断阶对3体行走艇阻力性能的影响

断阶对3体行走艇阻力性能的影响

我国三体滑动舰艇的研究方法和资源主要在船模试验和实际船型试验方面进行。文献研究分析了三体高速滑动舰艇尾段的影响，文献分析了三体消波滑动舰艇的工作原理和技术特征。在文献中，我们研究了不同重心、下降方法、气虚流量和气流方式对滑动车轮支撑性能的影响。在文献中，基于模型试验数据，本文分析了三体滑动车辆的预测模型性能。目前，我国对三体滑动车辆水动力性能的研究还不完全完善。因此，在本研究中，本研究的目标是通过船模型试验来探索三体滑动车辆的阻力性能和航态，这为三体滑动车辆的研究和设计提供了参考。1体大小对比针对同一条3体滑行艇船模进行了无断阶和3种不同断阶形式阻力模型试验,考察了不同状态下的阻力、纵倾角和升沉.为了控制船模空船质量同时提高实验精度,模型采用玻璃钢制作,船模的主要船型参数见表1.船模主船体细长,长宽比为7.32;侧体横剖面形状为倒梯形,在内外侧均设有折角,静止时侧体排水量占总排水量的10%左右.槽道为穹形顶,其顶部横剖线呈S型.模型共10站,站距240mm,其中船艏为第10站,各站型线如图1所示.3级断阶方案为分别在213,323,5213,323,5站处设置高度为12mm横向断阶.在艇底投影图上,该断阶尾端投影线垂直于艇底龙骨线,如图2所示.2级断阶方案为斜向断阶,断阶尾端位于213,323213,323站,断阶高度为6mm.在艇底投影图上,该断阶尾端投影线与艇底龙骨线的夹角为60°,如图3所示.1级断阶方案为在323323站处设置高度为6mm横断阶,如图4所示.2不同试验方案3体试验前后稳定性分析模型试验在湖北荆门中国航空工业第605研究所高速水动力水池完成.本次试验采用自由拖曳法测试船模阻力、升沉和纵倾角等参数.阻力采用电测法测量,测量精度0.2%;纵倾角采用倾角传感器测量,艉倾为正,测量精度0.1°;升沉采用升沉仪测量,上升为正,测量精度1%.无断阶和不同断阶情况下的试验方案如表2所示,表中:Δ表示3体滑行艇艇重;l表示重心距尾封板的距离;d表示设计吃水;τ0表示船模静止时的纵倾角.图5为不同试验方案下的阻升比R/Δ(R为模型总阻力)随体积傅劳德数Fr变化的试验结果.当Fr≤2.18时,3级横断阶阻升比曲线变化趋势与无断阶一致,3级横断阶阻力略大于无断阶,而2级斜断阶和1级横断阶阻力要小于无断阶;当Fr>2.18时,各断阶方案均比无断阶方案阻力要大,尤其是3级横断阶,当Fr=7.65时比无断阶大78.78%.无断阶在Fr>6.55以后阻力下降,而2级斜断阶阻力呈急剧增加趋势,与无断阶的阻力变化相反,1级横断阶其阻力也呈增加趋势,并且在Fr=7.65时发生海豚运动.常规单体滑行艇航行过程中只有一个阻力峰,越过阻力峰后阻力单调增加;无断阶3体滑行艇具有2个明显的阻力峰,2个阻力峰之间阻力单调增加,第2个阻力峰后阻力呈下降趋势.单体断阶滑行艇进入滑行状态以后,在一定速度范围内提高速度阻力变化很小,断阶数目越多,滑行效率越高,阻力越小;3体滑行艇加入断阶后阻力曲线只有一个峰值,进入滑行状态以后阻力显著增加,断阶数目越多,中高速时阻力越大.图6为不同试验方案下的纵倾角α随Fr变化的试验结果.无断阶方案纵倾角在拖航过程中出现了2个峰值,3级横断阶与2级斜断阶方案的纵倾角均小于无断阶情形,并且都出现了2次峰值,第2次峰值出现顺序分别为3级横断阶、2级斜断阶及无断阶.