匡培欽，柳存根，汪學(xué)鋒，周翀劍

(1. 高新船舶與深海開(kāi)發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240；2. 上海交通大學(xué) 船舶與海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

摘 要: 為改善五體船在空載及小搖蕩時(shí)的耐波性,論文通過(guò)在五體船主船體和片體之間加裝水翼構(gòu)造水翼五體船，在此基礎(chǔ)上借助耐波性通用軟件 HydroSTAR 對(duì)不同水翼攻角水翼五體船及原五體船耐波性計(jì)算，并對(duì)相關(guān)耐波性指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，以此研究水翼五體船的攻角優(yōu)化問(wèn)題。通過(guò)對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，水翼五體船的縱搖幅值、橫搖幅值及垂蕩幅值明顯低于五體船，且在低頻波段 NACA4415 翼型水翼五體船最優(yōu)攻角在 10° 左右。

基于 HydroSTAR 的水翼五體船耐波性?xún)?yōu)化研究

匡培欽1,2，柳存根1,2，汪學(xué)鋒1,2，周翀劍1,2

(1. 高新船舶與深海開(kāi)發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240；2. 上海交通大學(xué) 船舶與海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

摘 要: 為改善五體船在空載及小搖蕩時(shí)的耐波性,論文通過(guò)在五體船主船體和片體之間加裝水翼構(gòu)造水翼五體船，在此基礎(chǔ)上借助耐波性通用軟件 HydroSTAR 對(duì)不同水翼攻角水翼五體船及原五體船耐波性計(jì)算，并對(duì)相關(guān)耐波性指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，以此研究水翼五體船的攻角優(yōu)化問(wèn)題。通過(guò)對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，水翼五體船的縱搖幅值、橫搖幅值及垂蕩幅值明顯低于五體船，且在低頻波段 NACA4415 翼型水翼五體船最優(yōu)攻角在 10° 左右。

水翼；五體船；耐波性

0 引 言

五體船是一種由一個(gè)經(jīng)過(guò)水動(dòng)力優(yōu)化處理的細(xì)長(zhǎng)型主體與前后兩側(cè)配備的 4 個(gè)提供穩(wěn)性的片體組成的多體船[1-2]，五體船以其在耐波性、適航性、阻力性能及節(jié)能減排方面的優(yōu)秀表現(xiàn)已引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[3-5]。但在空載或小搖蕩時(shí)由于 2 個(gè)前片體在水面之上，則五體船各性能與三體船無(wú)異[6]，致使空載耐波性削弱。1981 年美國(guó)華盛頓大學(xué)的 Calkins 首次提出多體水翼船的概念[7-8]，多體水翼船是水翼船與多體船的融合船型，兼具多體船和水翼船的優(yōu)點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要集中在雙體水翼船方面的研究。

本文基于以上兩點(diǎn)，針對(duì)水翼五體船進(jìn)行耐波性?xún)?yōu)化分析。水翼五體船是以五體船為依托，通過(guò)在主船體及片體之間加裝水翼構(gòu)造而得的復(fù)合型五體船，靜浮時(shí)前水翼橫向傾斜半出水，后水翼橫向水平下潛水中。本文借助耐波性通用軟件 HydroSTAR 計(jì)算在波浪中的縱搖、垂蕩、橫搖等運(yùn)動(dòng)，研究加裝不同攻角水翼對(duì)五體船耐波性改善情況。

1 耐波性計(jì)算方程

1.1 縱搖、垂蕩耦合運(yùn)動(dòng)方程

船舶在波浪作用下，沿 z 軸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)為垂蕩，繞 y 軸的往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)便是縱搖。垂蕩的運(yùn)動(dòng)情況可以用縱向位移 z、縱向位移速度及縱向位移加速度¨ 體現(xiàn)，縱搖的運(yùn)動(dòng)情況可以用縱搖角度 θ、縱搖角速度θ˙及縱搖角加速度體現(xiàn)。

根據(jù)切片法思想，某處垂向相對(duì)位置：

式中：X 為縱向位置；θ 為縱搖角。等效波面方程為：

則可得切片所受流體動(dòng)力如下：

流體靜力

興波阻力

附加慣性力

式中：NH為阻尼系數(shù)；MH為附加質(zhì)量；V 為船速。

沿船長(zhǎng)積分可得垂蕩力及縱搖力矩：

根據(jù)牛頓第二定律可得船體垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)方程：

式中：D 為排水量；IYY為縱向慣性矩。

1.2 橫搖運(yùn)動(dòng)方程

在波浪作用下，船體會(huì)繞 x 軸往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，這種轉(zhuǎn)動(dòng)便是橫搖。橫搖的運(yùn)動(dòng)情況可以用橫搖角度 φ、橫搖角速度˙ 及橫搖角加速度來(lái)體現(xiàn)，并規(guī)定從船尾向船首看時(shí)，順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎鏁r(shí)針?lè)较驗(yàn)樨?fù)。根據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律，可以得到船舶平衡條件方程：

