資料內(nèi)容僅供您學習參考，如有不當或者侵權(quán)，請聯(lián)系改正或者刪除。翼滑艇水動力特性實驗研究陳淑玲,楊松林(江蘇科技大學,船舶與海洋工程學院,江蘇,鎮(zhèn)江,21)摘要:本文選擇具有淺V滑行面及T型水翼11.8m翼滑艇進行船模實驗研究。選擇兩個不同的初始安裝角(-1.5o及0o),分別進行拖曳實驗,對實驗結(jié)果進行綜合分析比較,得到了該型翼滑艇阻力性能的有關(guān)結(jié)果、縱傾狀態(tài)隨航速的變化情況以及不同水翼安裝角對阻力性能的影響。實驗表明該船型在高速階段阻力性能優(yōu)于尺度相近的滑行艇,水翼設計符合要求。實驗結(jié)果可應用于實船的設計。關(guān)鍵詞:翼滑艇;阻力;拖曳實驗中圖分類號:U661.3文獻標識碼:A0引言翼滑艇又稱單水翼滑行艇,是水翼艇與滑行艇相結(jié)合的產(chǎn)物,可廣泛應用于內(nèi)河、湖泊、港灣等風浪較小的水域[1]。前蘇聯(lián)曾經(jīng)開展過一型單水翼滑行艇的研究并制造出實船進行實驗,發(fā)現(xiàn)該型快艇在海洋中適航性能較差,就沒有繼續(xù)進行研究。中國擁有數(shù)量眾多的內(nèi)陸湖泊與河流,在這些區(qū)域中,風浪較小,翼滑艇在快速性上表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢。與主尺度相近的滑行艇相比,翼滑艇在同等航速下阻力降低約5％～15％。在高性能船(HSV)研究領域,將不同船型進行”雜交”,吸取其不同的特點從而產(chǎn)生新的船型,是一種研究創(chuàng)新的有效手段[2]。翼滑艇在航行狀態(tài)下,前部水翼承擔50％～60％艇重,后部滑行面承擔剩余部分,其航行狀態(tài)亦可看作滑行艇與水翼艇的結(jié)合。因此,在對翼滑艇進行水動力分析的時候,往往將兩者特性結(jié)合起來研究。研究的手段有多種,主要分為理論手段與實驗手段兩種。文獻[3]經(jīng)過優(yōu)化的方法,對包括翼滑艇在內(nèi)的高速單體船進行快速性、操縱性的綜合研究。實驗方法的研究主要集中于滑行艇等方面,關(guān)于翼滑艇阻力性能的實驗研究,尚未見到國內(nèi)相關(guān)報道。相比于傳統(tǒng)阻力性能實驗,本文的創(chuàng)新點在于:①在底部滑行面上設置壓力測量點,能夠反饋滑行面壓力變化情況,以此作為改進滑行面型線設計的重要依據(jù);②水翼角度的調(diào)節(jié),利用杠桿結(jié)構(gòu),具有方便性與可靠性雙重特點。文獻[4]利用長11.對11.8m長具有T型水翼與淺V型滑行面翼滑艇開展了快速性實驗研究,分別就水翼安裝角-1.5o與01船模與拖曳布置1.1模型主尺度文中所采用的船型是11.8m翼滑艇的1:10縮尺模型(見圖1)。船模采用木夾芯玻璃纖維強化塑料制作。水翼采用鋁板磨制,其框架采用不銹鋼制作。在實驗過程中,模型上甲板邊緣安裝有防止飛濺水的豎直擋板,高度為圖1模型肋骨型線Fig.1Riblinesofmodel艇體為淺V型滑行艇艇型。其主尺度為d=0.5m,L=11.8m,B=3.2m,Δ=11.46t。水翼的幾何特性選取如下:水翼剖面為弓形,弦長b=500mm,水翼展長L=3由于翼滑艇對于壓載狀態(tài)十分敏感,因此首先對模型進行排水量及重心縱向位置的測量。模型空重M0=6.2kg,壓載為5.1.2測量方式及其裝置需要測量的參數(shù)包括船模在相應拖曳速度點下的阻力、對應的首尾垂向位置以及4個壓力測量點的壓力數(shù)值。首尾垂向位置采用直線位移傳感器測量,其問距126cm。主要經(jīng)過三角函數(shù)等幾何方法計算縱傾以及重心垂向位置的變化。1.3拖曳速度點的選取拖曳速度點的選擇,需要包含設計速度并適當超越,需要體現(xiàn)阻力曲線的變化情況一。