宋 磊， 高 華， 孫江龍， 劉 曾

（華中科技大學(xué)a.船舶與海洋工程學(xué)院；b.船舶數(shù)據(jù)技術(shù)與支撐軟件湖北省工程研究中心；c.船舶和海洋工程水動(dòng)力湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074）

0 引 言

船舶線型設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)工程，既需要考慮靜穩(wěn)性和快速性，也需要考慮操縱性和耐波性，其中快速性能是最核心性能，直接影響船舶的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性?？焖傩灾饕枇π阅芎屯七M(jìn)性能兩部分，該部分內(nèi)容為船舶專業(yè)核心課程船舶原理課程中重要組成部分［1］，共有船舶阻力和船舶推進(jìn)兩大章節(jié)，約48 學(xué)時(shí)課程，快速性知識(shí)的學(xué)習(xí)尤為重要，無(wú)論是后續(xù)深造和從事相關(guān)工作都需要理解并掌握［2］。

V形艇的特征是所有橫剖面都呈V 形，其航行速度較快，被廣泛用于無(wú)人艇、軍用艦船、游船、公務(wù)船等特種船舶［3-4］。V形艇由于其剖面特征，可用帶有斜升角β的滑行平板近似處理，依次完成面升力和縱傾角的計(jì)算，進(jìn)一步對(duì)縱傾角做非棱形修正后完成阻力估算［5］；其船型的伴流分?jǐn)?shù)、推力減額等自航因子也相對(duì)容易估算，便于對(duì)已有數(shù)據(jù)進(jìn)行線性插值完成圖譜繪制。

為了實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)阻力性能、推進(jìn)性能、船機(jī)槳匹配知識(shí)脈絡(luò)的系統(tǒng)學(xué)習(xí)與掌握，設(shè)計(jì)了船舶快速性教學(xué)系統(tǒng)。系統(tǒng)基于V 形艇模型試驗(yàn)獲取阻力圖譜數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)推進(jìn)因子進(jìn)行選定后預(yù)估設(shè)計(jì)航速，完成螺旋槳主要參數(shù)計(jì)算，對(duì)照螺旋槳圖譜基于VB 語(yǔ)言進(jìn)行AutoCAD二次開(kāi)發(fā)，完成螺旋槳出圖繪制［6］。該教學(xué)系統(tǒng)基于模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)，實(shí)用性強(qiáng)，界面簡(jiǎn)潔交互性強(qiáng)，作為課堂教學(xué)的輔助軟件可激發(fā)學(xué)生思考能力［7］，增進(jìn)知識(shí)理解，對(duì)提升學(xué)生創(chuàng)新能力有積極作用。

1 阻力圖譜設(shè)計(jì)

1.1 圖譜研究對(duì)象

選用V 形艇船長(zhǎng)26.79 m，船寬分別為4.58 m、5.42 m和6.63 m。該艇（見(jiàn)圖1）具有尖舭型船首，所有橫剖面均呈V形，首部較尖，斜升角較大［8］，其角度不斷減小平滑過(guò)渡到船中，船中橫向斜升角β（13°、16°、20°），并向船尾不斷減小過(guò)渡，直至船尾趨近于零。

圖1 V形艇線型圖

表1 所示為船寬4.58 m的船型參數(shù)，斜升角分別為13°、16°和20°，每個(gè)斜升角下分別有45 t、55 t和65 t 3 個(gè)吃水，每個(gè)吃水分別有0°和0.5°（尾傾）的靜傾角。表2 和表3 所示分別為船寬5.42 m和6.63 m的船型參數(shù)，每個(gè)船寬分別包含與表1 類似的斜升角、排水量、靜傾角工況組合。3 組船寬、3 組斜升角、3 組排水量和兩組靜傾角共組合成54 組工況，每組工況航速范圍為15 ～39 kn（1 kn ＝1.852 km／h），航行傅氏數(shù)Fn范圍為1.229 ～3.194。

表1 船寬B ＝4.58 m船型參數(shù)

表2 船寬B ＝5.42 m船型參數(shù)

表3 船寬B ＝6.63 m船型參數(shù)

1.2 試驗(yàn)原理及方法

試驗(yàn)過(guò)程如圖2 所示，測(cè)試裝置包含試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀A持裝置、導(dǎo)航桿和阻力傳感器。其中模型排水量和姿態(tài)調(diào)整完成后通過(guò)前后導(dǎo)航桿來(lái)保證航向，夾持裝置在拖車(chē)啟動(dòng)和停止時(shí)夾緊模型，起到保護(hù)鋼絲繩和傳感器的作用。阻力儀一端固定于拖車(chē)上，另一端連接鋼絲繩，鋼絲繩通過(guò)兩個(gè)導(dǎo)輪轉(zhuǎn)向后與模型連接，連接點(diǎn)高度處于模型的重心處或者槳軸延長(zhǎng)線上［9］。試驗(yàn)過(guò)程中模型在拖車(chē)的牽引下以設(shè)定航速航行，夾持裝置松開(kāi)，導(dǎo)航桿為軸承式套筒設(shè)計(jì)，其對(duì)阻力影響可忽略，此時(shí)鋼絲繩上拉力與模型阻力相等，阻力傳感器上可直接實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼絲繩拉力測(cè)量。