式中：I’xx為總慣性矩；φ 為橫搖角；am為有效波傾角；D 為排水量；N 為橫搖阻尼力矩系數(shù)；h 為初穩(wěn)性高。

由 am=am0sinωt ，可將平衡條件方程改寫(xiě)為：

將上式各項(xiàng)均除以 I’xx，并引入新符號(hào)：

可得橫搖運(yùn)動(dòng)方程：

2 耐波性計(jì)算

2.1 計(jì)算軟件說(shuō)明

本文采用挪威船級(jí)社 BV 的 HydroSTAR 水動(dòng)力分析軟件進(jìn)行垂蕩、縱搖、橫搖的分析計(jì)算。Hydro-STAR 軟件基于三維勢(shì)流理論，能夠在有限水深或無(wú)限水深的環(huán)境條件下對(duì)單個(gè)或多個(gè)船體及海洋結(jié)構(gòu)物的波浪載荷及波浪誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行完整的求解。通過(guò)將HydroSTAR 計(jì)算所得 Wigley 單體船的垂蕩及縱搖響應(yīng)幅值算子與 Wigley 船體模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn) HydroSTAR 的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值相吻合[9]，用 Hydro-STAR 軟件對(duì)耐波性進(jìn)行分析計(jì)算比較可靠。

2.2 模型參數(shù)

本文研究重點(diǎn)為加裝不同攻角水翼對(duì)五體船耐波性的改善情況，主船體及片體采用 Wigley 船型，水翼采用 NACA 四位數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)翼型。Wigley 船型是國(guó)際上通用的一種數(shù)學(xué)船型，船型瘦長(zhǎng)，符合線性理論小擾動(dòng)假定[10]，NACA 四位數(shù)字翼型是美國(guó) NACA 最早建立的一個(gè)低速翼型系列，有較高的最大升力系數(shù)和較低的阻力系數(shù)，適合用于快速艇水翼[11]。船型參數(shù)及翼型參數(shù)見(jiàn)表 1和表 2。

五體船的側(cè)體布局優(yōu)化基本朝同一趨勢(shì)發(fā)展，前側(cè)體縱向位置基本穩(wěn)定在主船體船中附近，后側(cè)體縱向位置則主要集中于主船體尾部，若假定前后側(cè)體的橫向坐標(biāo)一致，則其大致分布于距船中縱剖面 1.5 倍半船寬位置[9]。本文據(jù)此將前側(cè)體置于主船體船中稍前位置，后側(cè)體置于船尾，前后側(cè)體橫向位置一致，位于 1.5 倍船寬處。水翼均置于側(cè)體中間部分，用于連接 4 個(gè)側(cè)體和主船體。后水翼橫向水平，前水翼從前側(cè)體向下斜插入水中。具體船型如圖 1和圖 2 所示。

表 1 船型參數(shù)Tab. 1 Parameter of pentamaran

表 2 翼型參數(shù)Tab. 2 Parameter of hydrofoil

2.3 計(jì)算設(shè)置

本文主要研究加裝不同攻角水翼對(duì)五體船耐波性的改善，選擇前水翼出水狀態(tài)進(jìn)行比較分析，故用小波浪海況進(jìn)行計(jì)算，這里選取有義波高為 1 m 的非規(guī)則波作為計(jì)算海況。分別計(jì)算迎浪、斜浪和橫浪 3 種浪向下 -2°～14° 范圍內(nèi)各標(biāo)的攻角水翼五體船耐波性指標(biāo)，進(jìn)行對(duì)比分析。分析計(jì)算流程如圖 3 所示。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

考慮到前后水翼的升力作用主要對(duì)垂蕩、縱搖及橫搖產(chǎn)生影響，下文便從垂蕩、縱搖及橫搖 3 個(gè)方面進(jìn)行參數(shù)化分析。

為了便于不同尺寸模型對(duì)比分析，這里分別引入標(biāo)準(zhǔn)化變量垂蕩響應(yīng)因子 HP、縱搖響應(yīng)因子 PP和橫搖響應(yīng)因子 RP：其中：L 為主船體船長(zhǎng)，m；H 為垂蕩響應(yīng)幅值，m；P 為縱搖角度幅值，（°）；R 為橫搖角度幅值，（°）。

3.1 水翼五體船與五體船耐波性對(duì)比分析

當(dāng)相對(duì)低速時(shí)，NACA4415 翼型的失速攻角為14°，且在 -2°～14° 范圍內(nèi)升力系數(shù)隨攻角增大而增大[13]，這里選取中值 6° 攻角作為水翼五體船代表與五體船進(jìn)行耐波性指標(biāo)對(duì)比，計(jì)算結(jié)果如圖 4 所示。

