排水式高性能船舶分类与评价

排水式高性能船舶分类与评价高性能船舶的研发与推广应用备受国内外造船界的青睐，其船型更是国际著名学者机构研究的热点。这类船舶种类繁多，新船型层出不穷，日新月异，在各类船舶中是新思想最丰富、最有创新、也最有活力的领域；其高航性、优良的耐波性、低物理场辐射特征、舒适安全性、良好的经济性等性能受到军事和民用领域的极大关注，拥有良好的发展前景。高性能船舶具有的特点是：具有高水平的综合航海性能，以及具有完善的满足其主要使用要求的船舶功能。其中所谓的“高水平的综合航海性能”，最主要的标志就是高速性能和优良的耐波性能；其次是经济性好、运载能力较大，以及环境舒适和形态关。高性能船舶按照其支撑力可以分为排水式和非排水式高性能船舶两类——其中排水式船为静水力支撑，而非排水式则由空气静（动）力或水动力支撑。本文主要介绍排水式高性能船舶。具体来说排水式船舶即静浮力为主要的升力，而升力为其次甚至可以忽略的船舶。排水式高性能船舶在高速航行的时候，船体水线面以下的部分仍然在水面以下，并没有浮出水面，并且其阻力和其他相关性能问题可以认为与航态无关。此时的体积傅罗德数Fr▽小于0。排水式高性能船舶主要有以下几种：高性能排水式单体船常规高速双体船小水线面双体船高速穿浪双体船（WPC）高性能排水式单体船首先介绍一下瘦长船舶的概念:瘦长船舶指的是船的长度L与宽度B很大的那些船。瘦长船的概念被广泛用于船舶流体力学的理论研究中，在这种情况下，可使问题大大地简化并得到解答。排水式船舶为了减小船体在水面处产生的兴波，从而减小兴波阻力，在船型变化上可以将靠近水面处船体的排水容积向水深方向处移动，这样使水线面变小，即形成所谓的小水线面船型。一般说来，船型的变化与排水体积相对自由表面的位置主要取决于航速和耐波性等要求。影响船舶阻力的性能的因素很多，严格来说，船体任何微小变化都会影响到船舶性能的改变。无论是对于阻力问题的分析，还是在船舶设计中对阻力的估算，只要能够正确的选择和确定与船舶阻力性能关系最为密切的几个重要船型参数或者系数，就能基本上把握和控制船舶的快速性能。对于不同航态的船舶，影响阻力性能的几个重要参数也是不同的。对于高速排水式船舶的过渡航态来说，由于船体的兴波作用较强，主要应考虑与兴波阻力有关的几个船型参数。他们是船舶的棱形系数Cp=V/AmL、修长系数^=L/V1/3、宽吃水B/T比和长宽比L/B等。耐波性能的优劣程度，由耐波性品级指标R和几个重要的船型几何特征通过简明的关系直接联系起来。这个耐波性品级指标的大小可以用于综合评价高速排水式船舶的耐波性，也可以用来选择具有最佳耐波性的高速排水式船型的初步设计。耐波性品级指标R与六个具有影响的水下船型参数之间的关系为：R=8.422+45.104Cwf+10.078Cwa-378.465T/L+1.273C/L-23.501Cvpf-15.875Cvpa由此可知，耐波性主要是与船首尾端的垂向棱形系数、水线面积系数和船长吃水比L/T等有关。新一代的排水式高性能船舶的水动力设计原则是在不牺牲或尽可能少牺牲快速性的前提下，来追求耐波性的改善。在设计中实现这个原则的最大困难往往是要平衡和协调二者对船型有不同的要求的矛盾。对于新一代的高性能排水式船舶的四种船型因素变化的趋势是：增大船舶的长度；船的排水容积和重量的后移；保持适当的干舷。常规高速双体船常规双体船是由两个具有相同线型且对称平行不值得水面附体（称为片体）所组成。与相同的排水量的单体船相比，由于一个船体分成两个，所以双体船片体的长度系数^=L/V1/3或者长宽比L/B都较大，这对于减小水面兴波和降低兴波阻力和形状阻力会产生明显的效果。特别是随着航速的提高，双体船较其他排水量船型更能保持处在低兴波状态中。除了在快速性方面的优点外，与单体船相比，高速双体船还有其他许多方面的优点:<①双体船最突出的优点是有良好的居住条件和特别宽敞的甲板面积，因而双体船与达到同样要求的单体船相比能够降低自重和造价。双体船的稳定性特别好，在静水中的横摇衰减快，致使在不规则波上的摇摆消失的快。由于两个螺旋桨轴线和片体间距都比较大，因此双体船具有良好的操纵性和机动性。两个推进器的双体船比一般常规双桨单体排水量船有较优的推进性能。因为双体船的螺旋桨至于每个片体的纵中剖面上，其工况如同单体船一样，处在船体伴流之中，桨的工作效率高。在侧向受风时，双体船比相同受风面积的单体船横漂要小。因为双体船的稳性好，所以装卸货物时不必严格按配载表进行。双体船在保持最佳尺度比的情况下，比单体船易于保证具有较小的吃水，I因此双体船更适合内河浅水水域航行。