圖2 船模試驗(yàn)示意

由模型阻力換算至實(shí)船有效功率時(shí)采用傅汝德法（Froude’s Method）［10］，將船模阻力Rt分為摩擦阻力Rf和剩余阻力Rr，無(wú)因次化后即船模阻力系數(shù)Ct分為摩擦阻力系數(shù)Cf和剩余阻力系數(shù)Cr，傅汝德法認(rèn)為實(shí)船和模型剩余阻力系數(shù)相等，摩擦阻力系數(shù)計(jì)算采用1957-ITTC公式，其表達(dá)式為：

式中，Re為船舶對(duì)應(yīng)航速的雷諾數(shù)。

實(shí)船總阻力系數(shù)：

式中：ΔCf為粗糙度補(bǔ)貼系數(shù)；船模阻力系數(shù)Ct、摩擦阻力系數(shù)Cf和剩余阻力系數(shù)Cr；下標(biāo)m 表示模型尺度；下標(biāo)s表示實(shí)船尺度。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室對(duì)快艇類船型處理經(jīng)驗(yàn)，ΔCf取0.2 ×10－3。

實(shí)船總阻力：

式中：ρS表示實(shí)船所處水密度；vs表示實(shí)船航速；SS表示實(shí)船濕面積。

實(shí)船有效功率：

1.3 圖譜數(shù)據(jù)獲取

模型試驗(yàn)在我校船模拖曳水池實(shí)驗(yàn)室（見(jiàn)圖3）進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)室包含試驗(yàn)水池和拖車(chē)系統(tǒng)，水池長(zhǎng)×寬×深為175 m ×6 m ×4 m，拖車(chē)航速最高9 m／s，航速精度0.1%。

圖3 船模拖曳水池實(shí)驗(yàn)室

結(jié)合水池硬件條件，確定試驗(yàn)縮尺比λ ＝10，模型尺度長(zhǎng)為2.679 m，寬度分別為0.458 m、0.542 m 和0.663 m，按照傅汝德相似準(zhǔn)則換算模型航速為2.440 ～6.344 m／s。木質(zhì)模型及試驗(yàn)過(guò)程如圖4所示。

圖4 模型及試驗(yàn)過(guò)程

對(duì)于快艇可用體積傅氏數(shù)和單位排水量阻力來(lái)完成其阻力圖譜繪制，其中體積傅氏數(shù)為：

將所有工況54 條阻力數(shù)據(jù)按照橫坐標(biāo)為體積傅氏數(shù)Fr?，縱坐標(biāo)為R／Δ 繪制試驗(yàn)結(jié)果曲線圖［11］，其中船寬B ＝4.58 m，排水量Δ ＝45 t。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，可知將所有試驗(yàn)結(jié)果完成后共有9 張如圖5 所示結(jié)果圖，完成圖譜數(shù)據(jù)的獲取。

圖5 快艇阻力圖譜（船寬B ＝4.58 m，Δ ＝45 t）

2 教學(xué)方案設(shè)計(jì)

基于船舶阻力圖譜，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案［12］如圖6所示。

圖6 設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案

（1）學(xué)生在一定范圍內(nèi)選取船長(zhǎng)、船寬、斜升角、排水量和靜傾角，基于阻力圖譜線性插值得出不同航速阻力值，進(jìn)一步得出不同航速有效功率。

（2）學(xué)生選取推力減額t 和伴流分?jǐn)?shù)w 等參數(shù)，對(duì)于V形艇推力減額t范圍取0.06 ～0.15，伴流分?jǐn)?shù)w范圍取0.1 ～0.18，相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率可初步取1，軸系效率取0.95 ～1 之間。

（3）輸入主機(jī)有效功率和數(shù)量，基于航速范圍（15 ～39 kn）內(nèi)有效功率曲線和步驟（2）中輸入的推進(jìn)系數(shù)，預(yù)估設(shè)計(jì)槳的敞水功率η0和船舶設(shè)計(jì)航速［13］。

（4）輸入螺旋槳的葉數(shù)（3 葉或5 葉），根據(jù)螺旋槳圖譜設(shè)計(jì)準(zhǔn)則選定螺旋槳，計(jì)算槳徑d、螺距比P／d和盤(pán)面比AD／A0。

