魏成柱，李英輝，易宏

1上海交通大學(xué)海洋工程國家重點實驗室，上海200240 2上海交通大學(xué)高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海200240

穿浪船船型及相關(guān)研究綜述

魏成柱1，李英輝2，易宏1

1上海交通大學(xué)海洋工程國家重點實驗室，上海200240 2上海交通大學(xué)高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海200240

穿浪船屬高性能船舶。由于其特殊和針對性的船型設(shè)計，穿浪船在波浪中普遍具有優(yōu)良的快速性和耐波性。近年來，穿浪船引起了廣泛關(guān)注并在實際工程中得到推廣。比較系統(tǒng)地介紹單體、雙體和三體穿浪船船型的現(xiàn)狀，從快速性、耐波性及安全性等方面概述穿浪船船體性能研究的進(jìn)展，評述穿浪船船體性能的預(yù)報方法，提出了若干與穿浪船有關(guān)的潛在研究方向。

穿浪船；船型；船體性能；高性能船舶

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160921.1350.040.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

引用格式：魏成柱，李英輝，易宏.穿浪船船型及相關(guān)研究綜述［J］.中國艦船研究，2016，11（5）：1-8.

WEI Chengzhu，LI Yinghui，YI Hong.A comprehensive review on hull forms and relevant researches of wave piercing vessels［J］.Chinese Journal of Ship Research，2016，11（5）：1-8.

0　引言

穿浪船是具有穿浪特性的船舶的統(tǒng)稱。作為高性能船舶，穿浪船最主要的特點是，通過采用合理的穿浪設(shè)計，減小甚至消除船體在波浪中所受到的砰擊載荷，減小船體在波浪中的加速度和運動幅值，使船體在波浪中獲得優(yōu)異的快速性和適航性。由于各國經(jīng)濟和軍事的需求，穿浪船型近年來得到了愈來愈多的發(fā)展和應(yīng)用。在軍事領(lǐng)域、游艇設(shè)計領(lǐng)域和運輸領(lǐng)域都能看到穿浪船的身影。國內(nèi)外學(xué)者亦對與穿浪船相關(guān)的課題進(jìn)行了研究，以探索穿浪船的船型特點，改進(jìn)和完善穿浪船，并進(jìn)一步實現(xiàn)穿浪船船型的創(chuàng)新。目前，穿浪船已發(fā)展出多種船體形式。不同船體形式的穿浪船具有其自身特有的優(yōu)勢。本文將對穿浪船船型現(xiàn)狀、船體性能及船體性能的預(yù)報方法進(jìn)行適當(dāng)?shù)母攀龊涂偨Y(jié)。

1　穿浪船船型現(xiàn)狀

穿浪船從船體（片體）數(shù)量上可以分為穿浪單體船（Wave Piercing Monohull，WPM）和穿浪多體船。穿浪多體船主要包括穿浪雙體船（Wave Piercing Catamaran，WPC）和穿浪三體船（Wave Piercing Trimaran，WPT）。穿浪船的船型主要由2種途徑產(chǎn)生：第1種是由傳統(tǒng)船型修改而來；第2種是采用創(chuàng)新性的船型設(shè)計。

1.1穿浪單體船

穿浪單體船早在鐵甲艦時代就已經(jīng)出現(xiàn)。由于在高速航行時或在惡劣海況下船體容易被淹濕，并且由于火炮技術(shù)的發(fā)展，采用內(nèi)傾式設(shè)計的鐵甲艦暫時退出了歷史舞臺。近年來，為了獲取高海況下優(yōu)良的快速性和適航性，采用細(xì)長船體和瘦削船艏的穿浪單體船重新出現(xiàn)。另外，經(jīng)典的穿浪單體船由于采用了內(nèi)傾式設(shè)計而具備了隱身特性。隨著各國對能夠在高海況下執(zhí)行任務(wù)的高性能船舶需求的增加以及對隱身技術(shù)的愈發(fā)重視，穿浪單體船得到愈來愈多的重視和發(fā)展，一些創(chuàng)新的單體穿浪船船型設(shè)計陸續(xù)問世。

作為目前最先進(jìn)的驅(qū)逐艦，美國的DDG-1000為了達(dá)到船體隱身的目的，采用了經(jīng)典的單體內(nèi)傾式穿浪型設(shè)計。該艦也是目前最為人們所熟知的穿浪船之一。美國海軍研究局（Office of Naval Research，ONR）公開了一種與DDG-1000非常類似的穿浪單體船ONR-TH（圖1［1］）以供研究人員進(jìn)行該類型船舶的探索研究。已公開的與穿浪單體船相關(guān)的研究大多以O(shè)NR-TH為研究對象。