双体船也有一定的缺点，双体船的缺点主要有以下几点:厂①双体船片体间存在兴波干扰，一般来说这将增加一种附加的干扰阻力。双体船的排水量与单体船相同时，其湿面积大大增加。此外，双体船连个片体之间的绕流速度显著提高，片体间的边界层相互影响大大增加。因此双体船的摩擦阻力大于单体船。双体船船壳面积大，双体之间有联结桥，因而同单体船比较，在载重量相I同时，其排水量较单体船打，从而阻力增加。小水线面双体船小水线面双体船(SmallWater-Plane-AreaTwinHull)，缩写作SWATH船。(又称为半潜式双体船(Semi-SubmergedCatamaran)，缩写为SSC)。为了满足日益发展的海上运输和军事方面的需要，人们一直在努力探索新的船舶设计概念，开发新的船型。SWATH的概念就在这种前提下应运而生。减小船在波浪中运动的最有效的办法，就是设法减小引起船运动的波浪的扰动力矩。而减小船的水线面积，将大部分排水体积移至远离水线面的深处，是减小波浪扰动力矩的最好办法。也是SWATH概念产生的基础。SWATH的主船体是由两个相同的片体和一个横向连接桥组成。联结桥和水不接触，因而对船的水动力性能不产生影响。但他却提供了全部的使用空间和面积。两个片体却提供了全部的浮力，它们的几何特性决定了船的性能。这种双体特征给船的快速性和耐波性产生了一些特殊的影响：快速性方面：双体之间的兴波干扰以及由此而引起的对兴波阻尼大小和变化规律的影响；由于双体对片体间的水流产生的“阻塞”效应，不但增大了水的流速，而且引起了横向流动，使水流复杂化。耐波性方面：双体的存在使小水线面双体船的横向尺度增大、横向尺度与纵向尺度很接近，所以使得船体的横摇固有周期与总要的固有周期也很接近。船舶就容易产生横摇与纵摇的耦合运动。SWATH是在普通双体船型的基础上发展起来的一种新船型。它有着许多其他船型所不及优点。从SWATH的优缺点可以看到他的应用前景和发展方向。SWATH的主要优点有：f①在高航速时，静水阻力性能和波浪中阻力性能好。推进效率高。[③耐波性好，能在恶劣海况下平稳的航行。从使用性来看，他与常规双体船一样，具有宽广的甲板面积和充裕而完整的使用空间，有利于总体的布置。低速时，穿的回转性好。建造成本低，建造周期短。稳定性好，具有较强的生存能力。同样，SWATH同样存在不少缺点:I①湿面积大，摩擦阻力较大。②船体结构重量要比相同排水量的单体船要大。SWATH的池水和船宽要大于详单排水量的单体船。当船的吨位增大时，有可能受到航道和船坞的限制。由于要保证在较高航速时的纵向运动的稳定性，SWATH均需要安装前后稳定鳍及其控制系统，这不但增加了船舶的重量和建造成本，也给设计工作带来新的内容，对设计人员的素质要求也因此提高。因为SWATH水线面积小，所以每厘米吃水数很小，载重量变化对池水变化非常明显。在设计和使用过程中，不但要对船的重量及其分布精确控制，而且还必须设置类似潜艇所设的压载调整补偿系统。此外，破藏后的SWATH的浮态是相当恶劣的。由于航向稳定性好，所以在航速较高时，回转半径较大。对小型SWATH来说，由于下体横向尺寸的限制。主机必须安放在在联结桥两侧，然后应用传动装置。将主动功率传至装在船体后端的螺旋桨，推动船的前进。这样的传动装置既复杂又昂贵，。对船内布置也带来困难。舾装，辅机设备数量较多，要求高，重量大。由于上述原因，SWATH无论从船体的结构、主机推进系统、辅机设备系统、仪器等方面都要比单体船复杂、数量多、技术要求高。因此，SWATH的造价也很高。这也许是迄今为止SWATH在民用方面推广缓慢的原因之一。但是对于军用船舶来说，考虑到“相当使用效能”这一概念，SWATH的造价也许不再是一个影响推广使用的主要因素。总之，从SWATH的优缺点来看，这种船型的优势在于其优异的耐波性，宽阔的甲板面积，和充裕的使用空间。其不足之处在于它的船体结构的强度，设备的复杂质量较大，以及由此带来的一系列问题。高速穿浪双体船(WPC)高速双体船保留了小水线面双体船的低阻，高耐波性及常规双体甲板面积宽敞的优点。同时融汇了深V船型的特点，克服了小水线面双体船的片体无储备浮力，空间狭小和要求复杂的航态控制系统和传动系统等缺点，也克服了常规双体船的连接桥离水高度小，片体干舷高储备浮力过大，对波浪响应敏感，船体纵摇和横摇周期接近，易出现“螺旋状”摇摆而引起乘客不适等缺点。因此穿浪双体船特有的船型构造赋予了它高速，优良耐波性，稳性好，舒适，吃水线，甲板宽敞和回转性能好等高水平的综合航海性能。同时还具有，建造工艺简单，使用成本低和技术风险小等特点。由