賈敬蓓 宗 智 張文鵬

1大連海洋大學(xué) 海洋工程學(xué)院，遼寧 大連 116023 2大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室運(yùn)載工程與力學(xué)學(xué)部船舶工程學(xué)院，遼寧大連 116024

前三體船概念及其阻力和運(yùn)動(dòng)性能試驗(yàn)研究

賈敬蓓1宗 智2張文鵬2

1大連海洋大學(xué) 海洋工程學(xué)院，遼寧 大連 116023 2大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室運(yùn)載工程與力學(xué)學(xué)部船舶工程學(xué)院，遼寧大連 116024

采用模型試驗(yàn)方法研究了三體船側(cè)體的縱向位置變化對(duì)三體船阻力性能和運(yùn)動(dòng)性能的影響。模型試驗(yàn)包括三體船在靜水中的阻力試驗(yàn)和在規(guī)則波中的運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)兩部分。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，三體船側(cè)體的縱向位置對(duì)三體船阻力和運(yùn)動(dòng)性能的影響顯著；在高航速段，將側(cè)體的縱向位置選取在主體舯前位置，能明顯改善三體船的阻力性能和運(yùn)動(dòng)性能。基于此，提出前三體船的概念。

前三體船；阻力性能；運(yùn)動(dòng)性能；模型試驗(yàn)

1 引言

與常規(guī)排水型單體船相比，高速三體船具有甲板面積寬、快速性好、耐波性?xún)?yōu)、穩(wěn)性好、抗沉性高、生存能力強(qiáng)、改裝余地大等優(yōu)點(diǎn)，是一種在軍用、民用市場(chǎng)均有廣闊應(yīng)用前景的新船型。

自20世紀(jì)70年代起，三體船逐漸受到世界各國(guó)研究人員的關(guān)注［1］，有關(guān)三體船阻力和運(yùn)動(dòng)性能方面的研究也成為熱點(diǎn)，其研究方法主要有理論分析、船模試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算。其中，船模試驗(yàn)因其結(jié)果的可靠性而備受人們關(guān)注，但因船模試驗(yàn)的費(fèi)用高且耗時(shí)，因此，目前有關(guān)三體船船模試驗(yàn)的數(shù)據(jù)和資料并不多。近來(lái)，國(guó)際上在三體船阻力和運(yùn)動(dòng)性能方面進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究。Ackers等［2］進(jìn)行了大量的三體船模型阻力試驗(yàn)，并通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果論述了三體船側(cè)體的橫向縱向位置、對(duì)稱(chēng)性、排水量及攻角等對(duì)三體船阻力特性的影響。李培勇等［3－4］對(duì)圓舭細(xì)長(zhǎng)船體的三體船模型進(jìn)行了阻力和運(yùn)動(dòng)模型試驗(yàn)。顧敏童等［5］對(duì)高速小水線(xiàn)面三體船船型進(jìn)行了阻力模型試驗(yàn)。Degiuli等［6］對(duì)主體和側(cè)體均為Wigley船型的高速三體船進(jìn)行了阻力模型試驗(yàn)。Se等［7］對(duì)主體采用半滑行艇線(xiàn)型的三體船進(jìn)行了阻力模型試驗(yàn)。何木龍等［8］應(yīng)用均勻設(shè)計(jì)法進(jìn)行了三體船模型試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果系統(tǒng)地分析了三體船的興波干擾特性及其阻力性能。酈云等［9］對(duì)主體和側(cè)體均為Wigley船型的高速三體船模型進(jìn)行了阻力試驗(yàn)研究。唐豐等［10］提出了一種新型的三體船型，其主體和側(cè)體具有相同的線(xiàn)型，但主體主尺度小于側(cè)體主尺度，并對(duì)這種三體船型的阻力性能進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究。蔡新功等［11］選取一個(gè)主體為圓舭船型、側(cè)體為尖舭船型的三體船進(jìn)行了模型阻力試驗(yàn)。Hebblewhite等［12］通過(guò)模型試驗(yàn)研究分析了三體船側(cè)體的縱向位置變化對(duì)三體船運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響。

本文三體船模型的主體和側(cè)體均選取方尾折角線(xiàn)型，通過(guò)模型試驗(yàn)研究三體船側(cè)體的不同縱向位置對(duì)三體船阻力和運(yùn)動(dòng)性能的影響，并依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，提出“前三體船”的概念。