圖1　美國海軍開發(fā)的穿浪單體船F(xiàn)ig.1WPM developed by US Navy

美國國防高級研究計劃局（DARPA）和國防部長辦公室（OSD）合作開發(fā)的Very Slender Vessel（VSV）是一種細(xì)長的高速穿浪單體船（圖2）。VSV的設(shè)計目標(biāo)為：減小自身的目標(biāo)特征，能夠直接穿過波浪而不是像傳統(tǒng)深V型滑行艇那樣在波浪上跳躍，減少波浪沖擊載荷，獲取在波浪中優(yōu)異的快速性和適航性。根據(jù)相關(guān)專利［2］的描述可知，VSV主要具有以下特征和優(yōu)勢：通過使用全凸起的船底殼和舷側(cè)輔助單元，獲得船體在惡劣天氣下的良好性能；通過很小的性能損失來獲取高載荷；更低的雷達(dá)信號特征；同傳統(tǒng)滑行艇相比燃油消耗減少20%。該設(shè)計已被投入到實際應(yīng)用中。英國皇家海軍特種舟艇中隊裝備的一艘VSV時速超過60 kn。VSV設(shè)計也被推廣到游艇設(shè)計上，Maryslim號亦采用了VSV的設(shè)計。

圖2　VSVFig.2VSV

Transonic Hull Company（THC）公司開發(fā)并申請專利［3-4］的超臨界船（Transonic Hull，TH）具有細(xì)長的三角形船體，如圖3所示。該船型的干舷幾乎垂直于水面。THC宣稱：與3種傳統(tǒng)船相比，不論在靜水還是波浪中，TH在相同馬力下的速度可提升17%；耐波性試驗表明，TH在全航速和各種波浪狀況下都能保持零縱傾角并有效避免砰擊載荷，加速度小。

圖3　超臨界船F(xiàn)ig.3Transonic hull

Van diepen設(shè)計了一種平面穿浪船艏（圖4），并申請了專利［5］。不同于DDG-1000，VSV及TH所采用的瘦削的穿浪船艏，該船艏比較寬扁，旨在利用船艏的內(nèi)傾面來平衡穿浪時波浪浮力所產(chǎn)生的抬升力。根據(jù)相關(guān)專利的描述可知，該設(shè)計能減少甚至消除縱搖運動和砰擊載荷，減輕船體結(jié)構(gòu)重量，改善適航性，減少靜水阻力。

圖4　平面穿浪船艏Fig.4Flat wave piercing bow

Ulstein開發(fā)了X-Bow船艏（圖5）用來改善在高海況下的船體操作。該設(shè)計主要被應(yīng)用于海洋工程領(lǐng)域。X-Bow的概念于2005年提出。截止到2016年，采用X-Bow的船舶訂單已經(jīng)超過100艘。廣東中遠(yuǎn)船務(wù)承接建造的Vos Partner號就是一種采用了X-Bow船艏的中型海洋平臺供應(yīng)船。

圖5　X-Bow船艏Fig.5X-Bow

上海交通大學(xué)魏成柱所在團隊以經(jīng)典的內(nèi)傾式穿浪船型為基礎(chǔ)船型，通過大量的船型特征對比和優(yōu)化，設(shè)計了高速穿梭艇［6-9］，并對高速穿梭艇在高速段的性能進(jìn)行了研究。其所在團隊設(shè)計的高速穿浪單體船具有瘦削的船艏、方艉及艏部防濺條，采用過渡型船體設(shè)計，并進(jìn)一步將防濺條發(fā)展成壓浪干舷來更好地控制船體淹濕。

1.2穿浪雙體船

廣義的穿浪雙體船是指采用穿浪設(shè)計的雙體船，狹義的穿浪雙體船是指最早由澳大利亞提出的一種穿浪雙體船，下文將采用WPC-AU來標(biāo)記。這種由澳大利亞提出的穿浪雙體船方案結(jié)合了小水線面雙體船的低阻力、高耐波性的優(yōu)勢，并通過使用深V船型來克服小水線面雙體船的片體儲備浮力不足、空間較為狹小的缺點。該穿浪雙體船設(shè)計方案因其優(yōu)良的快速性和耐波性受到了大量的關(guān)注和贊揚。目前對穿浪雙體船的研究和應(yīng)用大多以該方案為基礎(chǔ)。圖6所示為AMD公司為澳大利亞海軍建造的HSV。中國海軍022型導(dǎo)彈艇采用了類似的設(shè)計方案。中國艦船研究設(shè)計中心對類似的穿浪雙體船進(jìn)行了深入研究，已形成系列設(shè)計。

