五体船阻力性能试验研究

五体船阻力性能试验研究

越来越多的多艘船（ssmh）引起了国际造船界的广泛关注。目前，五艘船的研究和开发已成为许多著名的国际学术会议，如s名称、fast、rina等。五艘船的基本含义是，在水动力学优化的主船两侧加上四个稳定的小浮体。静浮时，左右两个浮体轻微可见，前两个浮体的骨头线位于满水线上。结果表明，五艘船的体型和特点如下：低速度阻力、高适性、稳定性好、总配置和结构优势。作为一种新船型,首要问题之一是快速性,这是评价新船型优劣的基本依据之一.阻力研究途径包括理论计算方法和船模试验研究方法.本文着重应用船模试验研究方法对五体船型的阻力性能进行系统的研究.五体船船模阻力的各项试验在上海交通大学拖曳水池进行.1模型选择1.1主尺度参数优化由于4个侧体的存在,五体中主体长宽比L/B可以不顾及稳性要求,取较大值,以实现减少其兴波阻力的目的.但L/B较大意味着船体湿表面积较大,因此选取的L/B值应使主体总阻力最小.宽度吃水比B/T、方形系数CB等也是影响剩余阻力的重要因素.本文采用文献的方法对主尺度进行优化,选取L/B=14～16、B/T=1.9～2.2、CB=0.46～0.61的一系列主尺度参数,采用64系列船模图谱进行主体的航速估算.综合考虑阻力、空船重量等因素后,选取了一组主体主尺度参数.在对某优秀单体船型线进行修改后,得到了本船的主体型线,并按1∶40比例制造了船模.其主要参数如表1所示.1.2侧体的改进试验主体型线生成后,需要选择侧体型线形式.某些五体船资料显示,侧体的尾部呈现一种直削的深方尾形状.为此采用这种形式的侧体进行了初步试验,发现过深的方尾致使尾部水流被强烈激起,形成“鸡尾”,如图1所示.因此侧体型线形式最终修改为普通的尾部平滑过渡形式.侧体修改后的阻力试验显示,“鸡尾”大大减小,船模总阻力在某些航速降低最高达20%.试验证明了侧体的方尾不能过深.改进前后的侧体型线对比如图2所示.1.3对称水体对应各试验方案的侧体形式如下:(1)方案1,考察后侧体位置影响.本文在横向和纵向各选取了3个位置,共9个位置方案进行阻力试验;选取其中的最优位置,进行后续的各试验方案.本项试验采用后侧体组A.(2)方案2,考察后侧体对称性影响.对于单体船,不对称船体总是劣于对称船体;在五体船中,主、侧体间因存在兴波干扰,不对称后侧体有可能降低总阻力.本项试验采用半边平面半边曲面的后侧体组B(平面面对主体).为使试验结果与方案1具有可比性,后侧体组B的排水量、长宽比、吃水与A相同.(3)方案3,考察后侧体排水量大小影响.三体船的单个侧体约占全船排水量的3%,五体船多出的2个前侧体允许后侧体排水量进一步降低,在这里减小至1.3%.本项试验采用后侧体组C、D.(4)方案4,考察后侧体长宽比影响.本项试验采用不同长宽比(排水量、吃水、方形系数均相同)的后侧体组C、D相互比较.(5)方案5,考察前侧体有静水吃水情况的影响.本项试验采用前侧体组E、后侧体组A.方案1～4中前侧体没有静水吃水,故未予以关注.以某优秀单体船为基础进行修改后,得到了各侧体型线,并按1∶40比例制造了船模,其主要尺度参数如表2所示.表中:Δs、Δo分别为单个侧体及全船排水量.2船模阻力的确定为了对各方案进行合理的考察比较,须将模型试验阻力换算为实船阻力,在此采用二因次法.对模型,设:SM0为主体湿表面积;SM1为单个后侧体湿表面积;SM2为单个前侧体湿表面积;SM为总湿表面积;ρM为水的密度;vM为航速.对实船,设:SS0为主体湿表面积;SS1为单个后侧体湿表面积;SS2为单个前侧体湿表面积;SS为总湿表面积;ρS为水的密度;vS为航速.