（5）完成螺旋槳參數(shù)計(jì)算后，選擇圖紙大小、螺旋槳旋向等參數(shù)，完成出圖，圖紙包含槳葉剖面尺寸表、螺旋槳要素表、正投影輪廓圖、側(cè)投影輪廓圖和伸張輪廓圖。

3 船舶快速性教學(xué)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

3.1 教學(xué)軟件設(shè)計(jì)

按照上述方案完成教學(xué)軟件設(shè)計(jì)，界面如圖7 所示，共包含3 個(gè)模塊：阻力插值模塊，螺旋槳選型模塊和螺旋槳出圖模塊。

圖7 教學(xué)軟件界面

阻力插值模塊包含有船長(zhǎng)、船寬、斜升角、排水量和靜傾角輸入窗口，學(xué)生輸入上述參數(shù)后，基于船舶阻力圖譜線性插值可輸出該船舶“航速-功率”曲線。

螺旋槳選型模塊包含主機(jī)功率、轉(zhuǎn)速、推力減額、伴流分?jǐn)?shù)、槳葉數(shù)、相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率等輸入窗口，完成以上輸入后根據(jù)船舶的航速范圍，基于已經(jīng)生成“航速—功率”曲線估算螺旋槳敞水效率和設(shè)計(jì)航速，完成螺旋槳主要參數(shù)選型。

螺旋槳出圖界面主要作用是在AutoCAD 軟件中完成自動(dòng)出圖［14］，選取螺旋槳旋向和圖紙大小后，即可按要求生成CAD格式的螺旋槳設(shè)計(jì)圖紙。

3.2 教學(xué)軟件使用

如圖8 所示，學(xué)生依次輸入船長(zhǎng)28.9 m，船寬5.2 m，排水量50 t，斜升角18°，靜傾角0.2°，點(diǎn)擊“輸出實(shí)船有效功率”后完成阻力預(yù)報(bào)；進(jìn)一步輸入主機(jī)功率、轉(zhuǎn)速、推力減額、伴流分?jǐn)?shù)、減速比、傳動(dòng)效率、槳葉數(shù)量等參數(shù)，點(diǎn)擊“輸出螺旋槳參數(shù)”后完成螺旋槳的選取及設(shè)計(jì)航速預(yù)估；選擇圖紙為A3，旋向右旋后點(diǎn)擊“出圖”即可實(shí)現(xiàn)螺旋槳圖譜設(shè)計(jì)。

圖8 教學(xué)軟件使用

生成的螺旋槳圖紙如圖9 所示，圖紙包含螺旋槳要素表、葉剖面尺寸表和槳葉輪廓形狀圖。螺旋槳要素主要包含葉數(shù)、槳徑、螺距比、盤(pán)面比、轂徑、后傾角、旋向等參數(shù)。

圖9 生成的螺旋槳圖紙

葉剖面尺寸表按照0.3R ～0.9R 對(duì)槳葉進(jìn)行剖切，槳葉剖面圖橫坐標(biāo)以葉寬百分比表示［15］，縱坐標(biāo)以最大葉寬百分比表示；槳葉輪廓形狀圖包含側(cè)投影圖、正投影圖和伸張輪廓圖，是對(duì)螺旋槳要素表和葉剖面尺寸表的圖形顯示。

4 結(jié) 語(yǔ)

以V形快艇為對(duì)象，以模型試驗(yàn)的方法獲取其在不同船寬、斜升角、排水量、靜傾角工況下共54 組阻力數(shù)據(jù)，形成該母型艇的阻力圖譜。學(xué)生選定船型參數(shù)后根據(jù)圖譜線性插值獲得有效功率，選定主機(jī)功率和轉(zhuǎn)速后預(yù)估船舶設(shè)計(jì)航速，完成螺旋槳設(shè)計(jì)，編制葉剖面尺寸表，并完成槳葉輪廓形狀圖繪制。

本教學(xué)系統(tǒng)作為課堂知識(shí)教學(xué)的輔助軟件，將阻力性能、推進(jìn)性能、船機(jī)槳匹配知識(shí)有機(jī)融合，豐富了課堂教學(xué)的內(nèi)容，拓展了教學(xué)手段。教學(xué)系統(tǒng)界面簡(jiǎn)潔交互性強(qiáng)，可使學(xué)生對(duì)螺旋槳形成直觀認(rèn)識(shí)。教學(xué)過(guò)程可使學(xué)生對(duì)整個(gè)船舶設(shè)計(jì)過(guò)程形成系統(tǒng)認(rèn)識(shí)，啟發(fā)學(xué)生對(duì)船舶設(shè)計(jì)階段核心問(wèn)題的思考，提升創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。