三体航行艇超高速阻力与航态试验研究

三体航行艇超高速阻力与航态试验研究

三体滑动步枪是由一个主壳体和两个对称辅助体组成的高性能高速帆船。这是传统的滑动卡把戏、高速多体船和气膜衰减船的组合。这是基于上述三种船型的优点，结合了力学和空气动力学的性能。在正常工作中，它处于滑动状态。它的特点是速度快，适合多海况，以及小型波浪和喷洒，这在军事和民用市场上具有广阔的应用前景。目前,国外三体滑行艇的艇型设计技术日趋成熟,不仅频频在各种赛艇比赛上获得冠军,而且还被成功的应用为无人作战平台的载体.由于船型新、性能好,为了技术发展、商务及技术情报的保密等需要,目前公开发表的技术资料甚少,国外已公布的多是实船图片或文字介绍资料.对于多体滑行艇,我国若干研究者曾对双体滑行艇进行研究,刘谦等通过大量的模型试验和实艇试验对双体滑行艇的设计、性能特点、用途等进行了研究,分析了三体消波滑行艇的技术特点;赵连恩等对槽道水翼滑行艇的工作原理、船型特征以及性能特点进行了研究;迟云鹏等通过试验研究了高速槽道艇的水动力性能;赵智萍分析了槽道水翼滑行艇的阻力特征.目前为止,国内在发表的文章中还没有对三体滑行艇进行相关的研究.阻力性能是评价一个新船型的重要依据,因而本次试验的主要目的是通过阻力模型试验的方法来验证其高速航行能力,研究三体滑行艇在不同排水量和重心位置以及是否加装压浪条的情况下的阻力性能特征,并结合试验结果和试验现象对船型特点进行分析.1船模的型型高性能船舶水动力性能研究的主要手段之一是模型试验.本文设计的三体滑行艇型线如图1所示.三体滑行艇船型特征在于:在单体滑行艇两侧由艏至艉开槽道,从而将船体划分为1个主船体和2个辅助片体,共同组成了2个喇叭型的槽道,船体横剖图类似于M型.船模采用玻璃钢制作,船模主船体为细长体,主船体长宽比7.32;片体横剖面形状为倒梯形,在内外侧均设有折角,静浮时片体排水量占总排水量的10%左右,船模如图2所示.为了便于对比,木质压浪条单独制作,压浪条为2对,呈棱锥型,压水角10°,长度船长比分别为0.47和0.213,安装位置如图1.船模的主要船型参数如表1所示.三体滑行艇的一个主要特点是具有优异的快速性,试验时,在船模水池条件允许的情况下尽可能地提高拖航速度上限,直到发生海豚运动.具体试验方案如表2所示.其中,Δ表示三体滑行艇艇重,l表示重心距尾封板的距离,d表示设计吃水,θ表示船模静止时的纵倾角.2次阻力峰模型试验在荆门中国航空工业第605研究所高速水动力水池完成.不同试验方案下阻升比R/Δ、纵倾角和重心升沉值H随体积傅汝德数Frᐁ变化的试验结果如图3所示.本次试验605所水池拖航速度最高允许拖到16m/s,方案1和2中,当拖航速度达到至15m/s(Frᐁ=8.2)时,船模发生海豚运动;方案3和4中,拖航速度达到16m/s,Frᐁ分别达到8.42和8.17,航行状态稳定,没有出现海豚运动.一般说来,对于普通滑行艇,当Frᐁ>5以后常常出现海豚运动,而对于断阶滑行艇和双体滑行艇也可能在较低的滑行速度上发生海豚运动.本次试验中多个方案状态Frᐁ>8,这表明三体滑行艇在纵向稳定性上优于普通单、双体滑行艇,具有优异的超高速特性.如图3(a)所示,三体滑行艇阻力曲线与水上飞机起飞滑跑的前3个阶段阻力曲线类似,都拥有2个阻力峰,但三体滑行艇的2个阻力峰更为明显.不同试验状态下,2次阻力峰出现时的船模速度如表3所示.由表3可知,随着排水量增加和重心位置的前移,阻力峰向后移动,越过阻力峰所要达到的Frᐁ不断增加,在跨越第2次阻力峰之前,是否安装压浪条对三体滑行艇的阻力与航态影响不大;出现第2次阻力峰时,安装压浪条后阻力变大,最大增幅约2.5%,而压浪条的设置对阻力峰的位置没有影响.如图3(b)所示,与单体滑行艇不同,三体滑行艇在航行过程中纵倾角出现了2次峰值,第2个峰值要明显小于第1峰值.图3(c)中,三体滑行艇出现了2次艇体大幅抬升,第1次在进入滑行艇状态之前,第2次出现在越第2阻力峰,从两次变化幅度来看,第2次抬升程度远小于第1次.是否安装压浪条对起滑前的纵倾角和升沉几乎没有影响,安装压浪条在起滑后比在未安装压浪条的情况下的纵倾角和升沉值略小,曲线相对平坦.由于Frᐁ>6以后气动升力已经不可忽略,可以看出,气动升力对高速航行的三体滑行艇的航态有着很好的改善作用.试验过程中观察到以下现象:船模静止时,两侧槽道浸没于水中;在排水航行及半滑行阶段(0<Frᐁ≤3.0),槽道和片体浸湿宽度随着速度提升不断减小,起滑时(Frᐁ≈3.0)槽道通气,槽道顶全部位于水面之上.高速艇在航行过程中由于船舶运动兴起波浪,产生兴波,同时,由于滑行面两端与大气相通,在滑行面压力和大气压差作用下,水流产生横向运动在两端产生上翻的水花形成喷溅.如图4(a)所示,艇体两侧产生较大的兴波与少量的喷溅,并在尾后形成“鸡尾流”,随着速度的提升,兴波逐渐减小,喷溅逐渐增大,“鸡尾流”与船尾的距离不断增加.如图4(b)所示,在滑行阶段(3.0<Frᐁ<6.0),喷溅进一步增大,“鸡尾流”逐渐变小,尾迹向中间收拢.此时阻力与Frᐁ近似呈线性关系,槽道中充满了气水混合物,片体的浸湿宽度随速度提升不断减小.如图4(c)所示,在超高速滑行阶段(Frᐁ>6.0),随着航速的提高,艇体抬升,片体逐渐离开水面直到仅仅片体尾部与水面接触,主船体产生的兴波与喷溅都被片体所吸收和遮蔽,槽道中自上而下形成空气层(或气膜)、气水混合物层以及喷溅水流层,水流在尾部以喷柱形式射出,尾流较平坦.根据试验现象可见,在静止和排水航行状态下主船体提供三体滑行艇的大部分有效浮力,高速时主船体是主要水动力滑行面,提供大部分水动升力.高速航行状态下艇体主要由水动升力和空气动升力支撑,因而主船体即便相对较狭窄,依然能够保证足够的动升力.两侧槽道主要作用是在高速时提供气动升力,一方面支撑船体,另一方面改善三体滑行艇的航态.静止或低速航行时,辅助片体全部浸没于水中,给艇体提供额外的静浮力,超高速航行时则起着遮蔽主船体的兴波与喷溅的作用.3主船在高速工况下的稳定性分析本研究中通过对自行设计的三体滑行艇超高速航行的阻力研究与特性分析,得到以下结论:1)三体滑行艇具有很好的纵向稳定性,具备很强的超高速航行能力.2)受气动升力的影响,三体滑行艇具有2个明显的阻力峰,在高速航行时航态稳