圖6　HSV穿浪雙體船F(xiàn)ig.6HSV wave piercing catamaran

不同于AMD公司設(shè)計的穿浪雙體船，由大不列顛團隊（Great Britain）設(shè)計的穿浪雙體船采用了雙體滑行帶斷階式設(shè)計。在雙體斷階滑行艇的基礎(chǔ)上，該穿浪雙體船的船艏被修改為瘦長且有一定內(nèi)傾角的穿浪型船艏，并且片體連接橋的船艏部分被移除，如圖7所示。其上層建筑采用流線型設(shè)計以減小迎浪的砰擊。該穿浪雙體船旨在打破橫穿大西洋的速度記錄。據(jù)英國《每日郵報》報道：在條件適當(dāng)?shù)那闆r下，該穿浪雙體船穿越大西洋僅需48 h；該船的平均速度將高達(dá)105 km/h，有望于2018年夏天打破1992年創(chuàng)造的2 d 10 h 54 min橫穿大西洋的記錄。但該穿浪雙體船的實際使用效果還有待觀察。

圖7　大不列顛團隊設(shè)計的穿浪雙體船F(xiàn)ig.7Wave piercing catamaran designed by the team Great Britain

1.3穿浪三體船

穿浪三體船主要由穿浪單體和穿浪雙體船發(fā)展而來。途徑1為以穿浪單體船為母船體，在母船體兩側(cè)添加片體，進(jìn)一步提高船體穩(wěn)性并改善船體橫搖；途徑2為以穿浪雙體船為母船體，在兩個片體中間添加附體，改善船體在波浪中的縱向和垂向運動。此外，還有其他類型的穿浪三體船。

最著名的一艘穿浪三體船為“地球競速”（Earthrace）號游艇，如圖8所示?！暗厍蚋偹佟碧柺菫榱舜蚱芔IM“機動船環(huán)游世界時速記錄”而設(shè)計建造。該船由中央穿浪主船體和左右兩個片體構(gòu)成。據(jù)稱，“地球競速”號的擋風(fēng)玻璃設(shè)計可承受高達(dá)7 m的水壓，理論上可承受15 m的浪高，然而在海上試驗中該船迄今只淹沒到4 m。該船在與日本捕鯨船相撞時沉沒，新的“地球競速”號正在建造中。遺憾的是，未查到與該艇相關(guān)的公開研究資料。

圖8　“地球競速”號穿浪三體船F(xiàn)ig.8Earthrace wave piercing trimaran

法國、英國等也先后提出了一些基于穿浪三體船的驅(qū)護艦設(shè)計方案。法國設(shè)計的Ocean Eagle 43（圖9）是一型用于海上監(jiān)視與安全維護的高性能三體艦。Ocean Eagle 43采用了與“地球競速”號相似的布置方案，不過其中央主船體的長寬比更大，片體對稱布置在船長中部。片體的這種布置方式除了增加船體穩(wěn)性之外，還有利于提高細(xì)長船體的回轉(zhuǎn)性。

圖9　Ocean Eagle 43Fig.9Ocean Eagle 43

趙連恩等［10］在AMD型穿浪雙體船的基礎(chǔ)上在中央船體艏部下方加一半潛體，形成了穿浪多體船。

不同于以上穿浪船的概念，Matveev等［11］提出了一種特殊的穿浪三體船概念，如圖10所示。該概念設(shè)計采用細(xì)長的支柱將三個滑行片體同機翼型上層建筑連接起來，綜合利用了水和空氣的動升力。

圖10　Matveev等設(shè)計的穿浪三體船F(xiàn)ig.10WPT by Matveev et al

2　穿浪船船體性能概述

船體性能主要包括船舶的浮性、穩(wěn)性、抗沉性、快速性（船舶阻力、船舶推進(jìn)）、操縱性及耐波性。相比于傳統(tǒng)船型，穿浪船更加強調(diào)其在波浪中優(yōu)良的性能。因此，穿浪船的耐波性更受關(guān)注。同時，由于穿浪船大多采用非傳統(tǒng)船型設(shè)計，因此其安全性（穩(wěn)性、抗沉性等）也很受關(guān)注。

2.1快速性

經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的高速穿浪船的快速性有明顯提高。VSV同傳統(tǒng)滑行艇相比燃油消耗減少了20%。THC宣稱，與3種傳統(tǒng)船相比，不論在靜水還是波浪中，TH在相同馬力下的速度可提升17%［12］。高航速時，穿浪雙體船（WPC-AU）不僅靜水阻力小，波浪增阻也小。世界最快渡船F(xiàn)rancisco號高速穿浪型雙體船是一艘以液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）為主要燃料的大型雙燃料高速滾裝船，空載時速可超過58.1 kn。但是趙連恩等［13］也指出，從靜水阻力的角度來看，穿浪雙體船（WPC-AU）不適合在低航速時航行。