2 三體船模型試驗(yàn)

2.1 模型設(shè)計(jì)

三體船模型的主船體選取的是一個(gè)方尾折角線(xiàn)型的船體，兩個(gè)側(cè)體是在主船體的基礎(chǔ)上按4∶1的比例縮小后略加修改得到的。主體與側(cè)體之間通過(guò)兩個(gè)平行的木質(zhì)橫梁連接，這樣不僅能保證三個(gè)片體之間的固定連接，又能方便側(cè)體在橫向、縱向位置的移動(dòng)。三體船模型的橫剖面示意圖如圖1所示，主要船型參數(shù)如表1所示。

表1 三體船模型的主要船型參數(shù)Tab.1 Main particulars of a trimaran model

三體船的兩個(gè)側(cè)體相對(duì)于主體有許多不同的擺放位置，這些不同的擺放方式稱(chēng)之為三體船的不同構(gòu)型。為便于描述主體與側(cè)體之間的相互位置關(guān)系，選取了一個(gè)直角坐標(biāo)系。坐標(biāo)系原點(diǎn)o位于設(shè)計(jì)水線(xiàn)面上主船體的船中位置，ox軸沿船長(zhǎng)方向且指向船首為正，oy軸沿船寬方向且指向左舷為正。示意圖中的變量a和b分別表示三體船側(cè)體相對(duì)于主體的縱向和橫向位置，其中變量a代表側(cè)體船中與主體船中之間的距離，且當(dāng)側(cè)體船中位于主體船中之前時(shí)，a的取值為正；變量b代表側(cè)體中縱剖面與主體中縱剖面之間的距離，b的取值始終為正。三體船模型的構(gòu)型示意圖如圖2所示。

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的模型試驗(yàn)是將側(cè)體的橫向位置保持不變，即設(shè)定b=0.7 m，只變換側(cè)體的縱向位置。沿著主體的船長(zhǎng)方向，由船尾至舯前共選取了5個(gè)不同的側(cè)體縱向位置，并據(jù)此設(shè)計(jì)得到了5種不同的三體船構(gòu)型，具體參數(shù)如表2所示。

表2 三體船構(gòu)型參數(shù)Tab.2 The parameters of different trimaran configurations

三體船模型試驗(yàn)在大連理工大學(xué)船模拖曳水池中進(jìn)行，該水池長(zhǎng)160 m，寬7 m，水深3.7 m。

模型試驗(yàn)共包括兩大部分：一是三體船在靜水中的阻力試驗(yàn)，其傅汝德數(shù)變化范圍為Fn=0.1～1.0；二是三體船在規(guī)則波中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)，具體如表3所示。表中的λ代表規(guī)則波波長(zhǎng)；β代表浪向角，且β＝180°為迎浪。

表3 三體船在規(guī)則波中的運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)Tab.3 The trimaran motion tests in regular waves

3 三體船阻力性能

三體船模型在靜水中的總阻力試驗(yàn)如圖3所示。試驗(yàn)測(cè)得的是不同構(gòu)型三體船的總阻力Rt（單位 N）。

本文采用ITTC－57公式計(jì)算摩擦阻力系數(shù)：

式中，Cf為摩擦阻力系數(shù)；Re為雷諾數(shù)，Re＝。 其中，V 為 航速，m／s；L 為船長(zhǎng)，m；ν 為水的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，m2／s，取ν＝1.0× 1 0－6。

三體船的主體和側(cè)體雖具有相同的航速，但其船長(zhǎng)卻不相同，因而主體和側(cè)體的雷諾數(shù)也不相等。所以，必須將主體和側(cè)體的雷諾數(shù)及摩擦阻力系數(shù)分別進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)公式（1），可分別計(jì)算得到主體和側(cè)體的摩擦阻力系數(shù)，然后再由公式（2）分別計(jì)算出主、側(cè)體的摩擦阻力，將三個(gè)片體的摩擦阻力疊加在一起，即可得到三體船總的摩擦阻力。

