王文江 宗 智 倪少玲 張 磊 陳志強(qiáng)

1 大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點(diǎn)實驗室，遼寧大連 116024 2 大連理工大學(xué)運(yùn)載工程與力學(xué)學(xué)部，遼寧大連 116024

1 引 言

20世紀(jì)50年代，我國就已開始大量建造并使用滑行艇和半滑行艇，主要用于軍事用途。80年代以后，各種民用滑行艇和半滑行艇的建造數(shù)量開始大幅增長［1］。而大噸位半滑行船的研究則大約開始于20世紀(jì)90年代。半滑行船是在大噸位船型上應(yīng)用半滑行船體，其主要結(jié)合了常規(guī)排水型船排水量大和滑行艇快速性好的優(yōu)點(diǎn)［2］。半滑行船的水動力性能與其航態(tài)有很大關(guān)系。國外一些研究者通過采取在艦船尾部加裝艉楔、艉壓浪板、艉楔／板結(jié)合體等措施，達(dá)到了降低艦船功率損耗并提高最大航速的目的［3-4］。 Yaakob 等［5］研究了在船尾添加壓浪板，通過調(diào)節(jié)壓浪板的角度，使降阻平均可達(dá) 4.5%；Cusanelli等［6］同樣研究了在船尾添加壓浪板，給出了實船節(jié)能效果并已在實船中得到了應(yīng)用。我國也對其進(jìn)行了研究［7］；左文鏘等［8］通過在穿浪雙體船船尾添加擾流板（所謂艉擾流板，就是緊貼著船尾封板垂直下伸的直板，其寬度與船尾板寬度相同，深度可根據(jù)需要調(diào)節(jié)，是一種新型的節(jié)能裝置）并進(jìn)行實驗，證明加裝擾流板具有較好的減阻效果，且安裝和調(diào)整更為方便。上述文獻(xiàn)主要是針對滿載狀況進(jìn)行的研究，本文將在單體船的船尾添加擾流板，對滿載、空載和壓載3種狀況下的減阻效果進(jìn)行對比分析與研究。

2 半滑行船型特點(diǎn)

通常，是按體積傅汝德數(shù)FrΔ來劃分船舶的3種航態(tài)，其中

式中，υs為船舶航速，m／s；g 為重力加速度，為9.81 m／s2；Δ為船體靜浮時的排水體積，m3。

通常，排水型船舶的優(yōu)點(diǎn)是大型化，但不能高速化；滑行艇的優(yōu)點(diǎn)是高速化，但不能大型化。而半滑行船則兼具兩者的優(yōu)點(diǎn)，如美國的“自由”號瀕海戰(zhàn)斗艦就屬半滑行船型。

船舶在航行時的航態(tài)與靜態(tài)不同，并且其航態(tài)是隨航速的變化而變化。當(dāng)在垂直方向出現(xiàn)運(yùn)動和位移時，表明其不但受靜力的作用，還存在著流體動力的作用。船體在航行時，沿垂直方向的力平衡關(guān)系為：

式中，Δ 為船體排水量，N；ρ為水的密度，kg／m3；Δ1為船體在航行過程中的排水體積，m3；L為沿垂直方向作用在船體上的流體動力（或稱升力），N。

半滑行船在過渡狀態(tài)時，流體動力L占船體總浮力的比重不可忽視，其對船舶阻力具有較大影響，與船舶的航態(tài)（升沉和縱傾）也有很大關(guān)系。半滑行船的阻力可以通過航態(tài)的控制得到改善。

在船尾添加擾流板會改變艉部壓力分布變化［10］，從而可調(diào)整船舶的航態(tài)。文獻(xiàn)［11］介紹了飛機(jī)翼板擾流裝置（Gurney Flap）原理，并指出在穩(wěn)流條件下，在船尾添加擾流板的基本流體動力學(xué)原理與其相似。因擾流板的高度與半滑行船的航態(tài)及其載況有密切關(guān)系，故本文先分3種載況（98.8 kg、152.4 kg 和 259.7 kg）對其進(jìn)行試驗，然后分別在這3種載況下，于船尾加上不同高度的擾流板（2 mm、3.5 mm和5 mm）并對其進(jìn)行試驗，以研究不同高度擾流板在不同載況下船模的水動力性能。

