穿浪双体船水动力理论研究（已处理）

穿浪双体船水动力理论研究（已处理） 穿浪双体船水动力理论研究 华中科技大学 博士学位论文 穿浪双体船水动力理论研究 姓名:卢晓平 申请学位级别:博士 专业:船舶与海洋结构物设计制造 指导教师:石仲? 2001.1.1华中科技大学博士学位论文 摘 要 ,具有良好的耐波性、稳性和快速 穿浪双体船 性。其尺度、航速变化范围大,适用于多种用途和较广的航区。此外该船型甲 板面宽敞有利于总布置设计和军船上层建筑光学隐形,船首水下部分噪声低有 利于军船声学隐形,可用作多种新型水面舰船的平台。该船型在八十年代末就 开发成功,已建造的数十艘实船在营运中表现出良好的综合性能。但这一新船 型的水动力理论研究多年来一直是国内外学术界和工程界的薄弱环节,其中某 些方面尚属空白。本文主要从理论上研究了穿浪双体船的兴波问题和波浪中的 运动问题,建立了理论计算模型和数值计算方法,以穿浪双体船模计 算模和双体船模对比模、高速圆舭艇模对比模、双体细长椭球船 模对比模作为算例进行了大量数值计算,对理论计算结果作了必要的分析, 并以、、高速圆舭艇模型的试验结果对部分理论计算结果进行了 验证。此外,据兴波阻力理论对穿浪双体船片体形状优化问题也作了初步探 讨,, /穿浪双体船水下部分由两个片体组成。片体干舷低,首部尖削类似梭形, 峨进角口/可取为~度,乃至度;片体细长,修长系数可大于 .~.,亦有文献报道其,可大于.、/大于~或更大;采用尖 舭方尾船型;其长度傅汝德数在.~.范围,处于高速过渡航态。这种船 型与普通双体船型有明显差异,目前国内外还没有建立适用于该船型的兴波阻 力理论计算方法,为此本文第二章对穿浪双体船兴波阻力理论计算方法进行了 研究,建立了穿浪双体船兴波阻力理论计算的砒型方法和型方 法,在这两种方法中,对双体干扰、折角线影响、方尾影响的处理进行了较为 深入的研究。在型方法中,提出了改进“帐篷函数”和“加密水线” 两种方法计入折角线对线性兴波阻力的影响,以虚长度法和尾板点汇法对方 尾 影响进行了修正。在型方法中着重研究了方尾影响修正方法,在方尾影 响修正中以计入尾板边缘出流条件的“开式尾一尾流特区法”来计算绕方尾的流 动,同时计入了尾板下沉以及尾板上静浮力消失这两个影响兴波阻力的因素。 理论计算结果与模型试验结果的比较表明,本章的兴波阻力理论计算方法可以 得出较好的计算结果。最后对穿浪双体船船型优化问题也作了初步探讨,得出 了一些有理论意义和工程实用价值的结果。 穿浪双体船在波浪中具有良好的纵向运动性能称“穿浪”性能,这是该华中科技大学博士学位论文 作是以有航速三维面元法兰维移动脉动源方法对穿浪双体船在波浪中升沉、 纵摇两模态的辐射问题进行研究。除对双体干扰、折角线影响、方尾影响等穿 浪双体船固有问题的处理方法进行了研究以外,还对计算中遇到的三维移动脉 动源格林函数奇异性及其数值处理方法进行了深入研究,对极大片体间距下三 维移动脉动源格林函数振荡性及其数值处理方法亦进行了研究。按本文方法对 两种船型双体细长椭球和、不同的航速、频率、片体间距进行了大量 数值计算,对计算结果的有效性及有关规律进行了必要的分析,得出天有理 论, 意义和工程实用价值的结果,基本上验证了本方法和计算程序的有效性,一 频率响应函数是表达舰船耐波性品质的重要资料,可用于耐波性预报以及 指导船型设计。以有航速三维面元法计算频率响应函数的文献较之辐射问题 更 少,但该项计算是本文不可缺少的部分,这是因为本文收集到了模升 沉、纵摇运动响应试验曲线,通过对模升沉、纵摇运动响应理论计算曲 线与试验曲线比较可校验理论计算方法和程序的有效性潍四章以第三章研 究 结果为基础,以升沉、纵摇幅值响应、为代表,建立了穿浪双体船纵 向运动频率响应有航速三维理论计算方法。模、。理论计算结果 与相应的试验结果比较表明,该计算方法和计算程序是可信的、成功的,经改 进和完善后可望实用于工程。将有航速三维面元法用于穿浪双体船计算涉 及的因素较单独的辐射问题更多、更复杂,上述、计算曲线与试验曲 线在数量上还有些偏差,对此也作了初步的分析雌 , / 关健词穿浪双体船 ,兴波阻力船型,船舶在波浪中的有航速运动华中科技大学博士学位论文 . 如 , ,印,,缸吕谛,? 叼 禽邑 髓培,刚砧曩蜘. ? 、? . .粥 , ,, ,“, . 撕. 皿~, , , ~, .~.,,,.~ 也 , 血 . 丘也 ,也 孤. 记 , 恤 , ., “如” , 蛆, 砒 王 , ” “ 撕 . , 【、 堕塑壁堡竺塑垒里塑婴坚望主璺垒型照堕墅璺旦 .. ., ,叩 肿 .. 聃甲 . , .凡儿】行 矗.枷 , , 懿 印. . 斟 ?巾向 ,,. “血 . ?甲既 王 ., 王 ? ‘跚。、砌. 锄,, , 衄, 也 ?????????????????????????????????????