王鈺元

摘 要：分析雙體小水線面水翼復合型高速船（HYSWATH）的阻力變化規(guī)律，并在此基礎上討論HYSWATH處于翼航狀態(tài)時吃水和縱傾角的計算方法，形成了計算HYSWATH翼航狀態(tài)阻力的方法。并將計算結果和模型試驗結果比較，分析產生誤差的原因。

關鍵詞：HYSWATH 阻力 翼航狀態(tài) 平衡

考慮將不同類型的高速船雜交“取長補短”獲得更佳的性能，走所謂復合型的道路，是現(xiàn)今高速船的一個發(fā)展方向。復合船型的概念考慮了水面艦船現(xiàn)有的三種升力源：無動力靜升力（浮力）、有動力靜升力（氣墊升力）和動升力，采用不同的比例進行組合，形成一個全新的船型。

在小水線面雙體船兩個片體之間的前后分別設置水翼，并適當選擇前后水翼之間的距離，依靠水翼的動升力來承擔50%～60%的靜水浮力，就可以相應的減小下體排水體積，理論上能夠減小35%～45%的濕表面積，45%～55%的興波阻力，35%～45%的摩擦阻力，從而提高小水線面雙體船的航速，同時，由兩個水翼所產生的力矩能克服Mank力矩的作用，使小水線面雙體船在高速領域也能保證正常安全航行。這種雙體小水線面水翼復合型高速新船型（HYSWATH），兼?zhèn)湫∷€面雙體船和水翼艇的優(yōu)點，在快速性，耐波性和穩(wěn)定性方面應能具有更加優(yōu)良的性能。

雙體小水線面水翼復合型高速船（HYSWATH）的阻力主要由船體的阻力，水翼的阻力和船體與水翼之間的干擾阻力這三部分組成。本文主要研究HYSWATH船進入翼航狀態(tài)后的阻力和運動姿態(tài)計算方法，并和模型試驗結果進行比較，驗證計算方法的可靠性，同時還初步探討了主要參數(shù)對阻力的影響規(guī)律。

HYSWATH阻力計算方法

水翼升力的變化導致水翼本身阻力的變化，并改變船體的吃水和縱傾角，同時，翼航姿態(tài)（吃水和縱傾角）的變化又導致水翼升力的變化。因此計算HYSWATH船體阻力，要同時考慮其翼航姿態(tài)。

HYSWATH船體的阻力比較復雜，包括上體、支柱、主體以及水翼的阻力，而每一部分又可分為興波阻力、粘性阻力和噴濺阻力等幾個部分。低速航行時，水翼的升力較小，上部船體尚未脫離水面，HYSWATH處于體航狀態(tài)，支柱和主體所引起的興波阻力在總阻力中的比例很小，可以忽略不計，船體阻力與常規(guī)排水型船類似，可用傳統(tǒng)的方法進行計算，本文不作重點研究。

隨著航速的提高，水翼升力增大，上部船體離開水面，水線位于支柱處，HYSWATH處于翼航狀態(tài)，船體阻力由主體和支柱的阻力組成，此時HYSWATH阻力的數(shù)學模型與小水線面雙體船相似，但翼航吃水是一個未知參變量，需要通過求解作用于船體上的力和力矩的平衡方程式得到翼航姿態(tài)的吃水和縱傾角以后，才可以應用小水線面雙體船興波阻力的計算方法計算HYSWATH的興波阻力。

水翼的阻力由翼型阻力、誘導阻力和興波阻力三部分組成。由粘性引起的翼型阻力包括摩擦阻力和形狀阻力；誘導阻力主要是由有限翼展引起的附加阻力；水翼阻力的計算方法已經比較成熟，計算時可參考水翼艇的有關算法。

1、HYSWATH翼航狀態(tài)平衡方程

以■作為隨船平移的坐標系，原點o1位于水面上主體中心處，■軸平行于水面，而以oxyz作為與船固結的坐標系，原點o位于設計航速水線上主體中心處，ox軸在縱中剖面內平行于船體基線（見圖1）。

