鄔卡佳 田華勇

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

艇和排水式船舶之間，處于過渡航行狀態(tài)的船舶，其阻力特點也具有過渡性能的特點，如圖1所示。

快艇的阻力性能與排水式船舶有很大不同。排水式船舶在航行時，浮態(tài)基本不受航速變化的影響，其質量由靜浮力支撐；而快艇的浮態(tài)隨航速的增加而發(fā)生顯著變化，其航行時，大部分或全部質量均由動浮力支持，總阻力的構成和相應隨航速、船型參數的變化規(guī)律也與排水式船舶不同，即使各類型快艇之間，其阻力構成和相應的變化規(guī)律也有較大的差異［1］。

按產生動浮力方式的不同，可將快艇分成滑行艇、水翼艇、氣墊船等。排水式高速艇是介于滑行

圖1 各航態(tài)范圍船舶的阻力曲線

這類艇的用途很廣，小型摩托艇、交通艇、航政艇、海關檢查艇和巡邏艇等都屬于該類型快艇。本文分析了排水式高速艇的阻力性能特點，為該類船舶的快速性設計提供一定的參考。

1 阻力性能特點

排水式高速艇的阻力和其中的摩擦阻力Rf、剩余阻力Rr的比例均隨航速的變化而變化。荷蘭水池針對某型圓舭型高速艇進行了阻力性能試驗［2］，其試驗結果（圖2）表明，排水式高速艇的剩余阻力系數Cr隨排水體積長度系數的增加而急劇增加；在長度傅氏數附近，剩余阻力系數達到最大值。圖3是某兩條排水式高速艇剩余阻力與摩擦阻力之間的比值曲線［1］。可見，在Fn= 0.5附近，剩余阻力占總阻力的比重較大（可達50%以上）。由此可見，排水體積長度系數 和傅氏數Fn是影響排水式高速艇快速性能最重要的兩個參數。在初步設計時，就應綜合權衡水線長度、排水量和設計航速的選取，合理設計排水式高速艇的長度傅氏數，避開剩余阻力峰值區(qū)域，并盡可能控制空船質量，減小排水體積長度系數 ，提高其阻力性能。

此外，排水式高速艇的動浮力對其航行性能的影響不容忽略，如圖4所示。當體積傅氏數時，動浮力和靜浮力相比雖是小量，但足以引起船舶縱傾；隨著航速進一步提高，動浮力越來越大，船艇的縱傾角也增加，但由于艇的重心固定及排水式快艇的船型特點，到某一 之后，縱傾角減小。當 達到一定數值（通常是1.5左右）時，艇底動壓力足以迫使水流沿著橫向噴出而有噴濺出現(xiàn)，此時，噴濺阻力在總阻力的構成中已不可忽略；當 達到3時，動浮力已經成為支持艇重的主要成分，但受艇型限制，排水式快艇無法和底部較平且有舭折角的滑行艇一樣達到“滑行”狀態(tài)，艇淹濕飛濺嚴重，噴濺阻力和摩擦阻力迅速增大，總阻力急劇增加，快速性能惡化。因此，排水式高速艇的傅氏數不應過高。

圖2 剩余阻力系數CR和Fn的關系

圖3 剩余阻力與摩擦阻力的比值曲線

圖4 船運動時首、尾及船中的吃水變化

2 阻力估算

2.1 船模試驗

為了更好地理解排水式快艇的阻力性能，委托武漢理工大學交通學院在605所高速拖曳水池中針對某型巡邏艇進行船模阻力試驗，如圖5所示。

圖5 船模阻力試驗

某型巡邏艇的主尺度參數如表1，試驗水溫為8.4℃，縮尺比為8。

表1 實船主尺度

模型阻力試驗按照力學相似的原則（傅氏數相似）確定船舶模型的排水量與對應航速，拖車速度通過閉環(huán)控制在對應速度下運行，通過拉力傳感器測量對應航速下的模型阻力，并通過二因次方法預報實船的阻力。由試驗結果得到的實船總阻力預報曲線見圖6所示，船舶不同航速下的航態(tài)見圖7所示。

圖6 實船總阻力預報曲線

圖7 航態(tài)角/升沉曲線

由圖可知，該型巡邏艇的阻力隨航速的增加而增加，在航速為 16 kn（Fn≈0.5）時，增幅較大；航行縱傾角隨航速的增加而增大，當航速大于24 kn（ ）時，艇體開始相對靜浮時上抬。

