三体船阻力试验研究

三体船阻力试验研究
作者：许君林
来源：《中国水运》2014年第05期
摘要：介绍了高速排水型三体船模型静水阻力试验。

在傅汝德数0.3～0.8范围内进行了系列试验。

基于三体船船模系列阻力试验结果，系统研究了侧体位置对三体船阻力的影响。

希望得到三体船侧体布局优化方案。

关键词：三体船阻力试验船模试验侧体布局
近年来，三体船作为一种高性能船型引起了造船界以及各国海军越来越多的关注。

三体船的形式多种多样，一般来说，典型的三体船水下部分由中间主体和对称布置于两侧的侧体共3个细长片体组成，中间主体长宽比大约在12～18之间，侧体长宽比一般大于20，主体排水量占总排水量的85% ～95%。

这种船型比常规的单体船或双体船在相同排水量情况下可减小10%～20%的有效功率。

但是，由于细长型船体的空船重量，特别是船体结构重量相对常规船型会有较多增加，故有效载荷将减少。

由于其船型构造特点，该船型在快速性、耐波性、总布置以及隐形性能诸方面较高速单体船和双体船有较大优势。

特别在利用片体合理布局产生水动力有益干扰以降阻增速，避免双体船的“扭摇”与“急摇”，减小纵摇、升沉，以及水下船体声学隐形、上层建筑光学隐形等方面，高速三体船具有突出的优势。

相关文献表明，侧体布置位置对三体船的阻力性能影响较大，在航行时主、侧体之间产生相互干扰，如果侧体位置适当，可以降低阻力。

结合三体船的阻力性能来研究侧体布局是三体船船型优化的重要内容之一。

由于多体船湿表面积相对单体船的增加，摩擦阻力增大，低速时阻力性能较差，而高速时侧体和主体间的干扰成为影响多体船阻力的重要因素。

本文研究侧体不同纵横向位置时对三体船的阻力影响规律，得出随航速不同侧体布局的基本规律。

试验设计
具体试验时三体船船模的布局如图1所示。

船体模型主尺度如下，取缩尺比为60：
侧体的纵向布置位置对阻力的影响程度比横向位置显著，当侧体在一定的纵向位置时，横向位置的改变对阻力的影响不大；为了证明这一点，我们研究了侧体在两个横向位置下，随着纵向位置的改变剩余阻力的变化。

而且，大多文献所得出的结论是：当傅汝德数较高时，侧体的纵向位置是在船舯靠后位置更为有利；为了考察这一点，我们在船舯以后的位置选取了较密的试验点。

与以往三体船实验不同，本次试验我们多引进了一个参数θ，表示侧体中纵剖面与主体中纵剖面的夹角，以研究斜侧体阻力情况.最终我们制定了这样的试验方案：
模型材料为木制，表面经油漆达到平顺光滑，未装附体。

试验是在江苏科技大学船舶与海洋工程学院的船模拖曳水池中完成的。

拖曳水池长100 m，宽6 m，水深2 m。

大型拖车，最高车速6 m/s。

船模阻力Rm由阻力仪测得，本次实验采用电测式阻力仪，阻力仪安装在拖车上，拖线经导轮与阻力仪连接。

下端连接拖线带动船模前进。

按事先拟定的试验速度启动拖车，待拖车到达稳速状态后释放船模制动器，开始测定阻力和相应的航模速度。

在测量已经完成时停止记录，制动船模，再使拖车减速直到停止。

然后以低速将拖车退回到试验起始位置，等待水面平静后再作下次试验。

记录水池水温。

模型阻力曲线见图1。

并按照傅汝德法进行了阻力系数计算。

试验结果及分析
1、试验数据处理
试验直接得到的数据是船模在各个位置不同航速下的总阻力，为了便于比较兴波阻力之间的关系，本文通过一些变换得到各个位置下的剩余阻力系数。

下面将剩余阻力系数换算的过程介绍一下。

首先，我们利用光滑平板摩擦阻力公式（如下）计算出摩擦阻力系数。

这里选取粗糙度补贴系数△Cf=0.0004。

式中，Cf为摩擦阻力系数，Re为雷诺数，u为船模航速（m/s），L为船长（m），ν为水的运动粘性系数（m2/s）。

但由于船模的主体和侧体的雷诺数相差很大，所以我们需要对三体船的主体、侧体的雷诺数和摩擦阻力系数分别进行计算。

然后再由公式
分别计算出主侧体的摩擦阻力，将三个片体的摩擦阻力叠加在一起即得到三体船总的摩擦阻力。

再将总阻力除去总摩擦阻力后即为三体船剩余阻力，由公式
式中，Rr为船模的剩余阻力（N），ρ为水的密度（1000kg/m3），u为船模的航速
（m/s），S为船模的湿表面积（m2）。

2、试验结果分析
经过换算，最终所得各位置下剩余阻力系数及换算成实船后有效马力曲线如图1所示。

下面把剩余阻力系数曲线图分成不同的傅汝德数区间分别进行讨论。

再根据侧体纵、横向位置的变化，来考察三体船的阻力性能，分析在不同航速段下侧体和主体有利干扰或干扰较小情况下侧体的纵向布置规律和横向布置规律。

另外又根据不同航速考察了侧体和主体干扰阻力随不同纵横向位置的等值分布情况。

根据总体布置等方面初步确定了
各三体船的不同纵横向位置组合方案，理论计算结合模型试验考察了不同三体船各个方案的阻力性能。

在傅汝德数小于0.3时，侧体设置在船舯位置，能够对兴波阻力产生比较明显的有利干扰，使得剩余阻力系数比其他位置处小很多；在Fr=0.40～0.50区间内时，侧体放在尾部，整艘船得有效马力较小，对三体船阻力性能有利；所以在建造实船时，应根据设计的航速来选择侧体的前后位置。

吃水相同，侧体间距相同，比较侧体中部、尾部情况。

侧体在尾部的阻力变化情况要比在中部阻力情况好。

当傅汝德数Fr>0.5时，由试验图片以及阻力曲线可以看出，侧体处于舯前位置时，剩余阻力系数是几个试验位置中最小的，剩余阻力系数随着侧体位置的后移是不断升高的。

因此，当Fr>0.5时，将侧体设置在船舯靠前的位置，能够有效地降低三体船的剩余阻力。

对比了两种不同侧体分布下，侧体与主体之间夹角变化的阻力系数曲线后，我们不难发现，除去一些微小的误差，三种角度下剩余阻力系数的变化趋势基本相同，在图5中，侧体与主体有夹角时的阻力总体大于平行时，而在图6情况下，当Fr小于0.42时，斜侧体对模型产生有利影响，剩余阻力小于侧体平行时，而随着速度的增加，斜侧体阻力逐渐增加超过了平行侧体情况。

这种现象受兴波波峰波谷干扰还有待进一步研究。

结语
低速时，三体船兴波干扰与侧船体位置参数的依赖关系相对复杂，在比较大的片体位置参数范围内，没有明显的规律可寻，且剩余阻力系数的变动范围很大。

高速时，侧体纵向位置变化对三体船阻力性能的影响较大，而在纵向位置保持不变时，侧体横向位置的变化对三体船总阻力的影响较小。

而且难以得出不同速度时阻力性能都十分理想的侧体布局。

对于相同的侧体横向位置，在较高速度段侧体纵向向后布置对三体船阻力性能更有利，而在速度相对较低的某一速度段内，侧体纵向位置向前布置对三体船阻力性能更有利。

总体来说，在较高Fr数时，侧体纵向靠后、横向靠中的布置兴波干扰较小，阻力性能较好。

（作者单位：安徽省皖江船舶检验局）。