根據(jù)HYSWATH翼航狀態(tài)時的外力作用情況（圖1），力和力矩的平衡方程式可取如下形式：

式中：

P----- 推進力

■----- 縱傾角

RT和RH ----- 翼航狀態(tài)總阻力和船體阻力

Li和Di ----- 第i個水翼的升力和阻力

■ ----- 翼航狀態(tài)排水體積

xi和zi----- 水翼設置位置的軸和軸坐標（表示前水翼，表示后水翼）

xc和zc----- 翼航狀態(tài)浮心的軸及軸坐標

xg和zg----- 船重心的軸及軸坐標

zp和zH----- 推進力作用點和船體阻力作用點的軸坐標

■----- 縱穩(wěn)心半徑

假設縱傾角很小，無因次化得如下的方程組：

其中：

S0和L0----- HYSWATH的特征面積和特征長度

CH和S----- HYSWATH船體阻力系數(shù)和其濕表面積

2、HYSWATH翼航狀態(tài)吃水和縱傾角的計算

式（2）可以看成以速度為參量而吃水和縱傾角為自變量的非線性方程組，用圖解法求解。

將式（2）改寫為：

在翼航狀態(tài)范圍內選擇幾個速度值；V1 ，V2 ，… Vn。對一個固定的航速Vi又選擇幾個吃水值；zi1 ，zi2 ，… zim 。對于數(shù)據(jù)組（Vi，zij）；j=1，2，...m，算出方程組（3）的左邊部分■，并畫出兩個曲線組（見圖2）。方程組的右邊部分在圖2上是一組直線（上圖中為水平線，下圖中為o■軸線）。

在上圖中，求出平行線和曲線組f1（zij，■；vi） 的交點aij（j=1，2，...m）。在下圖中的相應吃水曲線上求出對應于aij的交點bij（j=1，2，...m）。通過點列bij的曲線和o■軸的交點■i就是在航速Vi時的縱傾角。在確定縱傾角■i的情況下，對一個數(shù)據(jù)組（Vi，■i）應用與數(shù)據(jù)組（Vi，zij）；j=1，2，...m的同樣方法，求出吃水zi。對于每個速度值Vi（i=1，2，...n）反復利用以上的方法求得HYSWATH船翼航狀態(tài)吃水和縱傾角（zi，■i），i=1，2，...n。然后，根據(jù)已求出來的吃水和縱傾角就可以按照小水線面雙體船的方法計算HYSWATH船翼航狀態(tài)總阻力。

總阻力計算與模型試驗結果的比較

HYSWATH是一種全新的船型，對其各種性能的理論分析計算，尚需通過相應的模型試驗來加以驗證，從而揭示其內在本質，進一步修正、完善理論計算方法。HYSWATH模型試驗采用Froude相似準則和斯羅哈相似準則。根據(jù)試驗儀器設備的能力和各方面的條件，實船和模型的縮尺比取λ=20。表1是計算用HYSWATH的實際尺度。

表2及圖3為根據(jù)前面討論的方法對在表1列出的HYSWATH的1：20模型理論計算求得的船體阻力及相應的模型試驗結果。

表2和圖3中的阻力系數(shù)是用Ri/ρΔ2/3V2來表示的，其中Ri表示各項阻力成分。

從表列數(shù)據(jù)的比較分析可以看出，當HYSWATH處于體航狀態(tài)時兩者之間的差異大于20%，導致這么大誤差的基本原因HYWSWATH低速航行時上體不脫離水面，造成了比較高的船首波，興波阻力增加，同時因船體濕表面積增大，粘性阻力也增大，可是在理論計算時這都不計。該船進入翼航狀態(tài)后到運營速度的大多數(shù)航速下誤差很小，理論計算與試驗兩者有相當好的一致性，說明本文提出的HYSWATH翼航狀態(tài)阻力計算方法，結果可靠，可以在初步設計時估算阻力和主機功率。

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（作者單位：中國船級社）