由于1级横断阶在Fr=7.65时发生海豚运动,因此纵倾角变化曲线只有一个峰值,在Fr<2.18和Fr>3.82速度区间内,纵倾角小于无断阶方案,而当2.18<Fr<3.82时,纵倾角与无断阶方案基本一致.图7为不同试验方案下的升沉值H随Fr变化的试验结果.整个试验过程中,3级横断阶的升沉值都比无断阶要小,且升沉曲线的第1个波峰与波谷不明显.2级斜断阶的升沉曲线变化趋升沉值都比无断阶要小,且升沉曲线的第1个波峰与波谷不明显.2级斜断阶的升沉曲线变化趋势与无断阶相差较大,当Fr<3.28时,二者变化趋势相同,升沉值相差很小;2级斜断阶升沉曲线的第1个峰值出现在Fr=3.82处,无断阶出现在Fr=3.28处;而斜断阶第2次升沉大幅提升出现在Fr=5.46处,无断阶出现在Fr=6处.1级横断阶升沉变化趋势与无断阶基本一致,升沉值略小于无断阶.常规单体滑行艇在排水和半滑行状态纵倾角随速度的提高显著增加,艇体迅速抬升,进入滑行状态以后纵倾角逐渐减小,艇体缓慢抬升.结合图6的纵向倾角和升沉曲线,无断阶3体滑行艇航态变化大致分为3个阶段:第1阶段在排水航行和半滑行状态,纵向倾角迅速增加,艇体急剧抬升;第2阶段在进入滑行状态后,纵向倾角稳步减小,艇体抬升幅度减小;第3阶段在跨越第2次阻力峰前,纵向倾角再次增加,艇体抬升幅度变大,纵向倾角和升沉的变化程度较第1阶段要小.断阶单体滑行艇在整个速度范围内航态也可以分为3个阶段:第1阶段在阻力峰以前,随着速度的增加,纵向倾角和升沉逐渐增大;第2阶段过了阻力峰以后进入滑行状态,随着速度的提升纵向倾角几乎保持不变,艇体稳步抬升;第3阶段Fr>7.5时,艇体进一步上抬,艇的纵向倾角略有下降,由全宽度滑行进入部分宽度滑行,进入三角形运动状态,此时可能丧失运动稳定性.断阶3体滑行艇航态变化与无断阶类似,不同之处在于第2次纵向倾角和升沉变化出现时的速度不同,除了1级横断阶在Fr=7.65出现海豚运动外,另外2个方案在试验过程中艇体稳定,没有出现海豚运动,表现出较好的运动稳定性.试验过程中还对3体滑行艇艇体两侧喷溅情况进行了观察.通常单体滑行艇无论是否具有断阶,高速航行时船体2侧都产生较大的喷溅.无断阶3体滑行艇在Fr>6以后随着速度的提升,两侧的片体逐渐离开水面,主船体产生的喷溅都被片体吸收和遮蔽.从图8可以看到:船体产生的喷溅都被吸入槽道内,试验中同时还观察到在两侧槽道顶部形成气垫层,槽道内的水气流处于完全畅通状态,而其他断阶方案试验过程中产生的喷溅并没有被槽道所吸收,而是从船底两侧喷出,槽道内水流混乱,形成大量的水气涡流和喷溅水花;因此,无断阶方案要比其他断阶方案中槽道的浸湿面积小得多,从而减小了摩擦阻力,这也可能是无断阶方案阻力要小于其他方案的原因之一.3断阶数目的影响研究结果表明:a.无断阶3体滑行艇在航行过程中具有2个阻力峰,2个阻力峰之间阻力几乎线性增加,纵倾角变化曲线也具有2个峰值,且第2个峰值变化幅度小于第1个,升沉值变化与纵倾角改变相对应,出现2次大幅增加;加入断阶以后阻力大于无断阶方案且第2个阻力峰消失,阻力随断阶数目的增加而增大,纵倾角和升沉值均小于无断阶方案,曲线变化趋势与无断阶方案基本一致,但纵倾角的第2个峰值与升沉第2次大幅提升出现的时间随着断阶数目的增加而提前;b.无断阶3体