王許潔,孫樹政,趙曉東,李積德
(哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院多體船技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,黑龍江哈爾濱150001)
在方尾高速水面艦船上加裝艉板,是一種方便有效的減阻節(jié)能措施,在國(guó)內(nèi)外已得到一致認(rèn)同.研究結(jié)果表明,加裝艉板可以改變艦船尾部流場(chǎng)分布,改善尾流波形,從而起到減阻節(jié)能的作用[1-4].近年來(lái),哈爾濱工程大學(xué)研發(fā)一種千噸級(jí)深V單體復(fù)合船型[5],該船型在船艏底部加裝了由流線型半潛體和一對(duì)艏鰭組成的減搖組合附體,在波浪中航行時(shí)能夠產(chǎn)生較大的減搖穩(wěn)定力矩,實(shí)現(xiàn)了耐波性的大幅度提升.本文對(duì)深V單體復(fù)合船型加裝艉板后的航行性能進(jìn)行了研究,通過水池模型試驗(yàn)和理論計(jì)算[6-8],比較了深V原船型、深V單體復(fù)合船型、加裝艉板的深V單體復(fù)合船型三者的阻力和耐波性能,分析了艉板對(duì)深V單體復(fù)合船型航態(tài)、阻力及耐波性的影響.
試驗(yàn)在哈爾濱工程大學(xué)船模拖曳水池進(jìn)行.試驗(yàn)?zāi)P偷目s尺比為1:25,材料為玻璃鋼,主尺度見表1.
表1 艦船模型尺度Tab le 1 M ain dimensions of the ship
減搖組合附體由一流線型半潛體和對(duì)稱安裝在其兩側(cè)的一對(duì)三角翼組成,其中,半潛體中縱剖面為NACA翼型,橫剖面為橢圓形,尺度見表2.鰭的平面為三角形,剖面為ЦАГИ翼型,尺度見表3.艉板弦長(zhǎng)取船長(zhǎng)的1.5%,尺度見表4.
表2 半潛體尺度Table 2 Dimensions of sem i-submerged body
表3 鰭的尺度Table 3 Dimensions of the fin
表4 艉板尺度Table 4 Dimensions of the stern flapmm
考慮減搖組合附體布局對(duì)復(fù)合船型阻力性能的影響,選定組合附體的安裝位置:半潛體艏緣位于0站處,艏緣中心在基線下20 mm;鰭的艏緣位于0站后310 mm,安裝示意圖見圖1.艉板安裝在尾封板處,取下反角α=5°,安裝示意圖見圖2.
圖1 減搖組合附體安裝示意Fig.1 The fitted situation of appendage
圖2 艉板安裝示意Fig.2 The fitted situation of stern flap
對(duì)深V原型V0、復(fù)合船型Va,以及加裝艉板的復(fù)合船型Vaf進(jìn)行了靜水阻力試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見圖3,其中R為阻力,V為對(duì)應(yīng)速度.圖4、5為各船型靜水航行時(shí)的升沉和縱傾曲線,其中,Z為升沉值,θ為縱搖角(尾傾為正),V為對(duì)應(yīng)速度.
由試驗(yàn)結(jié)果可見,Va、Vaf船型的靜水阻力在低速時(shí)略大于V0船型,隨著航速的提高,逐漸與V0船型接近,而高速航行時(shí)比V0船型略有減小.Vaf船型的靜水阻力與Va船型相比,航速0.92m/s(相當(dāng)于實(shí)船9 kn)時(shí),前者比后者增加2.8%,航速1.54 m/s(相當(dāng)于實(shí)船15 kn)時(shí)兩者基本相當(dāng),在之后的試驗(yàn)速度范圍內(nèi),Vaf船型靜水阻力小于Va船型,航速2.16 m/s(相當(dāng)于實(shí)船21 kn)時(shí),阻力減小約2%.
