高速穿浪双体船船型及性能研究*何 义 赵连恩(哈尔滨工程大学船舶与海洋工程系,哈尔滨150001)摘 要 穿浪双体船(WPC)是在小水线面双体船和高速双体船的基础上发展起来的一种新型高性能船,它保留了SWATH 船型的低阻高速、甲板面积宽敞等优点,同时融合了深V 船型优良耐波性 作者对穿浪双体船的船型及阻力和耐波性等方面进行了研究关键词 穿浪双体船;耐波性;阻力分类号 U 661.3Study of Form and Performance of High SpeedWave Piercing CatamaranHe Yi Zhao Lianen(Dept.of Naval Architecture and Ocean Eng.,Harbin Eng ineering U niversity ,Harbin 150001)Abstract Wave piercing catamaran is a new type of high speed multi-hull ship w hich is different from conventional high speed catamaran.In this paper the hydrody -namic research of w ave piercing catamaran is described.It includes the study of resis -tance and seakeeping perform ance.The results are compared w ith those of round-bilge and deep-Vee hulls.Key words wave piercing catamaran;seakeeping;resistance图1 艇体型线图0 引 言穿浪双体船(WPC)是80年代在小水线面双体船(SWATH)和高速双体船的基础上发展起来的一种新型高性能船,它保留了SWATH 船型的低阻高速、甲板面积宽敞等优点,同时融合了深V 船型优良耐波性,克服了SWATH 船片体无储备浮力和空间小等缺点 因此WPC 具有高效节能,综合性能优良,建造工艺简单,使用成本低,技术风险小等特点,已为许多先进国家所采用[1]收稿日期:1996-05-31* 船舶工业国防科技预研基金资助项目 责任编辑:刘玉明第18卷第4期 哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 Vol.18, .41997年8月 Journal of H arbin Engineering University Aug.,19971 性能与船型1.1 主尺度及片体形状在排水量已确定的情况下,选择穿浪双体船的长宽比L /B ,或确定修长系数L / 1/3,应以付氏数F 为根据,在F =1.0~3.0的过渡航态范围,其修长系数越大则对阻力性能越有利,因此相应的长宽比L /B 值就越大 穿浪双体船的容积付氏数通常在1.5~2.5的范围,较大的修长系数可获得较好的阻力性能 片体采用深V 形的横剖面形状,艏部龙骨甚至可下沉到基线以下,以增加V 形的程度,形成极深V 形,可避免艇艏底部出水,从而减小波浪的拍击 水线进角,根据付氏数和结构方面的允许,取得越小越好 对高速轻型穿浪双体船艉底横向斜升角,可以根据阻力性能和耐波性能来确定,通常采用较小的的值可获得较大的动升力,能提高艇的快速性能,同时有利于采用喷水推进器 但对于航速较低、排水量较大的大型穿浪双体船,采用使后体变平来产生有效升力的方法是不可取的,这是因为升力正比于尺度的平方而排水量正比于尺度的立方 这不仅不能获得所谓的滑行特性,改善阻力性能,反而会使耐波性恶化 因此,对于此类船可以采用较小的艉端收缩系数和较大的艉底部横向斜升角 1.2 浮体干舷与常规双体船相比,WPC 具有较小浮体干舷,尤其在艏艉两端,干舷大幅度减小,甚至为负值,这使得浮体的储备浮力沿船长具有合理的纵向分布,以减小船体对波浪运动的响应,避免发生失速 这使穿浪双体船在波浪中具有较高的航速,提高耐波能力,改善船体运动性能,在较高的海情下减小晕船率,能正常使用和发挥武备的威力1.3 连接桥和中央船体的形状连接桥和中央船体的形状与船舶在波浪中的运动性能有密切关系 连接桥的形状关系到储备排水量的分布,因此影响到穿浪双体船的航态控制和耐波性能 连接桥的水线面尖瘦,能提供的附加储备浮力很小,特别是在靠近艏艉端部 连接桥采用拱形的横剖面形状,有利于减小波浪对船体的冲击作用,也有利于船体的横向强度 中央船体在艏部的龙骨采用下垂的形式,横剖面呈深V 形,可缓和在大波浪中中央船体艏底部所受到波浪的砰击,同时提供附加的储备浮力 在一般海情下,中央船体不与波浪接触,只有在很大的海浪中,其图2 剩余阻力系数曲线附加的储备浮力可防止由于浮体的储备浮力不足,而使船艏过于陷入波涛中,以至甲板上浪或发生埋艏现象1.4 浮体间距浮体间距增大,当F r <0.5时,对于静水阻力的影响,规律性不太明显;当F r >0.5时,一般对静水阻力有利,对耐波性也有利,间距越大对艇在横浪中的运动越有利,可使其横向和纵向加速度明显减小,特别是在较短横波长的情况下更为有利 同时,使甲板面积增大,有利于舱室布置9 第4期 何 义等:高速穿浪双体船船型及性能研究图3 阻力比较和甲板载货 但是过大的浮体间距对船体的横向强度不利,使艇的结构重量增加2 船模试验及结果2.1 船模尺寸及试验状态试验模型为玻璃钢材料制作,外观光滑平顺,尺度为船模总长1.740m ,水线长1.560m ,总宽0.744m ,片体宽0.136m ,吃水0.036m ,型线图见图1 2.2 试验数据处理2.2.1 阻力试验及数据处理阻力试验在静水中进行,试验前对模型重量、吃水和浮态等参数进行了严格调整,完成了三种排水量时,不同航速下阻力的测量 