2.2耐波性

由于穿浪船設(shè)計和優(yōu)化時對波浪中航行的針對性，穿浪船普遍展示出優(yōu)良的耐波性。波浪中的運動、波浪增阻、加速度都有明顯改善，實現(xiàn)了波浪中的緩和運動。THC宣稱的與3種傳統(tǒng)船相比，TH在相同馬力下的波浪中速度提升17%表明其具有較小的波浪增阻。根據(jù)文獻(xiàn)［14］中的耐波性試驗結(jié)果可知：TH與傳統(tǒng)船型BL-175相比，在耐波性上表現(xiàn)出壓倒性的優(yōu)勢；TH在航速50 kn、波高1和2 m時，靠近船艏的加速度與BL-175相比減幅達(dá)71%；TH在全航速和各種波浪狀況下都能保持零縱傾角并能有效避免砰擊載荷，船體加速度小。Van diepen等［15］在對Flat bow的研究中指出：采用穿浪設(shè)計的船的艏艉和重心處加速度（1/10有義值）都比傳統(tǒng)船體的小，但穿浪船的艏部最大加速度值根據(jù)穿浪船艏形狀的不同或大于或小于傳統(tǒng)船舶；采用穿浪設(shè)計的船的升沉和縱搖幅值（1/10有義值）都比傳統(tǒng)船體的小；同傳統(tǒng)船型相比，所有測試的穿浪船的垂蕩、縱搖和加速度都顯著下降，根據(jù)航速和海況選取的不同，減幅最高可達(dá)40%。關(guān)于X-Bow的水池試驗結(jié)果［16］表明，同傳統(tǒng)球鼻艏相比，采用X-Bow設(shè)計的船在波浪中具有以下優(yōu)勢：沒有艏部砰擊載荷；具有更小的加速度和縱搖；穿浪而過時不引起劇烈的艏部飛濺；波浪中的失速更小。Dubrovsky［17］對文獻(xiàn)［11］中提到的三體穿浪船進(jìn)行模型試驗后指出，同傳統(tǒng)滑行艇相比，該設(shè)計在相同速度下的艏部加速度更小。

橫搖角影響人的運動能力，大致可以分為3個區(qū)域：在0°～4°范圍內(nèi)對人的活動沒有影響；在4°～10°范圍內(nèi)使人的運動能力明顯下降；10°以上使乘員吃飯、睡覺及在船上走動都發(fā)生困難。穿浪船的干舷內(nèi)傾式設(shè)計會影響到船體的橫搖性能。Lin等［18］通過對比ONR內(nèi)傾式和外飄式船型指出：在諧搖區(qū)附近，內(nèi)傾式船體的橫搖角度要比外飄式船體橫搖角大很多；當(dāng)波長等于諧振值時，內(nèi)傾式船體橫搖角度是外飄式船體橫搖角的2倍，如圖11所示。但是穿浪船通過使用創(chuàng)新的船體設(shè)計可以改善波浪中的船體橫搖性能，例如VSV采用的舷側(cè)突出設(shè)計可以改善橫搖和增加儲備浮力。Ikeda等［19］通過研究指出，由于固有周期短，橫阻尼大，波浪擾動力矩小，一艘112 m的穿浪雙體船（WPC-AU）在橫波中的橫搖共振幅度很小。三體式設(shè)計對穿浪船的橫搖非常有益。根據(jù)CMN船廠公開的海試資料，采用穿浪三體船設(shè)計的Ocean Eagle 43在5級海況下以28 kn航行時，縱搖角度在±2°之間，橫搖角度在±6°之間，顯示出其在高海況下的航行優(yōu)勢。

相比于外飄式船艏，穿浪型船艏對波浪的擾動很小，不容易在船艏附近形成劇烈的飛濺，可以減小砰擊。圖12示出了穿浪船型與外飄式船型遭遇波浪時對波面的擾動。圖12（a）顯示了采用X-Bow設(shè)計的船與采用傳統(tǒng)球鼻艏的船在相同波浪條件下航行時的艏部飛濺情況。由圖可見，采用X-Bow的船沒有像加裝球鼻艏的外飄式船型那樣引起劇烈的艏部飛濺，該現(xiàn)象也得到了實船海試的驗證。圖12（b）對比了TH與采用斧型艏的船體遭遇波浪時的艏部飛濺情況。顯然，穿浪型船艏對波浪的擾動小，艏部幾乎沒有飛濺產(chǎn)生。

圖11　內(nèi)傾式船（實線）和外飄式船（虛線）在不同波長下的橫搖對比，F(xiàn)n=0.066Fig.11Normalized roll motion angle for different values of λwith Fn=0.066.The solid line shows the numerical results for the tumblehome hull and the dashed line the numerical results for the flared hull