圖3 靜水阻力曲線Fig.3 Still water resistance resu lts
圖4 靜水中航行升沉曲線Fig.4 Sinkage in still water experiments
圖5 靜水中航行縱傾曲線Fig.5 Trim in still water experiments
分析其原因,低速航行時(shí)摩擦阻力占總阻力的比例較大,Va、Vaf船型加裝附體增加了船體濕表面積,同時(shí),由升沉曲線可見兩者的下沉比V0船型大,進(jìn)一步增加了濕表面積,因此兩種船型的總阻力比V0稍大,而Vaf船型由于艉板的原因濕表面積增加,其阻力也略有增加.隨著航速的提高,興波阻力在總阻力中所占比例增大,Va、Vaf船型由于減搖組合附體的作用,在船首產(chǎn)生了有利的興波干擾,減小了興波阻力,當(dāng)興波阻力的減小量大于摩擦阻力的增加量時(shí),2種船型的總阻力便小于V0船型.此時(shí),主要有2個(gè)原因使得Vaf船型的阻力性能優(yōu)于Va船型,1)艉板能起到壓浪的效果,減小船尾的“雞尾流”高度,減少碎波的發(fā)生,從而使興波阻力減小;2)艉板安裝的下反角使船尾的流場(chǎng)速度變慢,而根據(jù)伯努利方程,船尾的流速減小將導(dǎo)致尾部壓強(qiáng)增大,阻力減小.此外,從航態(tài)的變化來(lái)看,艉板使Vaf船型的升沉減小,縱傾角減小,這些因素也對(duì)減阻起到了一定作用.
為觀察船體表面壓力分布情況,進(jìn)一步驗(yàn)證分析結(jié)果,應(yīng)用Fluent軟件對(duì)Va、Vaf船型模型靜水航行進(jìn)行了CFD計(jì)算.計(jì)算對(duì)象為半船體,計(jì)算區(qū)域?yàn)榇?倍船長(zhǎng)、船后2倍船長(zhǎng)、半徑為10倍半寬的1/4圓柱,劃分網(wǎng)格數(shù)量為385 000,對(duì)船體艏部和艉部進(jìn)行了局部加密.
圖6為Va、Vaf船型模型在航速1.85 m/s(相當(dāng)于實(shí)船18 kn)和2.47 m/s(相當(dāng)于實(shí)船24 kn)時(shí)的尾部動(dòng)壓等值線.
由動(dòng)壓等值線可知,航速1.85 m/s時(shí),加裝艉板使尾部壓強(qiáng)由 752~827 Pa上升至1 305~1 492 Pa,平均增加了600 Pa左右;航速2.47 m/s時(shí),加裝艉板使尾部壓強(qiáng)由1 396~1 793 Pa上升至1 635~1 962 Pa,平均增加了200 Pa左右.可見,艉板的確改變了船體尾部的流場(chǎng)速度和壓力分布,使船尾壓強(qiáng)增大,起到了減少阻力和減小尾傾角的作用,這與前文分析結(jié)果是一致的.
圖6 Va船型尾部動(dòng)壓等值線Fig.6 The dynamic pressure contour on tail surface
對(duì)V0、Va和Vaf船型模型在相當(dāng)于實(shí)船18 kn(Fn=0.32)、24 kn(Fn=0.43)2 個(gè)航速下進(jìn)行迎浪規(guī)則波試驗(yàn),試驗(yàn)波幅為25 mm,波長(zhǎng)范圍為0.8~2.2倍船長(zhǎng).試驗(yàn)測(cè)量模型的阻力、升沉、縱搖以及艏部第1.5站處的垂向加速度.圖7~11為3種船型在不同航速下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)曲線.其中,λ為波長(zhǎng),L為設(shè)計(jì)水線長(zhǎng),R為阻力,Z為升沉值,ζa為波幅,θ為縱搖角,k為波數(shù),A1為艏部加速度,g為重力加速度.
Va、Vaf船型的減阻和減搖效果分別見表5、6.從試驗(yàn)結(jié)果可以看出:在試驗(yàn)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的3個(gè)航速下,Va、Vaf船型的阻力和耐波性能均比V0船型有了大幅提升,Vaf船型的綜合性能優(yōu)于Va船型.分析原因,是因?yàn)轸喊逶诤叫袝r(shí)與水流形成攻角,產(chǎn)生了較大的動(dòng)升力,增大了艦船的縱向穩(wěn)定力矩,抑制了艦船的縱向運(yùn)動(dòng),使Vaf船型的耐波性進(jìn)一步提高,航速越高,產(chǎn)生的動(dòng)升力越大,減搖效果越好,從而使Vaf船型波浪中阻力性能得到改善.