為研究該型巡邏艇的剩余阻力隨航速的變化規(guī)律，現(xiàn)根據ITTC-57公式估算摩擦阻力系數，得到該型船的摩擦阻力，并結合實船總阻力預報得到該型船的剩余阻力系數以及剩余阻力在總阻力中的占比（如圖8和下頁表2所示）。其中海水密度ρ取1.025 t/m3，海水粘度ν取1.188 31×10-6m2/s。

圖8 剩余阻力系數和剩余阻力/總阻力比值

表2 基于模型試驗的剩余阻力系數、剩余阻力/總阻力比值計算

由此可見，各航速下該型巡邏艇的剩余阻力均較大（占總阻力的60%以上），且在Fn= 0.5時達到最大值（約77%），此時，剩余阻力系數也達到最大值。

2.2 試驗圖譜估算

圖9 圓舭艇的船模阻力，LM =2.25 m

GROOT［3］根據荷蘭船模試驗池及Nordstrom發(fā)表的圓舭型摩托艇船模試驗資料繪制成阻力計算圖譜（圖9），又根據美國司蒂汶司工學院及其他水池發(fā)表的V型摩托艇船模試驗資料整理成圖10，可供阻力換算之用。為便于計算，《內河船舶設計手冊》［4］將該阻力圖譜繪成剩余阻力系數圖譜（圖11），該圖譜適用于傅氏數Fn在0.3～1.0，排水體積長度系數 在2.5～7.5的圓舭艇的阻力預報和軸功率計算，可用于小型軍艦和巡邏艇的初步設計。

圖10 V型艇的船模阻力，LM =2.25m

圖11 剩余阻力系數圖譜

根據該圖譜計算該型巡邏艇的總阻力，如表3所示。

表3 基于試驗圖譜的排水式高速艇阻力估算

將試驗圖譜與模型試驗的總阻力預報結果進行對比，如圖12所示。

圖12 試驗圖譜和模型試驗的總阻力預報結果對比

由對比結果可知，該型船的圖譜換算結果和模型試驗結果十分接近，后續(xù)類似船（ ，）可在初步設計階段根據該圖譜估算阻力，并優(yōu)化船型尺度。

3 船型參數對阻力性能的影響

3.1 棱形系數CP

棱形系數表征了船體首尾端的豐滿程度。高速艇的前體處于強興波區(qū)，因此要求前體排水量自首向中勻稱過度；由于尾部采用方尾，尾部排水量分布較大；因此，高速艇的CP值不能過小，應以使整船排水量自首向尾均勻分布為宜?？筛鶕﨔n選取CP值［5］，如圖13所示。

圖13 CP和Fn的關系

3.2 尾封板浸濕面積比AT /AX

尾封板浸濕面積AT和最大橫截面積AX之比（AT/AX）是排水式高速艇阻力很重要的參數。在低速時，尾封板面積較大易產生渦流，增加形狀阻力；在高速時，尾封板處水流沿縱剖線方向沖向水面，尾封板浸濕部分與水脫離，形成虛長度，起到增加船長、減小阻力的作用。因此，尾封板浸濕面積比應與Fn相對應［5］，過大過小均不利，如圖14所示。

圖14 尾封板浸濕面積比AT /AX與Fn的關系

3.3 浮心縱向位置xB

浮心后移可使前體相對尖瘦、后體相對豐滿，有利于形成虛長度，并保證船有一定的縱傾。排水式快艇的浮心一般都設在中橫剖面之后?？筛鶕﨔n選取xB值［5］，如圖15所示。

圖15 浮心位置xB和Fn的關系

3.4 橫剖面和縱剖面形狀

船底越平坦，越有利于動浮力的產生，并減少底部壓力的損失，從而減小噴濺阻力和淹濕狀況。因此，高速艇的舭圓半徑比低速艇要小，底部橫向斜升角亦變小，并且舭圓半徑和底部橫向斜升角均是從最大截面以后向尾逐漸減小。

3.5 方形系數CB和寬度吃水比B/T

方形系數CB和寬度吃水比B/T通過濕表面積影響阻力。從減小噴濺和淹濕來看，大的方形系數和寬度吃水比是有利的；方形系數減小，寬度吃水比增大，則濕表面積增大。對于排水式高速艇而言，方形系數和寬度吃水比應和其他船型參數相協(xié)調，使得型線平順，其對阻力性能的影響是次要的［1］。

4 結 語

排水式快艇的剩余阻力在總阻力中占比較大，應充分重視剩余阻力隨航速變化的規(guī)律特點?？梢酝ㄟ^適當調整船舶的船型參數，如減小排水量長度比，減小剩余阻力，從而改善排水型快艇的阻力性能。