總阻力減去總摩擦阻力即得到三體船的剩余阻力，再由公式（3），即可求得三體船的剩余阻力系數(shù)。

式中，Rr為船模的剩余阻力，N；ρ為水的密度，1 000 kg／m3；V 為船模的航速，m／s；S 為船模的濕表面積，m2。

經(jīng)換算得到的各構(gòu)型三體船剩余阻力系數(shù)隨傅汝德數(shù)變化的曲線(xiàn)如圖4所示。

從圖 4 可看出，在Fn＝0.1～0.2 區(qū)間內(nèi)，各種構(gòu)型三體船的剩余阻力系數(shù)相差不大，這是因?yàn)樵诖藚^(qū)間內(nèi)，摩擦阻力是三體船總阻力的主要成分，而剩余阻力所占比重較小。在 Fn＝0.2～1.0 區(qū)間內(nèi)，不同構(gòu)型三體船的剩余阻力系數(shù)之間差別明顯，這是因?yàn)樵诖藚^(qū)間內(nèi)，剩余阻力已成為三體船總阻力的主要成分，而不同構(gòu)型的三體船，其主體與側(cè)體之間所產(chǎn)生的興波干擾現(xiàn)象互不相同，從而導(dǎo)致各構(gòu)型之間的剩余阻力差別明顯。為便于分析，將Fn＝0.2～1.0區(qū)間大致劃分為3個(gè)區(qū)間，即 Fn＝0.2～0.5，F(xiàn)n＝0.5～0.65 和 Fn＝0.65～1.0，具體如圖 5～7 所示。

圖 5 是 Fn＝0.2～0.5 區(qū)間內(nèi)各構(gòu)型三體船的剩余阻力系數(shù)曲線(xiàn)圖。從圖中可看出，在這一區(qū)間內(nèi)，各種構(gòu)型三體船的剩余阻力系數(shù)均有較大的波動(dòng)， 而其中a＝－0.7和 a＝0.0這兩種構(gòu)型的曲線(xiàn)波動(dòng)尤為強(qiáng)烈。這主要是因?yàn)槿w船主體與側(cè)體之間產(chǎn)生了強(qiáng)烈的相互干擾，且相互干擾效果隨傅汝德數(shù)的變化也在不斷變化。當(dāng)主體與側(cè)體之間產(chǎn)生了有利的相互干擾時(shí)，興波阻力就會(huì)大大減小，從而使剩余阻力系數(shù)降低；而當(dāng)主體與側(cè)體之間產(chǎn)生了不利干擾時(shí)，興波阻力就會(huì)大大增加，從而使剩余阻力系數(shù)升高。

具體地， 當(dāng)Fn＝0.27～0.32 時(shí)，a＝－0.7 構(gòu)型的剩余阻力系數(shù)是所有構(gòu)型中最小的，在波谷Fn＝0.29處，其剩余阻力系數(shù)值比同傅汝德數(shù)時(shí)的最大值（a＝0.0 構(gòu)型） 減小了約 39%； 當(dāng)Fn＝0.32～0.41時(shí)，側(cè)體縱向位于主體船舯的a＝0.0構(gòu)型的剩余阻力系數(shù)遠(yuǎn)小于同傅汝德數(shù)時(shí)的其他構(gòu)型，在其系數(shù)曲線(xiàn)波谷Fn＝0.36處，其系數(shù)值比同傅汝德數(shù)時(shí)的最大值（a＝-1.0）減小了約30%。在Fn＝0.41～0.50 區(qū)間內(nèi)，a＝0.0 和a＝－0.7 這兩種構(gòu)型產(chǎn)生的剩余阻力是5種構(gòu)型中的較大者，其余3種構(gòu)型的剩余阻力均較小，且相互之間差別不大。

圖 6 是Fn＝0.5～0.65 區(qū)間內(nèi)各構(gòu)型三體船的剩余阻力系數(shù)曲線(xiàn)圖。從圖中可看出，側(cè)體縱向位于主體舯前的a＝1.0構(gòu)型的剩余阻力系數(shù)是所有構(gòu)型中最小的，其系數(shù)值與同傅汝德數(shù)時(shí)的最大值相比降低了10%以上。