由圖 4 可看出，對(duì)于垂蕩和縱搖，無(wú)論在迎浪還是斜浪情況下，水翼五體船響應(yīng)因子明顯低于五體船，這是由于在垂蕩和縱搖時(shí) 2 個(gè)前水翼同時(shí)增加或減少入水比例，對(duì)應(yīng)增加或減少相對(duì)升力指數(shù)，增強(qiáng)回復(fù)力，使得垂蕩及縱搖回復(fù)性能得到明顯改善。對(duì)于橫搖，在高頻波段水翼五體船響應(yīng)因子明顯低于五體船，但在低中頻波段改善情況不顯著，這可能是由于橫傾時(shí)左右水翼出水不一致，導(dǎo)致低頻波周期與船體自身橫搖周期相接近，引起共振效應(yīng)抵消了水翼帶來(lái)的回復(fù)力增加值，而高頻波周期遠(yuǎn)小于船體橫搖周期，共振效應(yīng)不明顯，回復(fù)力增加減小橫搖幅值?？傮w來(lái)說(shuō)，加裝水翼構(gòu)造的水翼五體船相對(duì)五體船耐波性可以得到明顯提高。

3.2 水翼五體船最優(yōu)攻角分析

據(jù)長(zhǎng)周期統(tǒng)計(jì)，波浪周期在 11 s 以下的概率為96.17%，其中波浪周期在 7～9 s 范圍內(nèi)出現(xiàn)頻率最高，可達(dá) 35.87%[13]。這里對(duì)選取 0.15 rad/s 波浪下為分析對(duì)象，進(jìn)行最優(yōu)攻角分析，計(jì)算結(jié)果如圖 5 所示。

由圖 5 可看出，在攻角 -2°～14° 范圍內(nèi)，不同攻角對(duì)垂蕩、縱搖和橫搖的影響走勢(shì)相同?？傮w來(lái)看，攻角角度較小時(shí)隨著攻角的增大各響應(yīng)幅值呈減小趨勢(shì)，但在 10° 以后，隨著攻角的增大，各響應(yīng)幅值又隨之增加。水翼對(duì)耐波性的影響由其產(chǎn)生的升力造成，在 -2°～14° 攻角范圍內(nèi)升力系數(shù)隨攻角增大而增大[12]，升力系數(shù)增加直接致使水翼升力對(duì)耐波性的改善力度增加，垂蕩、縱搖及橫搖時(shí)回復(fù)力矩增大，響應(yīng)幅值減??；但 NACA4415 翼型的失速攻角為 14°，在靜浮攻角接近失速角時(shí)，隨船舶在波浪中姿態(tài)的改變，實(shí)際攻角有可能會(huì)超過(guò)失速角，致使整體升力期望值下降，對(duì)耐波性的改善程度亦會(huì)隨之減小。另外，在不同浪向下不同攻角對(duì)耐波性的改善情況走勢(shì)一致，這是由于水翼所產(chǎn)生的升力變化僅與船舶姿態(tài)及攻角直接相關(guān)，而與外部波浪情況相關(guān)度不大。綜合來(lái)看，計(jì)算結(jié)果與理論預(yù)期相吻合，對(duì)于NACA4415 翼型水翼五體船最優(yōu)攻角在 10° 左右。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于 HydroSTAR 軟件通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)比分析了加裝水翼構(gòu)造水翼五體船對(duì)耐波性的改善情況，并通過(guò)不同水翼攻角的對(duì)比分析得出了NACA4415 翼型水翼五體船最優(yōu)攻角。通過(guò)計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，加裝水翼可以明顯降低垂蕩、縱搖及橫搖的響應(yīng)幅值，在低頻波段 NACA4415 翼型水翼五體船最優(yōu)攻角在 10° 左右。

本文是對(duì)水翼五體船耐波性?xún)?yōu)化的初步研究，基于經(jīng)典 Wigley 船型及水翼船通用 NACA4415 翼型，對(duì)于不同船型及不同翼型的組合最優(yōu)攻角可能會(huì)有所差別，對(duì)此有待進(jìn)一步研究。

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Research on seakeeping performance of hydrofoil-pentamaran by HydroSTAR

KUANG Pei-qin1,2, LIU Cun-gen1,2, WANG Xue-feng1,2, ZHOU Chong-jian1,2
(1. Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration, Shanghai 200240, China; 2. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

To improve the seakeeping in small waves and no-load conditions, a new Hydrofoil-Pentamaran with four hydrofoils between main hull and accessory hulls is put forward in the paper. The seakeeping indexes of normal Petamaran and the Hydrofoil-Pentamaran with different hydrofoil angles are analyzed by HydroSTAR software. We can find from the analysis that the pitch, roll, heave will be reduced by the hydrofoil between main hull and accessory hull and the best performance angle of NACA4415 hydrofoil is about 10°.

hydrofoil；pentamaran；seakeeping

U661.32

A

1672 - 7619(2017)02 - 0037 - 05

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2017.02.007

2016 - 05 - 27；

2016 - 06 - 14

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（2013CB036103）

匡培欽(1992 - )，男，碩士研究生，研究方向?yàn)槲弩w船性能優(yōu)化。