扰流板对半行走船的降阻作用

扰流板对半行走船的降阻作用

1船尾压浪板及扰流板的设置20世纪50年代，中国开始建造大量的滑动车辆和半滑动车辆，主要用于军事用途。80年代以后,各种民用滑行艇和半滑行艇的建造数量开始大幅增长。而大吨位半滑行船的研究则大约开始于20世纪90年代。半滑行船是在大吨位船型上应用半滑行船体,其主要结合了常规排水型船排水量大和滑行艇快速性好的优点。半滑行船的水动力性能与其航态有很大关系。国外一些研究者通过采取在舰船尾部加装艉楔、艉压浪板、艉楔/板结合体等措施,达到了降低舰船功率损耗并提高最大航速的目的。Yaakob等研究了在船尾添加压浪板,通过调节压浪板的角度,使降阻平均可达4.5%;Cusanelli等同样研究了在船尾添加压浪板,给出了实船节能效果并已在实船中得到了应用。我国也对其进行了研究;左文锵等通过在穿浪双体船船尾添加扰流板(所谓艉扰流板,就是紧贴着船尾封板垂直下伸的直板,其宽度与船尾板宽度相同,深度可根据需要调节,是一种新型的节能装置)并进行实验,证明加装扰流板具有较好的减阻效果,且安装和调整更为方便。上述文献主要是针对满载状况进行的研究,本文将在单体船的船尾添加扰流板,对满载、空载和压载3种状况下的减阻效果进行对比分析与研究。2半活动船:进入航道状态通常,是按体积傅汝德数FrΔ来划分船舶的3种航态,其中式中,υs为船舶航速,m/s;g为重力加速度,为9.81m/s2;为船体静浮时的排水体积,m3。为排水航行状态,这一航速范围内的船舶统称为水面排水型船舶;为过渡状态(也称半滑行状态),这一航速范围内的船舶称为过渡型船,又称半滑行船;为滑行状态,这一航速范围内的船舶称为滑行艇。通常,排水型船舶的优点是大型化,但不能高速化;滑行艇的优点是高速化,但不能大型化。而半滑行船则兼具两者的优点,如美国的“自由”号濒海战斗舰就属半滑行船型。船舶在航行时的航态与静态不同,并且其航态是随航速的变化而变化。当在垂直方向出现运动和位移时,表明其不但受静力的作用,还存在着流体动力的作用。船体在航行时,沿垂直方向的力平衡关系为:式中,Δ为船体排水量,N;ρ为水的密度,kg/m3;为船体在航行过程中的排水体积,m3;L为沿垂直方向作用在船体上的流体动力(或称升力),N。半滑行船在过渡状态时,流体动力L占船体总浮力的比重不可忽视,其对船舶阻力具有较大影响,与船舶的航态(升沉和纵倾)也有很大关系。半滑行船的阻力可以通过航态的控制得到改善。在船尾添加扰流板会改变艉部压力分布变化,从而可调整船舶的航态。文献介绍了飞机翼板扰流装置(GurneyFlap)原理,并指出在稳流条件下,在船尾添加扰流板的基本流体动力学原理与其相似。因扰流板的高度与半滑行船的航态及其载况有密切关系,故本文先分3种载况(98.8kg、152.4kg和259.7kg)对其进行试验,然后分别在这3种载况下,于船尾加上不同高度的扰流板(2mm、3.5mm和5mm)并对其进行试验,以研究不同高度扰流板在不同载况下船模的水动力性能。3船舶试验3.1船模阻力rtm半滑行船的型线图如图1所示。船模为木质材料,船长3.833m,型宽0.758m,型深0.321m,设计吃水0.204m,最大排水量259.7kg。阻力试验在拖曳水池进行,拖曳水池的尺寸为160m×7m×3.7m。数字控制的拖车速度范围为0.01~8m/s,速度精度为0.1%。静水中船模的总阻力Rtm通过电测试阻力仪(NS-30)测量。阻力仪的最大量程为25kg(250N),精度为0.1%。船模的升沉与纵倾变化由传感器测量。自动数据采集系统由高速数据采集卡、放大器和工控机组成,收集到的数据输入计算机进行处理。3.2船模纵倾和升沉3种载况下的阻力、纵倾及升沉如图2~图4所示。由图2可看出,船模阻力是随航速的增大而增大;在同一航速下,船模阻力随压载的增大而增大。