三体槽道行走艇水动力性能试验研究

三体槽道行走艇水动力性能试验研究

三体槽滑动步枪结合了传统滑动步枪、槽道滑动步枪和普通三体滑动步枪的特点，并结合了高速多体船和气膜减阻舰的特点。船型由一个滑动框架和两个长围墙组成。墙的主要功能类似于悬挂登台舰的栏杆和密封。主体、槽道、壁和水面形成两个封闭通道。船首区域大，船首区域小，呈喇叭形。如果船舶类型r成功行驶，主船尾的r波能量能压缩空气通道中的空气，并将其鼓到两个通道中间。由于通道密封，通道中的空气在压力下形成一个封闭的空气气泡，从而增加船体，减少舰艇的碰撞，使船体快速平滑。国外对于三体槽道滑行艇的研究与应用已经日趋成熟.由于该船型概念新颖、性能优越,目前国外公开发表的资料甚少,只限于部分实船和船模图片以及相关文字介绍.国内方面虽尚无对三体槽道滑行艇的研究,但关于多体槽道艇的研究已有相关学者开展.刘谦等通过大量船模和实艇试验对双体滑行艇的水动力性能和相关设计参数进行了研究;赵连恩等对槽道水翼滑行艇的工作原理、船型特征进行研究;迟云鹏通过试验研究高速槽道艇水动力性能;孙华伟等应用模型试验对普通三体滑行艇和断阶三体滑行艇的阻力特性进行了研究.关于槽道三体滑行艇的研究,国内未见公开发表的研究资料.对于新船型的研究,阻力性能是评价新船型总体性能的首要依据,因此本文通过模型试验方法对该船型进行阻力性能进行研究.通过设置不同排水量和不同重心纵向位置来改变航行姿态,以寻求良好的阻力性能对应的设计参数.并结合试验结果和现象分析该船型特点.1试验模型和方案对于高性能船舶水动力性能的研究,鉴于理论计算及数值方法尚未成熟,模型试验仍然是必不可少的手段之一.1.1试验模型与试验参数本文设计的三体槽道滑行艇型线图如图1所示,主尺度见表1.船模横剖面呈M型,槽道口呈喇叭状,主体为滑行平面,船型设计时通过调整两侧片体高度与厚度控制槽道高度和宽度,以达到槽道对气液两相来流以及主体兴波的控制效果.本文设计的船型槽道自船艏向船艉光滑过渡,槽道高度逐渐降低.槽道宽由船艏向船中逐渐变窄,船中向船艉逐渐变宽.以此将船艏槽道中的空气在船中后部压缩成2个扁平状的气垫,达到抬升船体,进而降低阻力的作用.与此同时,气垫的存在也能增加滑行艇在高速航行时的稳定性.由于槽道与片体可改善全船稳性,滑行主体采用较小的斜升角,来获得更多的滑行动升力,斜升角范围约2°~5°,由船艉向船艏逐渐增大.船模采用木质框架和蒙皮结构制作,整个槽道均采用光滑过渡形式,仅设置主体与槽道连接处的槽道内折角线和连接片体的槽道外折角线.本文采用的模型尺度较大,试验中涉及的排水量较多,框架蒙皮船模利于减轻空船重量,方便试验时进行配重.但本船型艏部结构复杂,船模加工过程中需要用木制框架进行加强,以保证船模试验中船艏不会损坏.因此空船重量较大比例分布在船艏,导致配重时加载主要分布在船艉,转动惯量较大,可能导致海豚运动提前发生.这是本次试验无法避免的.本试验在中国特种飞行器研究所(中国航空工业第605研究所)拖曳水池进行的.图2为拖曳试验中安装完毕的三体槽道滑行艇模型.高速水池长510m,池宽6.5m,池深6.8m,水深5.0m.要求船模宽度小于1.2m,长度小于6m.拖车速度范围:0.1~22m/s,车速稳定精度优于0.2%.水池测试仪器设备包括:阻力仪、适航仪、陀螺仪、浪高仪、六分力天平、角度传感器、压力头传感器、加速度计、照相机、摄像机.该水池未给出其阻力拖曳试验固有测量误差范围.1.2试验方案的确定本试验通过对三体槽道滑行艇船模阻力、纵倾、升沉等物理量的试验测量,以及对船艏、船艉、船侧、槽道等位置的兴波、飞溅和艉迹的观察,考察该船型的阻力性能和船型机理特点.通过调整该船的排水量与重心位置研究此船型的最佳设计参数,确定该模型的最佳航行状态,为后期的艇型优化布局与定型设计提供支撑和参考.试验方案的制定是以调整船模重心纵向位置和排水量为目的,设定多个工况.船模重心位置调整区间为舯后14%~26%,船模排水量为99~168kg,调整区间均较大,以寻求新船型的最佳航态.拖曳速度从3m/s逐渐增大直至出现海豚运动结束该工况.体积弗劳德数Fr▽在1.5~6.2第三,呈现能力不影响试验结果的结果分析本试验所用船模为木质框架结构,在配载以及调节重心纵向位置时,某些排水量对应的重心位置的工况无法配重,但不影响试验整体对三体槽道滑行艇阻力性能的讨论和研究.