考慮到模型與實船之問的縮尺比為1:10,選擇如下:1)Vs=50km／h與Vs=55km／h,及在拖車最大拖曳速度取3個速度點;2)Fr=0.3與Fr=0.5分別取2個速度點;3)Fr=0.3與Fr=0.5之間取1個速度點,Fr=0.5與V=55km／h之間取1個速度點;其余速度點在Fr<0.3時取。根據(jù)Frs=Frm,計算出所需的拖曳速度,即所需要的9個速度點。利用傅汝德相似能夠計算出,拖車的拖曳點如下:0.6,1.3,2.1,2.7,3.7,4.1,4.4,4.6,4.8;單位為m／s。當前中國快艇船模實驗均采用自由縱搖的拖曳方式。在翼滑艇拖曳阻力實驗中也采用這種方式。拖點位置選取在6號站(重心位置)。垂向位置為距離上甲板向下45mm,記錄基線距離為55mm2實驗方案圖2為4個壓力測量點的位置。其中B點距離中軸線距離-60.0mm(左舷),C點距離中軸線距離15．0mm(左舷),D點距離中軸線距離圖2壓力測量點的分布Fig.2Distributionofpointsforpressuremeasure采用U型排管測量4個點的壓力情況。壓力點采用金屬端口與外表面齊平,經(jīng)過橡膠管與U型排管相連接。為了不影響壓力測量,U型排管布置在拖車升降桿上,位于模型正上方。橡膠管中段束縛于升降桿,自身重力作用施加于模型方向的力因此能夠忽略不計。由于拖車穩(wěn)定航行時間過短(5～10S),U型排管讀數(shù)采用拍攝法進行記錄,實驗數(shù)據(jù)處理階段再進行判讀。水翼的安裝角(初始攻角)有2個,分別是-1.5o與0o。在早期的研究中曾經(jīng)嘗試過更大的安裝角+2.5o進行阻力實驗。發(fā)現(xiàn),初始攻角大于0o之后,其穩(wěn)定航行階段縱傾角過大(>10o),而且其阻力性能在Fr>l之后表現(xiàn)的比之安裝角-1.5o與0o的情況下要惡劣,因此在進行本研究時排除了安裝角+2.5o的情況,而重點進行安裝角-1.5o與0o的研究。3實驗結(jié)果及分析3.1阻力翼滑艇阻力特性與傳統(tǒng)滑行艇相似[8]。阻力隨著速度的增加,呈現(xiàn)先增大后減小,然后再次增大的趨勢。即存在一個特征值速度。圖3為實驗進行時的照片:圖3實驗進行時的照片(Vs=3.74m/sFig3Hydrofoilduringtest圖4不同水翼安裝角下的阻力曲線Fig.4Resistancecurveswithdifferenthydrofoilinstallationangles將不同水翼安裝角下阻力值進行比較發(fā)現(xiàn),同等速度下,較大的水翼安裝角對應阻力值較小。對應不同的水翼安裝角,其特征速度均在Fr=0.6左右,對應速度為2.04m／3.2航行縱傾航行縱傾與阻力變化表現(xiàn)出了相似的傾向。且較大的水翼安裝角下,模型縱傾值在各個速度點下基本上都較大。其最大值為8.953。(0o水翼安裝角)與8.241(-1.5o水翼安裝角)。圖5中橫坐標為船長Fr,縱坐標為縱傾角度值φ。圖5不同水翼安裝角下的縱傾曲線Fig.5Trimanglesatdifferentvelocitywithdifferenthydrofoilinstallationangle3.3垂向位置的變化在模型阻力實驗過程中,認為重心縱向位置(X)相對于模型保持不變,且模型前后縱蕩很小(<10cm),對其垂向位置的變化影響經(jīng)過三角關(guān)系換算之后很小,因此可忽略不計。得到其變化曲線(見圖6)。重心在豎直方向上隨著速度增加首先下沉,然后隨速度增加至最大并穩(wěn)定。圖6不同水翼安裝角下的重心垂向位置曲線Fig.6Verticalpositioncurvesofmasscenterwithdifferentinstallationangles3.4濕面積的變化經(jīng)過測量模型的縱傾及重心垂向位置變化,在圖紙上能夠得到不同速度下的水線位置。