圖 7 是 Fn＝0.65～1.0 區(qū)間內(nèi)各構(gòu)型三體船的剩余阻力系數(shù)曲線(xiàn)圖。從圖中可看到，5種構(gòu)型的剩余阻力系數(shù)曲線(xiàn)沒(méi)有任何交叉，且相互之間幾乎呈平行狀態(tài)分布。按照?qǐng)D中曲線(xiàn)自下而上的順序（剩余阻力系數(shù)由小到大）排列，依次為a＝1.0、a＝0.0、a＝－0.7、a＝－1.0、a＝－1.3，即隨著側(cè)體縱向位置從主體船尾向主體舯前移動(dòng)，三體船的剩余阻力也在不斷減小。在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，側(cè)體縱向位于主體舯前的a＝1.0構(gòu)型的剩余阻力最小，與此區(qū)間內(nèi)剩余阻力最大的a＝－1.3構(gòu)型相比，降低了約30%。

4 三體船運(yùn)動(dòng)性能

將三體船模型試驗(yàn)測(cè)得的縱搖幅值、垂蕩幅值和橫搖幅值分別進(jìn)行無(wú)量綱處理后，得到了縱搖放大因數(shù) θA／α0、垂蕩放大因數(shù) ZA／A0和橫搖放大因數(shù) ΦA(chǔ)／α0。 其中，θA為縱搖幅值，rad；ZA為垂蕩幅值，m；ΦA(chǔ)為橫搖幅值，rad；A0為規(guī)則波的波幅，m；α0為規(guī)則波的波傾，α0＝kA0＝2πA0／λ，rad。

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，得到的結(jié)果可分成以下4部分，即

1） 三體船縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng) （Fn ＝0.234，F(xiàn)n ＝0.494，F(xiàn)n ＝ 0.701）；

2） 三體船垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng) （Fn ＝0.234，F(xiàn)n ＝0.494，F(xiàn)n ＝ 0.701）；

3） 三體船橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)（Fn＝0.0）；

4）三體船在規(guī)則波中的總阻力 （Fn＝0.234，F(xiàn)n ＝ 0.494，F(xiàn)n ＝ 0.701）。

4.1 三體船縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

圖 8～10 分別表示 Fn ＝0.234、Fn ＝0.494 和Fn＝0.701時(shí)各構(gòu)型三體船的縱搖放大因數(shù)隨遭遇頻率的變化曲線(xiàn)。從圖中可看到，在中低速段（Fn＝0.234），側(cè)體縱向位于主體船舯的構(gòu)型其縱搖性能相對(duì)較好；而在高速段 （Fn＝0.494、Fn＝0.701），側(cè)體縱向位于主體船舯或舯前的構(gòu)型其縱搖性能較好。

4.2 三體船垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

圖 11～13 分別表示 Fn＝0.234、Fn＝0.494 和Fn＝0.701時(shí)各構(gòu)型三體船的垂蕩放大因數(shù)隨遭遇頻率的變化曲線(xiàn)。從圖中可看到，在中低速段（Fn＝0.234），側(cè)體縱向位于主體船舯的構(gòu)型其垂蕩性能相對(duì)較好；而在高速段 （Fn＝0.494、Fn＝0.701），側(cè)體縱向位于主體舯前的構(gòu)型其垂蕩性能較好。

4.3 三體船橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

圖14為各構(gòu)型三體船在零航速時(shí)的橫搖放大因數(shù)隨遭遇頻率的變化曲線(xiàn)。從圖中可看到，在ωe＜4.5的低頻區(qū)域內(nèi)，橫搖性能較好的是側(cè)體縱向位于主體船舯的構(gòu)型；而在ωe＞4.5的高頻區(qū)域內(nèi)，橫搖性能較好的是側(cè)體縱向位于位于主體舯前的構(gòu)型。

4.4 三體船規(guī)則波中總阻力

圖 15～17 分 別是 Fn ＝0.234、Fn ＝0.494 和Fn＝0.701時(shí)各構(gòu)型三體船在規(guī)則波中的總阻力。由圖中可看到， 在高航速段 （Fn＝0.494、Fn＝0.701），側(cè)體縱向位于主體舯前的構(gòu)型其在規(guī)則波中的阻力性能優(yōu)勢(shì)非常明顯。

