翼滑艇水动力特性实验研究

1、翼滑艇水动力特性实验研究陈淑玲，杨松林（江苏科技大学，船舶与海洋工程学院，江苏，镇江，212003）摘要：本文选择具有浅V滑行面及T型水翼11.8m翼滑艇进行船模实验研究。选择两个不同的初始安装角(-1.5º及0º)，分别进行拖曳实验，对实验结果进行综合分析比较，得到了该型翼滑艇阻力性能的有关结果、纵倾状态随航速的变化情况以及不同水翼安装角对阻力性能的影响。实验表明该船型在高速阶段阻力性能优于尺度相近的滑行艇，水翼设计符合要求。实验结果可应用于实船的设计。关键词：翼滑艇；阻力；拖曳实验中图分类号：U661.3 文献标识码：A0 引 言翼滑艇又称单水翼滑行艇，是水翼艇与滑行艇

2、相结合的产物，可广泛应用于内河、湖泊、港湾等风浪较小的水域1。前苏联曾经开展过一型单水翼滑行艇的研究并制造出实船进行实验，发现该型快艇在海洋中适航性能较差，就没有继续进行研究。中国拥有数量众多的内陆湖泊与河流，在这些区域中，风浪较小，翼滑艇在快速性上表现出一定的优势。与主尺度相近的滑行艇相比，翼滑艇在同等航速下阻力降低约5 15。在高性能船(HSV)研究领域，将不同船型进行“杂交”，吸取其不同的特点从而产生新的船型，是一种研究创新的有效手段2。翼滑艇在航行状态下，前部水翼承担50 60艇重，后部滑行面承担剩余部分，其航行状态亦可看作滑行艇与水翼艇的结合。因此，在对翼滑艇进行水动力分析的时候，往

3、往将两者特性结合起来研究。研究的手段有多种，主要分为理论手段与实验手段两种。文献3通过优化的方法，对包括翼滑艇在内的高速单体船进行快速性、操纵性的综合研究。实验方法的研究主要集中于滑行艇等方面，关于翼滑艇阻力性能的实验研究，尚未见到国内相关报道。相比于传统阻力性能实验，本文的创新点在于： 在底部滑行面上设置压力测量点，可以反馈滑行面压力变化情况，以此作为改善滑行面型线设计的重要依据； 水翼角度的调节，利用杠杆结构，具有方便性与可靠性双重特点。文献4利用长11.8 m滑行艇船体的1：8缩尺船模，进行的一系列裸船体阻力试验中，在底部滑行面上布置大量能够喷水的压力喷头，使底部压力不同位置均达到标准压

4、力。其目的在于使底部压力均一便于与采用CFD(计算流体力学)手段计算结果进行比较。文献5就三维滑行平板展开了利用CFD进行计算滑行面压力的研究。没有相关的实验数据进行验证。文献6开展了滑行艇实船的实验研究，主要研究内容为垂向运动速度及加速度，研究思路是从运动响应角度分析滑行艇的水动力性能，而没有对影响其性能的具体水动力因素进行分析。对11.8m长具有T型水翼与浅V型滑行面翼滑艇开展了快速性实验研究，分别就水翼安装角-1.5º与0º进行拖曳阻力试验。所测量的数据包括，不同航速下的拖曳力、首尾导航杆处垂向位置的变化、艇底4个压力测量点压力变化情况，并且可以采用几何的方法，利用首

5、尾导航杆处垂向位置的变化以及模型的型线图，测量与计算出航行纵倾、船体下沉和船体浸湿面积。1 船模与拖曳布置1.1 模型主尺度文中所采用的船型是11.8 m翼滑艇的1:10缩尺模型(见图1)。船模采用木夹芯玻璃纤维强化塑料制作。水翼采用铝板磨制，其框架采用不锈钢制作。在实验过程中，模型上甲板边缘安装有防止飞溅水的竖直挡板，高度为80mm。该挡板在实验中同时起到模拟上层建筑的作用。图1 模型肋骨型线Fig.1 Rib lines of model艇体为浅V型滑行艇艇型。其主尺度为d=0.5 m，L =11.8 m，B=3.2 m，=11.46 t。水翼的几何特性选取如下：水翼剖面为弓形，弦长b=5

