扰流板深度变化对穿浪双体船静水阻力试验的影响

扰流板深度变化对穿浪双体船静水阻力试验的影响

双向船体是澳大利亚incat在1984年开发的一种新类型的舰队。这与深v船和小水线船的优点相结合。在较高的海况下，可以保持较高的航行速度。尖削的艏部线型使它能在中小波浪中穿浪而过,并保持较平稳的航行姿态;深V型线型的中间船体能防止船体在大浪中钻浪并减小艏底砰击。由于上述性能优点,穿浪双体船得到了广泛应用,但还存在一些不足,如航速有一定的适用范围,在长度傅氏数小于0.8时,阻力较高(相对于高速圆舭而言),船体结构较为复杂,耐波性受使用海域波长的影响等。为了进一步提高穿浪双体船的航速,并扩大航速使用范围,在不降低耐波性能的前提下,我们开展了穿浪双体船减阻措施的试验研究。考虑到穿浪双体船片体线型对耐波性有很大影响,因此在减阻措施的选取上,我们不改变片体线型,而主要采取在片体艉部加设扰流板、楔形板的方式。所谓艉扰流板就是紧贴着船尾封板垂直下伸的直板(图1),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,国外在高速艇上已初步使用,但在穿浪双体船上开展试验,我们的研究还是首次。楔形板则是沿船尾底部敷设的(图2),其安装角α、长度Lw、高度hw对船体阻力有一定的影响,宽度常与船尾宽度相同,常在高速艇上应用。1操纵角度对双体船浮船的阻力的影响穿浪双体船容积傅氏数为2.0～3.0(相当于长度傅氏数0.7～1.2),处于排水航行到滑行状态之间的过渡状态,其阻力受航行纵倾角的影响较大。同时,穿浪双体船艏部尖削,艏部船体提供的浮力较小。应用艉扰流板或楔形板后,船尾流场会发生变化,艉部压力会升高,产生艏倾力矩,对航行纵倾角及阻力带来影响,其影响规律如何,是我们关注的重点,于是我们对两种典型片体线型的穿浪双体船开展了艉扰流板减阻模型试验研究,并与楔形板减阻效果进行了比较。1.1部斜升角试验采用A、B两个模型,模型A材料为玻璃钢,模型B为木质。模型A、B的主要区别在于艉部,模型A艉底部斜升角为7°,模型B艉底部斜升角为0°。此外,模型A舯前1.3m处两片体的底部各设置了展长为216.7mm、平均舷长为58.3mm的水翼,水翼安装角为-2°(抬首为正),有关水翼可参考相关资料。1.2静水阻力试验对模型A进行了无艉扰流板、艉扰流板深度t=0.7%ba、1.74%ba3种状态的静水阻力试验。对模型B进行了无艉扰流板、艉扰流板深度t=1.32%ba、2.65%ba、5.29%ba以及楔形板5种状态下的静水阻力试验研究。ba为艉部船底宽度。楔形板的安装角α=10.15°,楔形板长Lw=2.51%Lwl。2扰流板深度对b型船阻力的影响测量记录参数如下:船重、艏/艉吃水、水温、拖车速度、艏/艉升沉变化、阻力、纵倾变化值。实际纵倾值θ为初始纵倾、纵倾变化值之和,艉倾为正。由于两个模型的排水量不相同,在进行阻力分析时,根据ITTC推荐的二因次换算法将模型阻力试验结果换算成排水量为250t实船的阻力。摩擦阻力系数采用1957年ITTC推荐的相当平板公式,实船粗糙度补贴系数Δcf=0.4×10-3。图4给出了艉扰流板对A型船总阻力的影响,图中Rts为总阻力,Ws为排水量。由于A型船艉扰流板深度t=0.7%ba与无艉扰流板时阻力非常接近,故图4中未给出t=0.7%ba时的阻力。