本文进行结果分析时将无法配重的工况进行筛除处理,以便清晰地得出结论.2.1槽道内氮气下的下降和降低部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部部图3给出了排水量为168kg,重心距艉板748mm的工况下船模的阻力、纵倾和升沉曲线.由图3可见,该船型的阻力曲线和普通三体滑行艇一致,包含低速和高速2个阻力峰,与普通三体滑行艇不同的是三体槽道艇的阻力峰峰值更为明显和突出,越过阻力峰时阻力值有明显下降.这由于本艇型槽道内气垫在该航速下形成,为船模提供了部分动升力,在空气动力与水动力共同作用将船体抬升,使吃水减小,吃水减小后全船阻力发生明显的降低.船模的纵倾角变化值(艉倾为正向)与普通滑行艇一致,起滑后随速度增加先减小,然后缓慢增大.可见该艇型气垫对动升力的贡献较大,但对全船纵倾力矩影响较弱.图4给出了Fr▽=4.3时三体船航行时艏部及艉部情况,槽道入口处呈喇叭状,主滑行体、片体与水面形成封闭,气体进入槽道后被压缩,与兴波混合形成高压区,支撑船体上升,并从槽道艉部喷射而出.降低船艉兴波是槽道艇的优势之一,但由于拖曳水池宽度较窄,无法准确监测三体槽道滑行的艉迹,仅能从图4(a)中做定性分析.艉部槽道出口处水流高速喷射而出,滑行主体兴波被槽道及两侧片体吸收,片体向船外兴波较少.2.2高速阻力特性对比由于关于三体槽道滑行艇的研究资料很少,因此本文船型设计过程中,许多船型参数的确定都需要大量试验验证.其中排水量的确定是本次试验的重点.三体槽道滑行艇因其槽道的支撑作用较普通滑行艇有载重量优势,但具体承载范围尚未明确.因此本文对不同排水量下的该船型阻力性能进行研究,排水量取值范围较大.图5给出了重心位置距艉板Gx=961,748mm的2种情况下,多种排水量下的阻力曲线,阻力以阻升比的形式给出,可以直接衡量其阻力性能优劣.重心较靠前的961mm位置处,并未出现低速阻力峰,当重心后移至748mm时,高速阻力明显下降,但低速阻力增大,这个规律与常规单体滑行艇保持一致,可见三体槽道滑行艇总体上仍然保留了普通滑行艇的阻力特性.由图5可知,在越过高速阻力峰之前,Fr▽在2.5~4时,阻升比随排水量增大而降低;Fr▽>4后,阻升比随排水量的增大而升高.表明大排水量工况适合中速(2.5<Fr▽<4)航行,而较小排水量适合高速(Fr▽>4)航行.高速阻力峰出现的位置随排水量的增大而后移,越过阻力峰后,阻升值明显降低.如果将设计航速设置为越过阻力峰后的速度区间,意味着更大的排水量对应着更高的设计航速.2.3重心位置的影响与常规滑行艇一样,纵倾角对三体槽道滑行艇的阻力性能有较大影响.在不考虑纵倾调整艉板的前提下,重心纵向位置的布置,直接影响到滑行艇航行中的纵倾角和重心升沉.对本文设计的三体槽道滑行艇的重心纵向位置对阻力性能的影响进行讨论是必要的.图6给出了排水量为99kg和131kg时的不同重心位置处的阻力曲线,由于是较新船型的模型阻力试验,布置重心纵向位置时取值范围较大.与常规滑行艇的规律一致,当重心位置后移时,阻力性能提高,此船型的阻力下降很明显.在重心后移时,低速阻力略微升高,中高速阻力大幅下降,与此同时,高速阻力峰值发生前移.总体看来,重心位置的后移可以大幅降低阻力,但后移可能导致的问题如海豚运动、稳性下降以及耐波性降低都是设计者需要综合考虑的.对于本船型特有的高速阻力峰值问题,阻力峰值的出现与重心纵向位置和排水量均有关系,但排水量对其出现航速的影响更为明显.综合所有工况的阻力曲线可知,该船型的高速阻力峰出现在5<Fr▽<6之间,越过阻力峰后总阻力下降,表明该船型具有优异的高速阻力性能.在实船设计中,应将设计航速控制在越过阻力峰后阻力值较低的航速范围内.3阻力特性分析本文通过对自行设计的三体槽道滑行艇的阻力性能与特性进行试验研究,得到以下结论:1)三体槽道滑行艇在航行时通过主体、槽道、两侧片体围壁以及水面形成了2个喇叭状通气槽道,高速时槽道内形成气垫,船体在水动和气动共同影响下被抬升,主体兴波和喷溅被槽道和两侧片体遮蔽;2)该船型具有2个阻力峰,低速阻力峰在重心位置靠后时较明显,高速阻力峰始终存在且峰值很明显,越过高速阻力峰峰值时,船体出现明显抬升,阻力值大幅下降,此特点为该船型特有的阻力特性;3)本文讨论了不同排水