圖12　穿浪船艏對船艏處波浪的擾動小Fig.12Wave piercing bows have small disturbance to the waves

單體穿浪船所面臨的砰擊載荷主要來自船艏，而穿浪型船艏對波浪的弱擾動使船體面臨的砰擊載荷明顯減小。但是，低干舷的單體穿浪船在波浪中會面臨高概率的上層建筑砰擊，過低的干舷會讓波浪直接漫過船艏甲板進(jìn)而沖擊上層建筑。張進(jìn)豐等［20］在試驗過程中觀察到了很明顯的甲板上浪現(xiàn)象。因此，流暢的上層建筑和較高的船體干舷對一些單體穿浪船是非常有益的。此外，中國造船工程學(xué)會船舶力學(xué)委員會高性能船學(xué)組指出，濕甲板砰擊是穿浪雙體船研究的重中之重。French等［21］通過試驗確定了砰擊發(fā)生的臨界值。對于一艘長112 m、航速為20和38 kn、模態(tài)周期為8.5 s的雙體穿浪船（WPC-AU），當(dāng)有義波高小于1.5 m時，砰擊不會發(fā)生。

穿浪船在短、陡波中的優(yōu)良性能基本得到認(rèn)可，但并不意味著某一穿浪船型或者具體穿浪船只在所有海況中都有良好的耐波性。Vakilabadi等［22］在對一艘極細(xì)長穿浪三體船在規(guī)則波中的垂蕩和縱搖的模型試驗研究中觀察到，模型的縱搖運動比較劇烈，如圖13所示。傳統(tǒng)雙體穿浪船的實際運營表明，該類型穿浪雙體船適航性的優(yōu)劣很大程度上取決于其所航行的海區(qū)及波長范圍，在非設(shè)定海域中受限于細(xì)長的片體，其垂蕩和縱搖運動較大?？梢?，特別細(xì)長的船體在獲得快速性提高的同時也犧牲了一些耐波性。而Ocean Eagle 43采用的主船體和片體的布置方案可能對改善這種不利局面有利。

圖13　細(xì)長穿浪三體船在規(guī)則波中的縱搖運動Fig.13Amplitude of the pitching motion measured during the towing of the wave piercing trimaran model

一些學(xué)者嘗試對傳統(tǒng)穿浪雙體船（WPC-AU）在波浪中的垂向和縱向運動進(jìn)行控制和改善，來擴大該類型穿浪雙體船的應(yīng)用范圍。實踐證明，T型水翼大大改善了船舶在波浪中的縱搖和垂蕩［23］，使船上工作人員及乘客的工作和生活條件得到了極大的改善。可控的T型水翼首先被安裝在穿浪雙體船上。常進(jìn)［24］、劉金玲［25］、劉英和［26］等對T型水翼在穿浪雙體船上的應(yīng)用展開了研究。此外，馬濤等［27］在穿浪雙體船上添加中體，通過模型試驗證實該措施可以很好地改進(jìn)穿浪雙體船型的耐波性。鄭義等［28］通過加裝水翼來改善某250 t級高速輕型穿浪雙體船的縱向運動，模型試驗表明，該措施可以使迎浪縱搖和垂蕩有義幅值減少20%～30%。

暈船率（Motion Sickness Incidences，MSI）也是高速船耐波性的重要評判指標(biāo)之一。穿浪雙體船的低頻運動可能帶來暈船，這將給船員及乘客帶來疲勞和不適。Fang等［29］針對一艘40 m長穿浪雙體渡船CAT-I的垂向運動暈船發(fā)生率進(jìn)行了研究，指出垂向運動暈船率在隨浪時（浪向角≤60°）不顯著，但是會隨著浪向角的增大而升高。Ikeda等［19］給出了112 m長穿浪雙體船（WPC-AU）的MSI分布圖。

2.3安全性

經(jīng)典的穿浪船是由傳統(tǒng)外飄式船舶內(nèi)傾干舷和船艏而來，干舷以上船體幾何容積減少，船體的儲備浮力發(fā)生改變，由此引發(fā)對船體安全性（例如船體的穩(wěn)性［30-31］、參數(shù)橫搖［32-34］、傾覆［35］）的擔(dān)憂，與此相關(guān)的研究多集中于ONR-TH上。根據(jù)已公開的研究，對于具有相同水線以下幾何形狀的船體，內(nèi)傾船型的安全性有所降低。Bassler等［30］指出，內(nèi)傾船型的傾覆風(fēng)險對重心小幅變化的敏感性與外飄船型相比會顯著升高。Mccue等［32］在對ONR-TH的參數(shù)橫搖研究中指出，相比采用直壁式和外飄式設(shè)計的ONR船體，采用內(nèi)傾式設(shè)計的ONR船體在波浪中的平均初穩(wěn)心高（GM）要小，其在迎浪中的參數(shù)橫搖會在更低的前進(jìn)速度下遇到。