由图3可看出,船模纵倾是随航速的增大而增大;在同一航速下,船模纵倾随压载的增大而增大。当0.24<Fr<0.4时,船模的纵倾角度不超过0.5°;随着傅汝德数的增大,当0.4<Fr<0.57时,船模的纵倾角显著增大,分别达到2.57°、1.58°和1.02°;0.57<Fr<0.73时,船模的纵倾角变化不大。由图4可看到,船模的升沉为负值,同一航速下,船模的下沉是随压载的增大而增大。当0.24<Fr<0.48时,船模的升沉随航速的增大而增大,至Fr=0.48时,达到最大,分别为26.08mm、15.96mm和12.88mm;当0.48<Fr<0.73时,船模升沉随航速的增大而减小。3.3扰流板的高度在不同载况下,在船尾分别加装高度为2mm、3.5mm及5mm的扰流板,以研究扰流板高度对船模阻力、纵倾及升沉的影响。为便于比较,用I表示扰流板的高度,其中I=0mm表示不加扰流板。Rtm表示不加扰流板时测得的总阻力值,RtmI表示不同I值条件下对应的总阻力。3.3.1扰流板的升沉随转速的变化由图5可观察到,当0.3<Fr<0.47时,高度为2mm及3.5mm的扰流板起到了降阻作用。其中扰流板高度为2mm,且Fr=0.34时,船模的降阻最大,达到了2%。在其它傅汝德数下,未起到降阻作用,并且其中高度为5mm的扰流板的降阻效果最差。由图6可看出,同一航速下的纵倾随着扰流板高度的增加而减小,其中,扰流板高度为5mm时船模的纵倾值最小。当Fr=0.58时,船模纵倾达到最大,分别为0.5°、0.2°和0.1°;当0.24<Fr<0.45以及0.68<Fr<0.83(扰流板高度为2mm和3.5mm)时,船模纵倾角为负值,船模埋首造成船模阻力增大。由图7可看出,当0.24<Fr<0.76时,船模的升沉随着扰流板高度的增加而减小;当Fr<0.48时,船模的升沉随着航速的增大而增大,至Fr=0.48时达到最大;当Fr>0.48时,船模的升沉随着航速的增大反而减小。扰流板高度为5mm时对船模的升沉作用效果最明显。3.3.2扰流板的升沉值由图8可看到,当0.31<Fr<0.72时,扰流板起到了降阻作用,其中扰流板高度为2mm,Fr=0.35时的降阻率最大,达到了4%。在其它傅汝德数下,扰流板未起到降阻作用。由图9可看出,同一航速下的纵倾随着扰流板高度的增加而减小,其中扰流板高度为5mm时船模的纵倾值最小。当0.24<Fr<0.43以及Fr>0.75(扰流板高度为5mm)时,船模纵倾角为负值,船模埋首是造成阻力增加的原因。由图10可看出,船模的升沉值先是随着航速的增加而增大,在Fr=0.48时达到最大,然后便随着航速的增加而减小。另外,船模的升沉值是随着扰流板高度的增加而减小。3.3.3船模纵倾角和升沉值由图11可看出,当0.41<Fr<0.73时,在船尾添加扰流板对船模可起到降阻的作用,降阻率达2%~6%,其中扰流板高度为5mm时的降阻效果最好。由图12可看出,当0.24<Fr<0.41时,船模纵倾角为负值,船模埋首是造成阻力增加的原因。同一航速下的纵倾是随着扰流板高度的增加而减小,其中扰流板高度为5mm时,船模的纵倾值最小。由图13可看出,船模的升沉值先是随着航速的增加而增大,在Fr=0.48时达到最大,然后便随着航速的增加而减小。船模的升沉值是随着扰流板高度的增加而减小,在扰流板高度为5mm时效果最明显,这与图8和图11所反映的规律是一致的。4扰流板的降阻效果1)扰流板高度随着船模压载的不同而对船模总阻力起降阻作用。在载况为98.8kg时,高度为2mm的扰流板对船模的降阻效果最好,最大降阻可达2%;在载况为152.4kg时,高度为2mm的扰流板对船模的降阻效果最好,最大降阻可达4%;在载况为259.7kg时,高度为5mm的扰流板对船模的降阻效果最好,最大降阻可达6%。2)当0.24<Fr<0.41时,船模的纵倾角度不超过0.5°,随着Fr的增加,其纵倾值显著