the calculated RAO is a little bigger which near the RAO peak value.Based on the model test data， the significant amplitude of heave and pitch of the tested model in head sea reduced 20%～30%with the hydrofoils installed.

Wave-Piercing Catamaran； longitudinal motion； hydrofoil； seakeeping

U661.32

A

1673-3185（2012）02-14-06

10.3969/j.issn.1673-3185.2012.02.003

2011-09-09

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50879090）

鄭 義（1981-），男，博士研究生。 研究方向：高性能船。E-mail：samcool10102＠yahoo.com.cn

董文才（1967- ） ，男，博士，教授。 研究方向：船舶流體力學(xué)。 E-mail：haigongdwc＠163.com

董文才。

［責(zé)任編輯：饒亦楠］