3　穿浪船船體性能的研究方法

船體性能的研究方法主要包括理論方法、以CFD為基礎(chǔ)的數(shù)值仿真和模型試驗。不同于傳統(tǒng)船舶，穿浪船特殊的外形設(shè)計和航行狀態(tài)使得在對其進(jìn)行船體性能預(yù)報時要考慮水線以上干舷和上層建筑的影響，需計入干舷和甲板的淹濕、上浪、砰擊等非線性因素。

與穿浪船有關(guān)的研究多以水池試驗的方式進(jìn)行。水池試驗不僅包括拖曳水池試驗，還包括自航模水池試驗。

穿浪船型的特殊性對傳統(tǒng)的一些理論研究方法提出了很大的挑戰(zhàn)，但并不意味著這些研究手段失效。張進(jìn)豐等［20］通過模型試驗和非線性時域方法，對一內(nèi)傾低干舷隱身船在頂浪時規(guī)則波和不規(guī)則波中的縱向運動響應(yīng)開展了研究，并且在時域計算中考慮了船體濕表面變化和甲板上浪對縱向運動的影響。與試驗結(jié)果的對比表明，考慮了船體濕表面變化和甲板上浪對縱向運動影響的非線性時域方法能夠比較準(zhǔn)確地預(yù)報內(nèi)傾船型在波浪中的縱向運動。

CFD技術(shù)的發(fā)展為穿浪船相關(guān)研究提供了新的途徑?？煽康耐牧髂Ｐ汀⒍嘧杂啥冗\動模型和多相流模型為穿浪船的數(shù)值仿真提供了基礎(chǔ)保證。重疊網(wǎng)格更是方便了船體大幅值運動的模擬。在以CFD為基礎(chǔ)的數(shù)值仿真中，船體的幾何細(xì)節(jié)能夠被充分保留，穿浪船的受力、運動姿態(tài)、上浪和淹濕都能夠得到很好的捕捉和描述。隨著CFD技術(shù)的發(fā)展，可動的螺旋槳和舵被引入到自航模的數(shù)值仿真中。Carrica等［1］在對ONR-TH進(jìn)行癱船分析時，在光體模型上引入了可動的舵和螺旋槳來更加真實地模擬船體在波浪中的運動。相對于傳統(tǒng)的船舶繞流仿真，該方法雖然更加接近真實情況，但計算資源消耗巨大。Carrica在研究中用到的網(wǎng)格單元數(shù)量達(dá)到2.11×107，普通個人計算機根本無法完成如此大規(guī)模的計算。此外，實船CFD模擬已經(jīng)逐漸成熟。真實海況和實船CFD仿真可為穿浪船的研究提供更加直接的性能預(yù)報。

4　結(jié)論

通過以上研究，可以得出以下主要結(jié)論：

1）穿浪船型近年來得到了快速發(fā)展，船型更加豐富，船體性能被進(jìn)一步探明。

2）穿浪船型普遍但并未全部采用瘦削的船艏來減小艏部浮力，減少砰擊和縱搖。

3）與一些傳統(tǒng)船型相比，穿浪船型具有一定的快速性優(yōu)勢。

4）與傳統(tǒng)船型相比，針對船體在波浪中的運動、受力及加速度而優(yōu)化設(shè)計的穿浪船型在上述方面改善明顯。

5）采用極細(xì)長船體設(shè)計的穿浪船在獲取快速性優(yōu)勢的同時一定程度上犧牲了耐波性，導(dǎo)致其在某些海況中的縱搖和垂蕩運動比較劇烈，需要改善。

6）由傳統(tǒng)外飄式船型修改而來的內(nèi)傾式穿浪船在一些惡劣海況下的安全性有所降低。

與已進(jìn)行廣泛而深入研究的傳統(tǒng)船型相比，目前對穿浪船的研究是有限的。對于穿浪船，以下幾個方面值得進(jìn)行深入研究或者開創(chuàng)性研究：

1）高速穿浪單體船、高速穿浪雙體船、高速穿浪三體船船型創(chuàng)新及相關(guān)船體性能的探索；

2）現(xiàn)有穿浪船型耐波性的進(jìn)一步改進(jìn)；

3）穿浪船在長峰波中的運動；

4）全封閉式穿浪船在極惡劣工況（例如，船體完全從波浪中穿過）下的運動及受力；

5）針對穿浪船船型特殊性的、快速而準(zhǔn)確的船體性能預(yù)報理論方法；

6）穿浪船甲板和上層建筑砰擊及針對減小砰擊而進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計。

相信通過進(jìn)一步的研究和創(chuàng)新，穿浪船家族會得到進(jìn)一步的發(fā)展和壯大，并在未來大海洋時代中發(fā)揮更加重要的作用。

［1］CARRICA P M，SADAT-HOSSEINI H，STERN F. CFD analysis of broaching for a model surface combatant with explicit simulation of moving rudders and rotating propellers［J］.Computers and Fluids，2012，53：117-132.