6、00 mm，水翼展长L=3 900 mm，平均拱度C=0.06，浸深h= 0.5 m。水翼安装纵向位置为距离船首20 船长处。由于翼滑艇对于压载状态十分敏感，因此首先对模型进行排水量及重心纵向位置的测量。模型空重M0=6.2 kg，压载为5.0 kg。重心纵向位置为距离尾封板445 mm。1.2 测量方式及其装置需要测量的参数包括船模在相应拖曳速度点下的阻力、对应的首尾垂向位置以及4个压力测量点的压力数值。首尾垂向位置采用直线位移传感器测量，其问距126 cm。主要通过三角函数等几何方法计算纵倾以及重心垂向位置的变化。1.3 拖曳速度点的选取拖曳速度点的选择，需要包含设计速度并适当超越，需要体

7、现阻力曲线的变化情况一。考虑到模型与实船之问的缩尺比为1:10，选择如下：1) Vs=50 kmh与Vs =55 kmh，及在拖车最大拖曳速度取3个速度点；2)Fr=0.3与Fr=0.5分别取2个速度点；3)Fr=0.3与Fr=0.5之间取1个速度点，Fr=0.5与V =55 kmh之间取1个速度点；其余速度点在Fr<0.3时取。根据Frs=Frm，计算出所需的拖曳速度，即所需要的9个速度点。利用傅汝德相似可以计算出，拖车的拖曳点如下：0.6，1.3，2.1，2.7，3.7，4.1，4.4，4.6，4.8；单位为ms。目前我国快艇船模实验均采用自由纵摇的拖曳方式。在翼滑艇拖曳阻力实验中也

8、采用这种方式。拖点位置选取在6号站(重心位置)。垂向位置为距离上甲板向下45 mm，记录基线距离为55 mm。2 实验方案图2为4个压力测量点的位置。其中B点距离中轴线距离-60.0 mm(左舷)，C点距离中轴线距离150mm(左舷)，D点距离中轴线距离66.0 mm(右舷)。三者位于同一横截面上。图2 压力测量点的分布Fig.2 Distribution of points for pressure measure采用U型排管测量4个点的压力情况。压力点采用金属端口与外表面齐平，通过橡胶管与U型排管相连接。为了不影响压力测量，U型排管布置在拖车升降杆上，位于模型正上方。橡胶管中段束缚于升降杆

9、，自身重力作用施加于模型方向的力因此可以忽略不计。由于拖车稳定航行时间过短(510 S)，U型排管读数采用拍摄法进行记录，实验数据处理阶段再进行判读。水翼的安装角(初始攻角)有2个，分别是-1.5º与0º。在早期的研究中曾经尝试过更大的安装角+2.5º进行阻力实验。发现，初始攻角大于0º之后，其稳定航行阶段纵倾角过大(>10º)，而且其阻力性能在Fr>l之后表现的比之安装角-1.5º与0º的情况下要恶劣，所以在进行本研究时排除了安装角+2.5º的情况，而重点进行安装角-1.5º与0º

10、的研究。3 实验结果及分析3.1 阻力翼滑艇阻力特性与传统滑行艇相似8。阻力随着速度的增加，呈现先增大后减小，然后再次增大的趋势。即存在一个特征值速度。图3为实验进行时的照片：图3 实验进行时的照片 (Vs=3.74m/s)Fig3 Hydrofoil during test图4 不同水翼安装角下的阻力曲线Fig.4 Resistance curves with different hydrofoil installation angles将不同水翼安装角下阻力值进行比较发现，同等速度下，较大的水翼安装角对应阻力值较小。对应不同的水翼安装角，其特征速度均在Fr=0.6左右，对应速度为2.04

11、ms。3.2 航行纵倾航行纵倾与阻力变化表现出了相似的倾向。且较大的水翼安装角下，模型纵倾值在各个速度点下基本上都较大。其最大值为8.953。(0º水翼安装角)与8.241(-1.5º水翼安装角)。图5中横坐标为船长Fr，纵坐标为纵倾角度值。图5 不同水翼安装角下的纵倾曲线Fig.5 Trim angles at different velocity with different hydrofoil installation angle3.3 垂向位置的变化在模型阻力实验过程中，认为重心纵向位置(X )相对于模型保持不变，且模型前后纵荡很小(<10cm)，对其垂向位置