试验结果见图2 将阻力曲线换算成600t 实船的阻力曲线,并与同吨位单体船进行比较,见图32.2.2 耐波性试验及数据处理试验前对重心位置和纵横向惯性矩进行了仔细调整和校验,完成了迎浪航行三种航速不同波长的试验,同时测量记录了纵摇、升沉、艏加速度、艉加速度、波浪增阻,还完成了正横波浪中静止横摇试验,测量记录了横摇、升沉值,试验结果见图4,其它结果见文献[2] 为了解实船在一定海情下的耐波性,需将船模在水池规则波试验结果换算成不规则波条件的运动响应,采用ITTC 单参数谱,根据试验值可确定幅频响应函数,从而计算出不同有义波高和航速下对应的运动有义值,计算通过编程在微机上完成图4 耐波性试验曲线3 理论计算由于穿浪双体船片体间距比较大,如计算迎浪情况,可忽略片体间的相互影响,细长的片体较好地满足了切片理论的假设,可采用切片理论进行耐波性计算10 哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 第18卷(a +A 11) Z +A 12 Z +A 13Z +A 12 +A 13 +A 14 =F Zc cos e t +F Zs sin e t(J +A 21) Z +A 22 Z +A 23Z +A 22 +A 23 +A 24 =M c cos e t +M s sin e t方程两边除2,满足(a +A 11) Z /2+A 12 Z /2+A 13Z /2+A 12 /2+A 13 /2+A 14 /2=F Zc cos e t /2+F Zs sin e t /2(J +A 21) Z /2+A 22 Z /2+A 23Z /2+A 22 /2+A 23 /2+A 24 /2=M c cos e t/2+M s sin e t /2式中, Z Z Z 分别为升沉加速度、速度、位移;分别为纵摇角加速度、角速度、角度;a 船本身的质量;J 船本身的纵向转动质量;F =F Zc cos e t +F Zs sin e t 是分解成余弦项和正弦项的升沉波浪扰动力;M =M c cos e t +M s sin e t 是分解成余弦项和正弦项的纵摇波浪扰动力矩;系数A 11,A 12 ,A 21,A 22 是流体动力系数,与频率有关其它符号说明参见文献[3]由于两片体完全对称,因此可按单体船的切片理论进行水动力系数计算及求解,但当对该船计算时应做湿表面修正,此修正应根据试验进行 另外,由于艏部的特殊性,也应特殊处理 程序说明见文献[4] 本计算在单体计算的基础上计算其耐波性能,包括纵摇、升沉、艏艉加速度、波浪增阻等 理论计算及试验比较见表1表1 穿浪双体船理论计算与试验比较(浪高2.0m )纵摇/( )升沉/m 艏加/g艉加/g波浪增阻速度/kn 18301830183018301830理 论2.331.300.760.700.400.440.160.251.441.85试 验2.481.440.850.730.600.450.240.300.951.51理论计算结果接近试验结果,可以作为迎浪时的耐波性预报4 结果分析及结论(1)由剩余阻力系数曲线可知(见图2),此船的阻力峰现象明显 F r =0.5时不利干扰相互叠加,剩余阻力达到峰值,阻力比同吨位单体船高10%,无效干扰点F r 0据有关资料分析,此类船为0.7附近 当F r >F r 0以后,剩余阻力曲线明显平坦,所以对于高速双体船设计状态取在0.7以后 与一般单体船比较,低速时阻力性能稍差一些,高速时阻力性较优(2)通过计算600t 穿浪双体船在航速18kn 和30kn ,波高为2.0m (4级海情)和3.5m (5级海情)下的耐波性,并与常规圆舭船及深V 船的比较可知(见表2,表3):低速时,由于不11 第4期 何 义等:高速穿浪双体船船型及性能研究能充分有效发挥其穿浪性能,因此耐波性较差;当高速时,由于船型发挥了穿浪性能,片体象尖刀一样穿过波浪,小的片体干舷更增加了其过浪性能,其运动性能除升沉外,普遍优于一般船型表2 穿浪双体船耐波性(浪高2.0m )纵摇/( )升沉/m 艏加/g艉加/g波浪增阻速度/kn 18301830183018301830穿浪船2.481.440.850.730.600.450.240.300.951.51深V 船2.172.100.430.570.410.580.240.372.483.06圆舭船2.752.560.650.820.620.740.300.422.632.92表3 穿浪双体船耐波性(浪高3.5m )纵摇/( )升沉/m 艏加/g艉加/g波浪增阻速度/kn 18301830183018301830穿浪船5.253.871.842.060.830.820.370.573.317.30深V 船4.334.541.141.470.641.030.390.655.439.08圆舭船5.135.331.461.920.831.330.450.745.779.23(3)波浪增阻在各种速度海情下均优于一般船型,因此,该船在波浪中可保持高航速通过研究表明,穿浪双体船在高速时是一种耐波性优良的船型,特别适合于车客渡船和其它对耐波性要求较高的船型 因此,作者认为穿浪双体船是我国高速船发展的重要方向,具有广阔的应用前景参 考 文 献1 赵连恩 高性能穿浪双体船的发展与军事应用前景 94高性能船学术会论文 西安,19942 哈尔滨工程大学新型船舶研究室 穿浪双体船模型试验报告 哈尔滨工程大学,19933 李积德 船舶耐波性 哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,19924 戴遗山 船舶适航性计算方法 船工科技,1977,(1)12 哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 第18卷。