［2］THOMPSON A.Boat：US6116180［P］.2000-09-12.

［3］CALDERON A A.Transonic hydrofield and transonic hull：US6158369［P］.2000-12-12.

［4］阿爾伯特·阿爾瓦雷斯-卡爾德倫.跨聲速船體和流體場：CN1984811A［P］.2007-06-20.

［5］VAN DIEPEN P.Wave piercing bow of a monohull marine craft：US20030089290［P］.2003-05-15.

［6］魏成柱，李英輝，易宏.楔形壓浪體在內(nèi)傾式船艏中的應(yīng)用研究［J］.船舶工程，2013，35（1）：9-12. WEI Chengzhu，LI Yinghui，YI Hong.Application research of anti-green-water wedge to intilted bow［J］. Ship Engineering，2013，35（1）：9-12.

［7］魏成柱，李英輝，易宏.基于CAD與CFD的穿梭艇局部船型特征分析［J］.船舶工程，2014，36（3）：28-32. WEI Chengzhu，LI Yinghui，YI Hong.Analysis of shuttle vessel's local hull form characteristics based on CAD and CFD［J］.Ship Engineering，2014，36（3）：28-32.

［8］魏成柱.穿梭艇性能特征與船型優(yōu)化［D］.上海：上海交通大學(xué)，2013.

［9］魏成柱，毛立夫，李英輝，等.單體半滑行穿浪船船型與靜水航行性能［J］.中國艦船研究，2015，10（5）：16-21. WEI Chengzhu，MAO Lifu，LI Yinghui，et al.Analysis of the hull form and sailing characters in calm water of a semi-planing wave-piercing boat［J］.Chinese Journal of Ship Research，2015，10（5）：16-21.

［10］趙連恩，何義，李積德，等.穿浪多體船運動性能研究［J］.中國造船，1997（4）：20-28. ZHAO Lian'en，HE Yi，LI Jide，et al.A study on motion performance of multi-hull wave piercer［J］.Shipbuilding of China，1997（4）：20-28.

［11］MATVEEV K I，DUBROVSKY V A.Aerodynamic characteristics of a hybrid trimaran model［J］.Ocean Engineering，2007，34（3/4）：616-620.

［12］Transonic Hull Company Inc.Corporate mission and technologydescription［EB/OL］.（2016-02-19）［2016-02-19］.http：//www.transonichullcompany.com/.

［13］趙連恩，謝永和.高性能船舶原理與設(shè)計［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2009.

［14］CALDERON A，HEDD L.Theoretical considerations and experimental investigation of seakeeping of transonic hulls［C］//Proceedings of the 11th International Conference on Fast Sea Transportation.Honolulu，Hawaii，USA：FAST，2011.

［15］VAN DIEPEN P，MOLYNEUX D，TAM G.A flat wave piercing bow concept for high speed monohull［C］//Annual Meeting Papers Non Transactions.［S.l.：s.n.］，2003.

［16］ULSTEIN.Tank test and real-life comparison［EB/ OL］.（2016-02-19）［2016-02-19］.http：//ulstein. com/innovations/x-bow/comparison-tests.

［17］DUBROVSKY V A.‘Wave-piercing’trimaran：the concept and some applications［J］.Ships and Offshore Structures，2009，4（1）：89-93.

［18］LIN R Q，KUANG W J.Modeling nonlinear roll damping with a self-consistent，strongly nonlinear ship motion model［J］.Journal of Marine Science and Technology，2008，13（2）：127-137.

［19］IKEDA Y，YAMAMOTO N，F(xiàn)UKUNAGA K.Seakeeping performances of a large wave-piercing catamaran in beam waves［C］//Proceedings of the 6th Osaka Colloquium on Seakeeping and Stability of Ships. Osaka，Japan：［s.n.］，2008.

［20］張進(jìn)豐，顧民，魏建強.低干舷隱身船波浪中縱向運動的模型試驗及理論研究［J］.船舶力學(xué)，2009，13（2）：169-176. ZHANG Jinfeng，GU Min，WEI Jianqiang.Model testing and theoretic study of the longitudinal motions in waves of low-freeboard stealthy ship［J］.Journal of Ship Mechanics，2009，13（2）：169-176.

［21］FRENCH B J，THOMAS G A，DAVIS M S.Slam occurrences and loads of a high-speed wave piercer catamaran in irregular seas［J］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part M：Journal of Engineering for the Maritime Environment，2013，229（1）：1-13.