从图4可知:当长度傅氏数Fn<0.383时,艉扰流板(t=1.74%ba)引起A型船阻力增加;当长度傅氏数Fn>0.383时,艉扰流板引起A型船阻力减少,在阻力峰值处(Fn≈0.525)阻力减少4%,在Fn=0.765时减阻效果最大,约为6%。之后,随着长度傅氏数的增加,减阻率下降,在Fn=0.915时减阻率为1.7%,若继续增大长度傅氏数,则会引起阻力增加。图5给出了艉扰流板深度变化对B型船阻力的影响。从图5可知:当艉扰流板深度t=1.32%ba时,在所测试的速度范围内,B型船总阻力减少8.5%～14.2%,在Fn=0.934时,减阻效果最佳,阻力减少量达14.2%;在Fn<0.934时,艉扰流板深度2.65%ba的减阻效果与1.32%ba的减阻效果基本相当,当Fn≥0.934时,艉扰流板深度2.65%ba的减阻效果小于1.32%ba的减阻效果,尤其是在Fn=1.114时,前者的减阻率为1.30%,后者的减阻率为11.73%。进一步增加艉扰流板深度到5.29%ba,在Fn≥0.934时,阻力反而增加。综合分析图4、图5可知:艉扰流板深度对穿浪双体船总阻力的影响较大,艉扰流板的深度过小,无减阻效果;过大,不仅会引起高速时阻力增加,而且使减阻范围减少。适宜的艉扰流板深度约为1%ba～2.5%ba,当然还应考虑船型对艉扰流板减阻效果的影响。图6、图7、图8和图9分别给出了艉扰流板对A型船、B型船航行姿态(纵倾角θ、重心处船体上抬Zgr)的影响。由图6、图7及图8、图9可知:在所测试的速度范围内(Fn=0.23～1.11),艉扰流板使纵倾减少、重心处船体上抬,并且随艉扰流板深度的增加,纵倾减少量、重心处船体上抬量增大;当长度傅氏数Fn>0.53时,艉扰流板使纵倾角随航速的增加快速下降,若艉扰流板深度较大,很容易在中高速时(Fn>0.8)出现艏倾,造成埋首,引起阻力急剧增大。图10、图11分别给出了艉扰流板对A型船、B型船剩余阻力系数Cr的影响。对比分析图4、图5和图10、图11可知:设置合适深度的艉扰流板,具有减阻效果,减阻效果的取得来源剩余阻力的减少。这是因为在所测试速度范围内A、B型船的容积傅氏数均小于2.8,还是处于排水航行状态,尽管设置艉扰流板后,重心处船体上抬了,但航行纵倾角减少,艏部下沉;同时艉扰流板尺度很小,船体总的浸湿面积变化不大,艉扰流板引起摩擦阻力的变化不大。当然,艉扰流板会引起尾部流场的变化,对形状阻力会有所影响,这有待于精确的流场测量,值得进一步研究。为了比较艉扰流板、楔形板的减阻效果,图5还给出B型船采用经过优化设计的楔形板时的阻力。关于楔形板尺度、安装角变化对模型B阻力的影响,可参考研究报告。从图5可知:艉扰流板深度t=1.32%ba时比经过优化设计的艉部楔形板的减阻效果还要明显一些。由此可知,设计优良的艉扰流板的减阻效果至少与经过优化设计的艉部楔形板的减阻效果相当。值得注意的是,在安装和调整方面,艉扰流板比艉部楔形板更方便。这是因为在新船型的设计中,现阶段还必须开展模型试验研究,但由于模型和实船的流动现象难以完全相似,常导致按模型试验结果设计的楔形板在实船试航中还需要调整,而这一调整需要船体上船台,实施起来极不方便。而沿着船尾板安装的艉扰流板容易设计成活动的结构,其高度可根据实船试航结果灵活调整,不需要船体上船台。3扰流板的减阻效果1)艉扰流板可以调整穿浪双体船的航态,达到有效降低阻力的目的,减阻率可达6%～14%。2)艉扰流板深度对穿浪双体船总阻力的影响较大,艉扰流板深度过小,无减阻效果;过大,不仅会引起高速时船体埋艏,阻