表5 復(fù)合船型減阻效果表Table 5 The resistance reduction of hybrid m onohu ll
表6 復(fù)合船型減搖效果表Table 6 The stabilizing effect of hybrid monohull
圖7 阻力曲線Fig.7 Resistanceresults
圖8 升沉運(yùn)動(dòng)響應(yīng)曲線Fig.8 Heaveresponse
圖9 縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)曲線Fig.9 Pitchresponse
圖10 艏部加速度響應(yīng)曲線Fig.10 Bowverticalacceleration
根據(jù)規(guī)則波的試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)V0、Va、Vaf船型采用ITTC標(biāo)準(zhǔn)單參數(shù)譜[5],計(jì)算了有義波高分別為1.25、2.0、3.2、5.0 m,在航速 18、24kn 時(shí)的單幅有義值,計(jì)算結(jié)果見表7,減搖效果見表8.
表7 實(shí)船耐波性預(yù)報(bào)Table 7 The prediction results of the real ship
表8 復(fù)合船型減搖效果Table 8 The stabilizing effect of hybrid monohull
從預(yù)報(bào)結(jié)果可以看出:在各級(jí)海況下,Va、Vaf船型的耐波性明顯優(yōu)于V0船型,加裝艉板后的Vaf船型耐波性比Va船型有了進(jìn)一步提升.
模型試驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析得出如下結(jié)論:
1)深V單體復(fù)合船型加裝艉板后,靜水航行時(shí)在低速極小范圍內(nèi)阻力略有增加,其余速度區(qū)間內(nèi)阻力有所減小;在波浪中航行時(shí),波浪增阻明顯降低.
2)加裝艉板能夠增大艦船的縱向穩(wěn)定力矩,使深V單體復(fù)合船型的耐波性進(jìn)一步提高.
可見,對(duì)深V單體復(fù)合船型,通過合理設(shè)計(jì)艉板的尺度以及選擇良好的水動(dòng)力布局,能夠使艦船的阻力性能與耐波性能進(jìn)一步提升.
[1]CAVEW L,CUSANELLID S.Effect of stern flaps on powering performance of the FFG-7 class[J].Marine Technology,1993,30(1):39-50.
[2]張大有,張艷.尾板對(duì)高速雙體船阻力性能影響的研究[J].船海工程,2006(6):20-23.ZHANG Dayou,ZHANG Yan.On the effect of stern plate upon resistance performance of the high-speed catamaran[J].Ship & Ocean Engineering,2006(6):20-23.
[3]盧曉平,酈云,董祖舜.幾種排水型高性能船阻力性能對(duì)比研究[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào),2006,18(1):34-41.LU Xiaoping,LIYun,DONG Zushun.Comparison of resistance for several displacement high performance vehicle[J].Journal of Naval University of Engineering,2006,18(1):34-41.
[4]紀(jì)亨騰,陳加榮,李為.艦船尾部改型的幾種措施[J].中國(guó)艦船研究,2006,1(3):41-46.JIHengteng,CHEN Jiarong,LIWei.Several stern modification measures for warships[J].Chinese Journal of Ship Research,2006,1(3):41-46.
[5]王許潔,孫樹政.千噸級(jí)高耐波性單體復(fù)合船型模型試驗(yàn)研究[J].船舶力學(xué),2011,15(4):180-187.WANG Xujie,SUN Shuzheng.Research on model test of thousands-tons class high seakeeping performance hybrid monohull[J].Journal of Ship Mechanics,2011,15(4):180-187 .
[6]李積德船舶耐波性[M].哈爾濱:哈爾濱船舶工程學(xué)院出版社,1992:134-157.
[7]孫樹政,趙曉東.加裝尾壓浪板單體復(fù)合船型運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào),2011,32(10):1-5.SUN Shuzheng,ZHAO Xiaodong.Research on motion prediction of hybrid monohull with stern flap[J].Journal of Harbin Engineering University,2011,32(10):1-5.
[8]YU Cao,YU Baojun,WANG Jianfang.Modeling the seakeeping performance of luxury cruise ships[J].Journal of Marine Science and Application,2010,9(3):292-300.