3 船模試驗

3.1 半滑行船模型

半滑行船的型線圖如圖1所示。船模為木質(zhì)材料，船長 3.833m，型寬 0.758m，型深 0.321m，設(shè)計吃水 0.204m，最大排水量 259.7 kg。 阻力試驗在拖曳水池進(jìn)行，拖曳水池的尺寸為160 m×7 m×3.7 m。數(shù)字控制的拖車速度范圍為0.01～8 m／s，速度精度為0.1%。靜水中船模的總阻力Rtm通過電測試阻力儀（NS-30）測量。阻力儀的最大量程為 25 kg（250 N），精度為 0.1%。 船模的升沉與縱傾變化由傳感器測量。自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由高速數(shù)據(jù)采集卡、放大器和工控機(jī)組成，收集到的數(shù)據(jù)輸入計算機(jī)進(jìn)行處理。

3.2 船模不加擾流板試驗

3種載況下的阻力、縱傾及升沉如圖2～圖4所示。

由圖2可看出，船模阻力是隨航速的增大而增大；在同一航速下，船模阻力隨壓載的增大而增大。

由圖3可看出，船模縱傾是隨航速的增大而增大；在同一航速下，船模縱傾隨壓載的增大而增大。當(dāng) 0.24＜Fr＜0.4 時，船模的縱傾角度不超過0.5°；隨著傅汝德數(shù)的增大，當(dāng) 0.4 ＜Fr＜0.57 時，船模的縱傾角顯著增大，分別達(dá)到 2.57°、1.58°和1.02°；0.57＜Fr＜0.73 時，船模的縱傾角變化不大。

由圖4可看到，船模的升沉為負(fù)值，同一航速下，船模的下沉是隨壓載的增大而增大。當(dāng)0.24＜Fr＜0.48時，船模的升沉隨航速的增大而增大，至Fr＝0.48 時， 達(dá)到最大， 分別為 26.08 mm、15.96 mm 和 12.88 mm；當(dāng) 0.48＜Fr＜0.73 時，船模升沉隨航速的增大而減小。

3.3 船模加擾流板試驗

在不同載況下，在船尾分別加裝高度為2 mm、3.5 mm及5 mm的擾流板，以研究擾流板高度對船模阻力、縱傾及升沉的影響。為便于比較，用I表示擾流板的高度，其中I＝0 mm表示不加擾流板。Rtm表示不加擾流板時測得的總阻力值，RtmI表示不同I值條件下對應(yīng)的總阻力。

3.3.1 壓載為 98.8 kg 載況試驗

由圖5 可觀察到，當(dāng) 0.3＜Fr＜0.47 時，高度為2 mm及3.5 mm的擾流板起到了降阻作用。其中擾流板高度為2 mm，且Fr＝0.34時，船模的降阻最大，達(dá)到了2%。在其它傅汝德數(shù)下，未起到降阻作用，并且其中高度為5 mm的擾流板的降阻效果最差。

由圖6可看出，同一航速下的縱傾隨著擾流板高度的增加而減小，其中，擾流板高度為5 mm時船模的縱傾值最小。當(dāng)Fr＝0.58時，船?？v傾達(dá)到最大，分別為 0.5°、0.2°和 0.1°；當(dāng) 0.24 ＜ Fr＜0.45 以及 0.68＜Fr＜0.83 （擾流板高度為 2 mm 和3.5 mm）時，船?？v傾角為負(fù)值，船模埋首造成船模阻力增大。

由圖7 可看出，當(dāng) 0.24＜Fr＜0.76 時，船模的升沉隨著擾流板高度的增加而減?。划?dāng)Fr＜0.48時，船模的升沉隨著航速的增大而增大，至Fr＝0.48 時達(dá)到最大；當(dāng) Fr＞0.48 時，船模的升沉隨著航速的增大反而減小。擾流板高度為5 mm時對船模的升沉作用效果最明顯。

3.3.2 壓載為 152.4 kg 載況試驗

由圖8 可看到，當(dāng) 0.31＜Fr＜0.72 時，擾流板起到了降阻作用，其中擾流板高度為2 mm，F(xiàn)r＝0.35時的降阻率最大，達(dá)到了4%。在其它傅汝德數(shù)下，擾流板未起到降阻作用。

由圖9可看出，同一航速下的縱傾隨著擾流板高度的增加而減小，其中擾流板高度為5 mm時船模的縱傾值最小。 當(dāng) 0.24 ＜Fr＜0.43 以及Fr＞0.75（擾流板高度為 5 mm）時，船?？v傾角為負(fù)值，船模埋首是造成阻力增加的原因。

由圖10可看出，船模的升沉值先是隨著航速的增加而增大，在Fr＝0.48時達(dá)到最大，然后便隨著航速的增加而減小。另外，船模的升沉值是隨著擾流板高度的增加而減小。

3.3.3 壓載為 259.7 kg 載況試驗

由圖11 可看出，當(dāng) 0.41＜Fr＜0.73 時，在船尾添加擾流板對船?？善鸬浇底璧淖饔茫底杪蔬_(dá)2%～6%，其中擾流板高度為5 mm時的降阻效果最好。