考虑到粗糙度补偿系数,在前侧体无静水吃水的情况下,实船阻力为RS=ρSSSv2S(Cr+0.0004)/2+ρSSS0v2SCfS0/2+ρSSS0v2SCfS1(1)在前侧体有静水吃水的情况下,实船阻力为RS=ρSSSv2S(Cr+0.0004)/2+ρSSS0v2SCfS0/2+ρSSS1v2SCfS1+ρSSS2v2SCfS2(2)式中:Cr为剩余阻力系数,在前侧体有、无静水吃水的情况下分别为Cr=RM−ρMSM1v2MCfM1−12ρMSM0v2MCfM0−RΜ-ρΜSΜ1vΜ2CfΜ1-12ρΜSΜ0vΜ2CfΜ0-ρMSM2v2MCfM212ρMSMv2M)(3)12ρΜSΜvΜ2)(3)Cr=RM−ρMSM1v2MCfM1−12ρMSM0v2MCfM012ρMSMv2M(4)Cr=RΜ-ρΜSΜ1vΜ2CfΜ1-12ρΜSΜ0vΜ2CfΜ012ρΜSΜvΜ2(4)RM为模型阻力,CfM0、CfM1、CfM2分别为船模主体、后侧体、前侧体摩擦阻力系数;CfS0、CfS1、CfS2分别为实船主体、后侧体、前侧体摩擦阻力系数,均按照1954ITTC公式计算.本文中所有阻力数据均为换算到实船的结果.3比较试验结果和分析3.1横向位置对cr稳定影响三体船或五体船各体间的兴波干扰对阻力的影响是最近的热点问题,文献针对三体船进行了研究.本文选取的后侧体组A较文献的侧体短粗.后侧体的9个位置对应图3中l=0,32,64m3个纵向位置和b=10.5,15.75,21m3个横向位置.速度相同时摩擦阻力相同,本文只比较全船剩余阻力系数以反应阻力特性.各位置在不同弗劳德数Fr下的剩余阻力系数曲线如图4所示.由图4可见,后侧体的纵向位置变化对Cr的影响尤为明显,而横向位置变化影响较弱.总体而言,Cr约在Fr=0.3～0.35处于谷点,在Fr=0.45以后接近或处于峰点;但l=32m的3个位置,在Fr=0.3～0.35处于峰点,说明纵向位置的变化可能会变谷点为峰点.随着Fr的变化,Cr在l=64m的3个位置起伏最大,l=0时最小.9个位置均未在全航速范围内保持最低的Cr值;综合来看,可以认为l=0的3个位置较优.l=0的3个位置的摩擦阻力占总阻力的比值η如表3所示,大致为50%～65%.η较高处对应Cr谷点,较低处对应峰点.3.2两组患者的摩擦阻力将后侧体组B置于l=0,b=15.75m处(此位置命名为P2),平面侧对着主体.图5所示为本方案试验结果与后侧体组A位于P2时的Cr曲线比较.后侧体组B的Cr在全航速下均高于后侧体组A的Cr,因此,其摩擦阻力也较大.除非有特殊理由,不宜选择不对称侧体.3.3c、d之间的阻力比较将后侧体组C、D分别置于P2试验,两者与后侧体组A置于P2的Cr曲线如图6(a)所示.由图6(a)可见,C、D之间相比,较细长的D的Cr稍小,但差别不大;C、D与A相比,A在低速情况下Cr明显偏大.三者总阻力RS曲线如图6(b)所示,C、D之间非常接近;C、D与A相比,在Fr=0.24时,低于A20%,在Fr=0.43时,低于A4.5%.若以每吨排水量总阻力评价阻力性能,则减小后侧体排水量有效地提高了阻力性能.3.4前侧体静水饮水对sr的影响令后侧体组A位于P2,前侧体组E位于图3中m=110m处试验(吃水1.2m).前侧体组E有、无静水吃水的RS如图7所示.由图可见,有静水吃水时RS总阻力增加1.7%～3.4%.因此,从快速性的角度看,前侧体有静水吃水并不合适.3.5体船的快速性本次试验阻力中,后侧体组C置于P2时最优.将其每吨排水量阻力与某优秀单体船相比,在18kn航速下降低18%,20kn下降低15.6%,24kn下降低17.2%,25kn下降低19.8%,这证明五体船具有优秀的快速性.如能对各船体进行完整的型线优化,快速性有望进一步得到提高.从阻力角度看,五体船完全具有继续深入研究的价值.4干扰阻力试验通过对五体船进行的阻力试验研究,可以得到如下结论:(1)侧体型线方尾不宜过深,应选用过渡平缓的型线;(2)主、侧体间兴波干扰影响阻力的规律较为复杂;从全航速范围看