5 前三體船船型

根據(jù)本文的試驗(yàn)結(jié)果可以看到，在Fn＞0.50的高速段，將三體船側(cè)體的縱向位置選取在主體船舯之前能顯著改善三體船在靜水中和規(guī)則波中的阻力性能。 同時(shí)，參考高速段（Fn ＝0.494、Fn ＝0.701）的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果可以看到，在Fn ＞0.50的高速段，側(cè)體縱向位于主體舯前的三體船構(gòu)型能產(chǎn)生整體上較優(yōu)的運(yùn)動(dòng)性能。

基于這些試驗(yàn)結(jié)果，本文提出“前三體船”這一新的三體船船型。這種三體船船型的側(cè)體縱向位置位于主體舯前，如圖18所示。

6 結(jié)論

本文通過(guò)三體船阻力和運(yùn)動(dòng)模型試驗(yàn)，研究了三體船側(cè)體縱向位置變化對(duì)三體船阻力和運(yùn)動(dòng)性能產(chǎn)生的影響，得到以下主要結(jié)論：

1）在Fn＜0.2區(qū)間內(nèi)，摩擦阻力是三體船總阻力的主要組成部分，三體船的構(gòu)型變化對(duì)阻力影響很小。

2） 在 Fn＝0.2～0.5 區(qū)間內(nèi)，三體船主體與側(cè)體之間的相互興波干擾較強(qiáng)烈，且這種干擾現(xiàn)象是隨傅汝德數(shù)和三體船構(gòu)型的變化而不斷變化。

3）在Fn＞0.50的高速段，對(duì)于側(cè)體縱向位于主體舯前的三體船構(gòu)型，其在靜水中和規(guī)則波中的阻力性能明顯優(yōu)于其他側(cè)體縱向位于主體船舯和舯后的構(gòu)型。

4）在Fn＞0.65的高速段，三體船剩余阻力大小與側(cè)體縱向位置之間具有明顯的規(guī)律性，即隨著側(cè)體縱向位置從主體船尾向舯前方向移動(dòng)，三體船的剩余阻力也不斷減小。

5）綜合比較來(lái)看，在中低速段，側(cè)體縱向位于主體船舯的構(gòu)型能獲得較好的縱搖和垂蕩性能；而在高速段，側(cè)體縱向位于主體舯前的構(gòu)型能獲得較好的縱搖和垂蕩性能。在低頻區(qū)域內(nèi)，側(cè)體縱向位于主體船舯的構(gòu)型其橫搖性能較好；而在高頻區(qū)域內(nèi)，側(cè)體縱向位于主體舯前的構(gòu)型其橫搖性能較好。

6）基于本文的試驗(yàn)結(jié)果和分析，本文提出了“前三體船”這一新的三體船船型概念。

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Fore-Body Trimaran and Experimental Study of Its Resistance and Motion Characteristics

Jia Jing－bei1 Zong Zhi2 Zhang Wen－peng2
1 College of Ocean Engineering， Dalian Ocean University， Dalian 116023，China
2 School of Naval Architecture Engineering， Faculty of Vehicle Engineering and Mechanics， State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment， Dalian University of Technology，Dalian 116024，China

The resistance and motion characteristics of trimaran hull form have been studied by experimental method.The model experiment consists of two parts： the resistance experiment on calm water and the motion experiment in regular waves.According to the experimental data， it can be found that the longitudinal arrangement of the side－h(huán)ulls plays an important role in trimaran resistance and motion characteristics.For high speed range， the trimaran resistance and motion performance could be significantly improved by placing the side－h(huán)ulls before the mid－ship of the main hull.Based on the experimental results， a new ship type known as fore－body trimaran is presented.

semi-planing fore－body trimaran； resistance characteristics； motion characteristics； model test

U661.31

A

1673－3185（2011）02－09－06

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.02.002

2010-04-12

創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金：海洋環(huán)境災(zāi)害與結(jié)構(gòu)安全防護(hù)（50921001）；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目：復(fù)雜裝備研發(fā)數(shù)字化工具中的計(jì)算力學(xué)和多場(chǎng)耦合若干前沿問(wèn)題（2010CB83270）

賈敬蓓（1984－ ） ，女，博士，講師。 研究方向：船舶水動(dòng)力學(xué)。 E-mail：jiajingbei＿1221＠163.com

宗 智（1964－ ），男，教授，博士生導(dǎo)師。 研究方向：船舶與海洋工程。E-mail：zongzhichina＠163.com