由圖12 可看出，當(dāng)0.24＜Fr＜0.41 時，船模縱傾角為負(fù)值，船模埋首是造成阻力增加的原因。同一航速下的縱傾是隨著擾流板高度的增加而減小，其中擾流板高度為5 mm時，船模的縱傾值最小。

由圖13可看出，船模的升沉值先是隨著航速的增加而增大，在Fr＝0.48時達(dá)到最大，然后便隨著航速的增加而減小。船模的升沉值是隨著擾流板高度的增加而減小，在擾流板高度為5 mm時效果最明顯，這與圖8和圖11所反映的規(guī)律是一致的。

4 結(jié) 論

1）擾流板高度隨著船模壓載的不同而對船模總阻力起降阻作用。在載況為98.8 kg時，高度為2 mm的擾流板對船模的降阻效果最好，最大降阻可達(dá)2%；在載況為152.4 kg時，高度為2 mm的擾流板對船模的降阻效果最好，最大降阻可達(dá)4%；在載況為259.7 kg時，高度為5 mm的擾流板對船模的降阻效果最好，最大降阻可達(dá)6%。

2）當(dāng) 0.24＜Fr＜0.41 時，船模的縱傾角度不超過0.5°，隨著Fr的增加，其縱傾值顯著增大。船?？v傾角是隨著擾流板高度的增加而減小，在0.24 ＜Fr＜0.41 時，縱傾值為負(fù)值，船模埋首是造成船模阻力增加的原因。

3）船模的升沉隨著壓載的增大而增大；同一載況下，船模的升沉隨著擾流板高度的增加而減??；在船尾加擾流板能改善船模的升沉。

4）通過試驗觀察，發(fā)現(xiàn)添加擾流板可以改善半滑行船的艉部流場，并使艉部流線比較流暢，從而減小艉部興波阻力。

［1］董祖舜.我國對滑行艇、半滑行艇流體動力性能方面的研究及其進(jìn)展［J］.武漢造船，1995，1（2）：1-6.DONG Z S.The research and development of fluid dynamic performance on planing hull and semi-planing hull［J］.Wuhan Shipbuilding，1995，1（2）：1-6.

［2］龔凱.半滑行船興波阻力計算方法探討［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2003.GONG K.An investigation of wave-making resistance of semiplaning［D］.Harbin：Harbin Engineering University，2003.

［3］SALAS M，ROSAS J，LUCO R.Hydrodynamic analysis of the performance of stern flaps in a semi-displacement hull［J］.Latin American Applied Research，2004，34（1）：275-284.

［4］TSAI J F，HWANG J L.Study on the compound effects of interceptor with stern flap for two fast monohulls［C］//O-ceans’04.MTTS／IEEE Techno-Ocean，2004（2）：1023-1028.

［5］YAAKOB O，SHAMSUDDIN S，KOH K K.Stern flap for resistance reduction of planing hull craft：a case study with a fast crew boat model［J］.Journal Technology，2004，41（A）：43-52.

［6］CUSANELLI D S，HUNDLEY L.Stern flap powering performance on a spruance class destroyer：ship trials and model experiments［J］.Naval Engineers Journal，1999，111（2）：69-81.

［7］紀(jì)亨騰，陳加榮，李為.艦船尾部改型的幾種措施［J］.中國艦船研究，2006，1（3）：41-46.JI H T，CHEN J R，LI W.Several stern modification measures for warships［J］.Chinese Journal of Ship Research，2006，1（3）：41-46.

［8］左文鏘，董文才，夏翔，等.艉擾流板對穿浪雙體船阻力影響的試驗研究［J］.中國艦船研究，2006，1（4）：52-55.ZUO W Q，DONG W C，XIA X，et al.Experimental study on the effect to resistance of WPC by stern interceptors［J］.Chinese Journal of Ship Research，2006，1（4）：52-55.

［9］盛振邦，劉應(yīng)中.船舶原理［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，2003.

［10］程明道，劉曉東，吳乘勝，等.高速排水型艦船加裝尾板的節(jié)能機(jī)理［J］.船舶力學(xué)，2005，9（2）：26-30.CHENG M D，LIU X D，WU C S，et al.Energy saving mechanism of stern flap installing on the high speed displacement ship［J］.Journal of Ship Mechanics，2005，9（2）：26-30.

［11］DAY A H，COOPER C.An experimental study of interceptors for drag reduction on high-performance sailing yachts［J］.Ocean Engineering，2011，38（8/9）：983-994.