12、的变化影响经过三角关系换算之后很小，因此可忽略不计。得到其变化曲线(见图6)。重心在竖直方向上随着速度增加首先下沉，然后随速度增加至最大并稳定。图6 不同水翼安装角下的重心垂向位置曲线Fig.6 Vertical position curves of mass center with different installation angles3.4 湿面积的变化通过测量模型的纵倾及重心垂向位置变化，在图纸上可以得到不同速度下的水线位置。绘制新的水线，与各站位产生交点(左右舷对应2个点)。称从左舷点经过船底到达另-N点之间曲线为浸湿长度。从AutoCAD上可以量取之，再采用积分方法得到湿面积S。

13、湿面积随着速度增加逐渐减少(见图7)。在Fr=1.3处降低至原来湿面积的50。图7 不同水翼安装角下的湿面积曲线Fig.7 Wet area curves with different installation angles3.5 船底压力经过反复确认并比较，选取水翼安装角为0º下的压力数据进行分析。测量的压力数值指压力点前后压力值变化情况，而非其相对压力值。因此，压力点在静态下由于深度不同而产生的初始压力对于最终的结果没有影响。见图8，xp为压力变化值。A点压力变化值始终为负值。且4点压力绝对值均在Fr=1.1左右达到最大。这时对应的阻力值已经越过特征速度点，而纵倾值经过最大值点之

14、后略微回落。B、D两点阻力变化曲线基本一致。主要是因为两点关于中线左右基本对称。由于压力点过少，无法根据已有数据对模型滑行面上压力情况进行定量分析。BDCA4点压力值变化，由于滑行面可以认为是假设为小展弦比机翼，因此应用机翼绕流理论来进行解释。同时对应4点位置以及模型的纵倾状态，发现A点基本上位于速度最大点附近(可以对照机翼理论)。根据柏努利原理其压力值相对无穷远处数值(相对压力为0)要小，因此始终为负值。而其后3点已经位于相当于机翼下表面后段的位置，其压力值要增大。具体的数值变化情况需要采用PIV等设备测量各处流场的定量数值才能够进行分析，而这将在今后的工作中开展。4 结 论根据阻力实验得到

15、以下结论：1)翼滑艇阻力值在较大的水翼攻角下较小，但是其最大纵倾角较大。过大的纵倾角对于航行安全与乘客舒适程度是不利的。与滑行艇相比，翼滑艇特征速度出现的较早(Fr=06)。这主要是由于其前部的水翼提供升力作用，导致艇体提前抬升。如果减小水翼面积，降低其升力作用，特征速度相对延迟，从而设计航速可以选取更大的数值。2)随着速度增加，模型湿面积始终在减少，而纵倾角是先增大，而后略微减小，重心在垂向上先下沉而后抬升至Fr>1.2之后趋于稳定。通过分析，发现最大纵倾角与水翼浸深、水翼升力之间关系密切。适当改变水翼浸深，对升力影响作用不明显，而对最大纵倾角以及稳定纵倾角产生明显影响。3)底部滑行而

16、压力变化数值与纵倾角变化曲线趋势一致(先增大后略微减小)，而重心的垂向位置变化对其没有明显影响。与滑行平板理论进行比较可以发现，翼滑艇底部压力变化与纵倾角呈正比关系。对于同一型翼滑艇，实际上反映的是滑行面迎水角与压力变化为正比关系。在设计中，可以通过改变船底型线来改变底部升力。该实验为型线的设计提供了定量的参考。4)根据实验结果以及阻力性能、纵倾角综合分析，对于该型翼滑艇，建议选择Fr=1.0左右时的速度为设计航速；建议减小水翼浸深(10 左右)以减小最大纵倾角。参考文献：1 杨松林，张正满.凌波飞舟 高性能船舶M北京：国防工业出版社，20012 刘谦，庞立国，王鲁等高性能双体滑行艇设汁J船舶，2001(1)：15-173 董亮，杨松林高速单体船快速性与操纵性综合优化混沌算法J .江苏科技大学学报：自然科学版，2007，21(1)：7-114 杨海燕滑行艇船体性能的模型试验J国