水翼船与机翼理论

水翼船与机翼理论

1. 引论

水翼船在翼载状态通常有良好的耐波性，所产生的余波小，由于入射波引起的速度损失也小。对于全浸式水翼系统，这些优点尤为显著。水翼的设计工况一般是亚空泡状态，然而，空泡产生的可能性仍然是一个重要的问题。讨论中，架设水翼无空泡。

Johnston指出，在选择全浸式水翼系统中的水翼和支柱的结构布局时，有如下一些重要的方面：

（1）保持航向稳定性和横摇稳定性。

（2）当水翼露出水面时，能够稳定的恢复到浸没状态。

（3）恶劣海况下航行性能温和的趋向恶化。

（4）安全性。

设计者力图使水翼的升阻比和空泡初生时的航速最大化。而满足结构要求的条件下，必须实现支柱—水翼系统质量的最小化。

以下首先描述水翼船的主要特征和重要的物理特性。其次是对机翼理论进行详细讨论。想用数值方法预报水翼船在波浪中以及在启航和操纵过程中的定常特性和非定常特性，机翼理论是一个必要的基础。机翼理论的描述，将从介绍基于源，汇和偶极分子的边界元方法开始；这个方法可以考虑非线性理论，三维流动，水翼和支柱的相互作用以及自由表面效应。再次讨论线性理论，线性理论的优越性是，可以更容易地看出攻角，拱度，襟翼和三维流动，如何影响水翼的升力和阻力。此外，还要讨论自由表面和水翼的相互作用如何影响水翼的定常

升力和阻力；这项分析有实验结果的论证。最后讨论由于入射波浪引起的非定常情况；这将用于计算一个翼载状态的水翼船，在遭遇迎浪规则波或规则波时的垂荡和纵摇运动。

2.水翼船的主尺度

图1.1还给出了一个带襟翼的全浸型水翼系统的例子:前支柱用于转向操纵，喷水推进则和后翼布置组合在一起。喷水系统有一个喷压式的入水口，内部的管道经过内支柱，然后水从船尾喷到空气中，许多现有的水翼船都装有襟翼，它们用于控制纵倾和图1.2给出了各种类型的水翼布局。

表1.1和表1.2分别给出了单体划割自由面型和全浸型水翼船的主要尺度。

3.物理特征

3.1 水翼航行状态的静态平衡

在翼载状态下，船的重量由水翼系统提供的定常升力来平衡。对于

全浸型水翼系统，可以得到：

Mg=p/2*C L U2A

此式也用于说明，水翼的平面面积如何随船体大小的增长而增长。船体重量的增加，对有效载荷产生负面影响，对商业客船来说，是最大载客量的减少。然而，从结构强度的观点来说，设计水翼—支柱系统，使它的重量相对船体的重量而言，随船体重量的增加而只有轻微的增加，是完全可能的。

为了确定船舶的纵倾角，需要分别考虑首尾水翼的升力系数。单个水翼的升力系数C L取决于许多参数，如来流的攻角，襟翼角，拱度，厚度，弦长比，展弦比，水翼浸深与最大弦长之比，潜深弗劳德数，来自上游水翼的干扰，空泡数，雷诺数。水翼表面的其他细节也很重要。此外，潜深弗劳德数在浅水中，也有很大影响。

图1.5示意地说明了定常升力如何随攻角和襟翼角而变化。

3.2主动控制系统

主动控制系统通常用于全浸式水翼船，以维持船舶在静水中的升沉，横倾和纵倾的稳定性。该系统也用于操纵控制和降低由波浪引起的加速度及船与波浪在竖直方向的相对运动。用传感器测量水翼船的位置，用襟翼来抵消位置的变化。作为主动控制系统的一部分，需要有描述水翼船运动特性的计算机程序。

带有主动控制系统的水翼船，常采用凌波平驰模式和依浪起伏模式。在长波中采用依浪模式，可使船与波的垂向相对运动降至最低，从而避免水翼的吸气和刮水。在较短的波浪中采用凌波模式，可使船

舶在竖直方向的加速度降至最小。

3.3空泡

设计在亚空泡条件下的水翼，因为空化问题而使船速限制在50节以下。当水中的压力等于汽化压力，即接近零时，空泡就会出现。空化的后果一个是，水翼的材料迅速破坏和水翼的举升能力极大降低；另一个是水翼上的阻力增加。因为空化时伴随噪音产生，当空泡可能造成破坏时，人们在船上就可以听到。

以下将通过研究一个有襟翼的二维水翼周围的压力分布（见图1-8），来阐述在水翼上出现空泡的可能性。总压力可表示为：P=P a+ρgh+ρ/2*U2(1-(U L/U)2)

为了减小空化的可能性，沿水翼的压力分布应该比较平坦，即没有很突兀的局部压力极小值。

用给定水翼的无空泡斗曲线可以判别空化的可能性。用图1.8的例子来说明这个计算过程。引入压力系数

C p=(p-p0)/0.5 U2

如果最小压力小于或等于汽化压力，空化就会在水翼上的某点发生。

为了延缓空泡，而对尾水翼做出恰当设计时，需要求出首水翼在尾水翼上产生的下洗速度。图1.13展示了数值计算的下洗速度。

3.4 从壳载到翼载状态

设计时要重点考虑的是，推进系统要有足够的功率和效率来抬升船体，使之达到翼载状态。当使用喷水推进时，这是要特别关注的地方。

图1.15所示的推进器推力曲线对应于一个设定的功率。从中看出，

推力随航速的增加而减小。这里同时使用了常规螺旋桨和喷水推进器。

注意到，在图1.15中，航速约20节附近，阻力曲线有一个阻力峰。那时船体还在水中，裸体阻力，附体阻力都要考虑。静水中的阻力峰在决定推进功率时至关重要。还需留出20%~25%的余量，以考虑在实际海况下最大可能的阻力增加。

翼载状态时的阻力包括：

（1）水翼和支柱上的粘性阻力。

（2）诱导阻力。

（3）水翼和支柱的波浪阻力

（4）支柱上的喷溅阻力。

此外，还有附体阻力和螺旋轴上的阻力。

翼载状态时，由升力诱导的作用在水翼上的阻力，将随航速的增加而降低。其原因是：首先考虑到诱导阻力系数C D与升力系数的平方C L2成正比；其次，船舶的总重量与总升力相互平衡，这意味着，随着航速的增加，C L与U-2成反比的减小。因此，升力诱导的阻力系

数和阻力分别于U-4和U-2成正比。