繪制新的水線,與各站位產(chǎn)生交點(左右舷對應2個點)。稱從左舷點經(jīng)過船底到達另-N點之間曲線為浸濕長度。從AutoCAD上能夠量取之,再采用積分方法得到濕面積S。濕面積隨著速度增加逐漸減少(見圖7)。在Fr=1.3處降低至原來濕面積的50％。圖7不同水翼安裝角下的濕面積曲線Fig.7Wetareacurveswithdifferentinstallationangles3.5船底壓力經(jīng)過重復確認并比較,選取水翼安裝角為0o下的壓力數(shù)據(jù)進行分析。測量的壓力數(shù)值指壓力點前后壓力值變化情況,而非其相對壓力值。因此,壓力點在靜態(tài)下由于深度不同而產(chǎn)生的初始壓力對于最終的結(jié)果沒有影響。見圖8,xp為壓力變化值。A點壓力變化值始終為負值。且4點壓力絕對值均在Fr=1.1左右達到最大。這時對應的阻力值已經(jīng)越過特征速度點,而縱傾值經(jīng)過最大值點之后略微回落。B、D兩點阻力變化曲線基本一致。主要是因為兩點關(guān)于中線左右基本對稱。由于壓力點過少,無法根據(jù)已有數(shù)據(jù)對模型滑行面上壓力情況進行定量分析。BDCABDCA4點壓力值變化,由于滑行面能夠認為是假設為小展弦比機翼,因此應用機翼繞流理論來進行解釋。同時對應4點位置以及模型的縱傾狀態(tài),發(fā)現(xiàn)A點基本上位于速度最大點附近(能夠?qū)φ諜C翼理論)。根據(jù)柏努利原理其壓力值相對無窮遠處數(shù)值(相對壓力為0)要小,因此始終為負值。而其后3點已經(jīng)位于相當于機翼下表面后段的位置,其壓力值要增大。具體的數(shù)值變化情況需要采用PIV等設備測量各處流場的定量數(shù)值才能夠進行分析,而這將在今后的工作中開展。4結(jié)論根據(jù)阻力實驗得到以下結(jié)論:1)翼滑艇阻力值在較大的水翼攻角下較小,可是其最大縱傾角較大。過大的縱傾角對于航行安全與乘客舒適程度是不利的。與滑行艇相比,翼滑艇特征速度出現(xiàn)的較早(Fr=0．6)。這主要是由于其前部的水翼提供升力作用,導致艇體提前抬升。如果減小水翼面積,降低其升力作用,特征速度相對延遲,從而設計航速能夠選取更大的數(shù)值。2)隨著速度增加,模型濕面積始終在減少,而縱傾角是先增大,而后略微減小,重心在垂向上先下沉而后抬升至Fr>1.2之后趨于穩(wěn)定。經(jīng)過分析,發(fā)現(xiàn)最大縱傾角與水翼浸深、水翼升力之間關(guān)系密切。適當改變水翼浸深,對升力影響作用不明顯,而對最大縱傾角以及穩(wěn)定縱傾角產(chǎn)生明顯影響。3)底部滑行而壓力變化數(shù)值與縱傾角變化曲線趨勢一致(先增大后略微減小),而重心的垂向位置變化對其沒有明顯影響。與滑行平板理論進行比較能夠發(fā)現(xiàn),翼滑艇底部壓力變化與縱傾角呈正比關(guān)系。對于同一型翼滑艇,實際上反映的是滑行面迎水角與壓力變化為正比關(guān)系。在設計中,能夠經(jīng)過改變船底型線來改變底部升力。該實驗為型線的設計提供了定量的參考。4)根據(jù)實驗結(jié)果以及阻力性能、縱傾角綜合分析,對于該型翼滑艇,建議選擇Fr=1.0左右時的速度為設計航速;建議減小水翼浸深(10％左右)以減小最大縱傾角。參考文獻:[1]楊松林,張正滿.凌波飛舟——高性能船舶[M]．北京:國防工業(yè)出版社,．[2劉謙,龐立國,王魯?shù)龋咝阅茈p體滑行艇設汁[J]．船舶,(1):15-17．[3]董亮,楊松林．高速單體船快速性與操縱性綜合優(yōu)化混沌算法[J].江蘇科技大學學報:自然科學版,,21(1):7-11．[4]楊海燕．滑行艇船體性能的模型試驗[J]．國外艦船工程,(6):1-6．[5]XIEN,DRACOSV,ANDRZEJJ