［22］VAKILABADI K A，KHEDMATI M R，SEIF M S. Experimental study on heave and pitch motion characteristics of a wave-piercing trimaran［J］.Transactions of FAMENA，2014，38（3）：13-26.

［23］ESTEBAN S，DE LA CRUZ J M，GIRON-SIERRA J M，et al.Fast ferry vertical accelerations reduction with active flaps and T-foil［C］//Proceedings of the 5th IFAC Conference on Manoeuvring and Control of Marine Crafts（MCMC2000）.Aalborg：IFAC，2000.

［24］常進(jìn).帶T型翼的穿浪船運動姿態(tài)控制系統(tǒng)（RCS）研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

［25］劉金玲.穿浪雙體船運動仿真與姿態(tài)控制研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2013.

［26］劉英和.T型翼和尾壓浪板對WPC耐波性影響研究［D］.北京：中國艦船研究院，2014.

［27］馬濤，明通，馬如仁.穿浪船型對高速雙體船耐波性的改進(jìn)［J］.船舶，1997（4）：4-6. MA Tao，MING Tong，MA Ruren.Improving the seakeeping quality of the high speed catamaran by incorporating the wave-piercing ship type［J］.Ship and Boat，1997（4）：4-6.

［28］鄭義，董文才.高速輕型穿浪雙體船縱向運動改善措施研究［J］.中國艦船研究，2012，7（2）：14-19. ZHENG Yi，DONG Wencai.Improvement of longitudinalmotionperformanceofhighspeedlight wave-piercing catamaran by hydrofoils［J］.Chinese Journal of Ship Research，2012，7（2）：14-19.

［29］FANG C C，CHAN H S.An investigation on the vertical motion sickness characteristics of a high-speed catamaran ferry［J］.Ocean Engineering，2007，34（14/15）：1909-1917.

［30］BASSLER C，PETERS A，CAMPBELL B，et al.Dynamic stability of flared and tumblehome hull forms in waves［C］//Proceedings of the 9th International Ship Stability Workshop.Hamburg，Germany：［s.n.］，2007.

［31］HASHIMOTO H.Pure loss of stability of a tumblehome hull in following seas［C］//Proceedings of the 19th International Offshore and Polar Engineering Conference.Osaka，Japan：The International Society of Offshore and Polar Engineers，2009.

［32］MCCUE L S，CAMPBELL B L，BELKNAP W F.On the parametric resonance of tumblehome hullforms in a longitudinal seaway［J］.Naval Engineers Journal，2007，119（3）：35-44.

［33］OLIVIERI A，F(xiàn)RANCESCUTTO A，CAMPANA E F，et al.Parametric roll：highly controlled experiments for an innovative ship design［C］//Proceedings of the ASME 2008 27th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering.［S.l.］：The American Society of Mechanical Engineers，2008.

［34］SADAT-HOSSEINI H，STERN F，OLIVIERI A，et al.Head-wave parametric rolling of a surface combatant［J］.Ocean Engineering，2010，37（10）：859-878.

［35］SADAT-HOSSENI H，ARAKI M，UMEDA N，et al. CFD，system-based，and EFD preliminary investigation of ONR tumblehome instability and capsize with evaluation of the mathematical model［C］//Proceedings of the 12th International Ship Stability Workshop.Washington DC，USA：［s.n.］，2011.

A comprehensive review on hull forms and relevant researches of wave piercing vessels

WEI Chengzhu1，LI Yinghui2，YI Hong1
1 State Key Laboratory of Ocean Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China
2 Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China

Wave piercing vessels have special hull shapes and behaved softly in waves.In recent years，more attention has been paid on wave piercing vessels，and the wave piercing design is becoming popular among practical applications.More innovations related to wave piercing vessels have appeared and more researches on wave piercing vessels are available.Therefore，a comprehensive review on hull forms and relevant researches of wave piercing vessels is presented，which is a good reference for researches related with wave piercing vessels.Moreover，some promising research related to wave piercing vessels areas are provided.

wave piercing vessels；hull forms；hull performance；high performance ships

U661.3

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.05.001

2016-02-23網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-9-21 13:50

上海交通大學(xué)海洋工程國家重點實驗室自主研究課題（GKZD010061）

魏成柱，男，1987年生，博士。研究方向：新型船舶開發(fā)與數(shù)值計算。E-mail：weichengzhu@sjtu.edu.cn

李英輝（通信作者），男，1973年生，博士，講師。研究方向：新型船舶開發(fā)與數(shù)值計算。

E-mail：liyinghui@sjtu.edu.cn

易宏，男，1962年生，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：潛器與特種船舶開發(fā)，海上裝置與系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計，系統(tǒng)可靠性與人因工程