一 ?华中科技大学博士学位论文 绪论 ,是揉合小水线面双体船、深 穿浪双体船 型、高速双体船和水翼艇的优点发展起来的一种新型过渡航态高性能船,船 体 由两个半潜片体拱形支柱连接桥和中间船体水上平台组成。片体水下部 分和中间船体的首都均为深型,片体细长,首部为尖削而类似梭形的穿浪 首,尾部采用方尾。与普通高速双体船和都不同的是,片体一部分体 积露出水面,一部分浸没水下,片体储备浮力露出水面的体积很小,当出现 大浪时中间船体首部入水,提供浮力。该船型多采用喷水推进器,航速较低小 于节时也有采用螺旋桨推进的。它具有良好的耐波性、稳性和快速性。其 尺度、航速变化范围大,船长可从余米到余米,最大吨位可达吨 以上,航速可达节到节,适用于多种用途和较广的航区。此外该船型甲 板面宽敞有利于总布置设计和军船上层建筑光学隐形,船首水下部分噪声低 有 利于军船声学隐形,可用作多种新型水面舰船的平台。在高性能船中,】【『是 综 合性能优良的船型,八十年代末在澳大利亚开发成功后迅速投产,今有大量的 实船航行于澳、亚、欧诸水域,在军用和民用上该船型都有广阔的应用前景。 本文主要从理论上和数值计算方法上研究穿浪双体船的兴波阻力计算、船 型优化以及波浪中的纵向运动等问题,本章对穿浪双体船的发展,兴波阻力理 论、船舶在波浪中运动理论的发展进行综述。 .穿浪双体船发晨综述 穿浪双体船是一种复合型高性能船。年主持澳大利亚原国际双体船公 司工作的菲力普?赫可斯 将小水线面双体船、深型 船的船型特点、双体船的结构形式及水翼船的弧形支柱等揉合在一起,扬长避 短,提出了穿浪双体船的新概念?。在短短的年中,穿浪双体船由设计概 念、小型试验艇经米、米、米、??米、米、米、米、 米实船发展到米设计方案,据不完全统计今已建造了多艘实船,创造 了新船型发展史上的特快记录,各船在使用中表现出良好的综合性能。 ..穿浪双体船发展简史 .初始阶段 . 一??????????????????????????????????????????????????????????~华中科技大学博士学位论文 穿浪双体船的研制始于八十年代初,年月澳大利亚公司首 饥号试验艇&儿”,排水量为 先建造了第一艘试验艇“小精灵” .吨,长.米,乘载人,在马力的驱动下,可达到节的航速,这 艘穿浪双体船试验艇于年试验成功。又将试验艇按.:比例放 大,设计建造了第一艘米的高速穿浪船“维多利亚之魂” 号实艇,该艇载客人,航速约节,试航成功后交澳大利亚 船公司使用。如文献【所述,穿浪双体船首制实船“维多利亚之魂”号饶过 了在船池进行模型试验的环节,而是直接根据普通高速双体船的生产经验和 实 艇试验结果按比例放大实艇设计建造出的。 在陆续建造了几艘实艇后,年公司根据澳大利亚迅银联运公司 要求对外形进行局部修改,为满足多礁浅 水航区航行,用喷水推进代替螺旋桨,安排了四艘长米载客名的高速穿浪 ”完成工厂试航后,年初进行 船生产。首制艇“迅银”号“订 了环绕澳洲大岛一圈的长途试验,试航期间在亭肯海湾遭遇时速 ~节大风,.~.米的大浪,仍能保持节较高速度航行。环岛航行总 航程海里,实耗小时分,平均时速.节,给人们留下了深刻的印 象。 年月欧洲南斯拉夫康派司旅游公司 订购米高速穿浪船一艘,同年底下水试航。该船命名“威尼 斯王子” ,总长.米,最大船宽.米,用两台 瓦,转/分的 内燃机驱动喷水泵推进,最大航速节, 常用航速节,设计建造满足挪威及南斯拉夫规范要求。月下旬由澳洲的凯恩 斯功启航,横跨太平洋,印度洋,经受了.米~.米狂涛巨浪的考 验,月中旬穿过苏伊士运河进入地中海,直抵南斯拉夫的皮兰港,出 色完成了首次横跨两洋的交船任务。也证明了高速穿浪船的远洋航行能力。 .发展阶段 年底,原公司分为三家公司【“。原的技术总裁司徒正 和技术董事艾伦?索斯 ,离开重新组建了“高性能 ? . 多体船设计公司” ,?;原 改名为国际双体船设计公司 ,由菲力普?赫可斯主管;原 公司属下的铝质船厂 独立并改名为塔斯马尼亚 锄 国际双体船有限公司., ,由原公司的克里佛德任执行总 塾:丛些窒退塾鲑盟笪四仝剑塑厶鱼缱垂苤坌:塞逝:韭左董:蕴卫逝一华中 科技大学博士学位论文 和克里佛德分别为同出一宗的三个公司效力,各自为实现自己的理想和目标 奋 斗。穿浪双体船研制机构的变化对穿浪双体船的后续发展有一定影响,这从 和佃研制的穿浪双体船船型特征上可以看出,如图卜所 年后 示。进入年代后穿浪双体船的发展进入了一个新的时期。从近年的《国际高 等报导 速渡船》 以及《船和艇》 高性能船研制进展的期刊来看,在穿浪双体船开发与生产上,近期居于世界 领 公司。该公司形成了设计、生产的成套体系,其订 先地位的是 单多、生产量大,均届世界首位,近十年来共生产了四十余艘穿浪双体船,所 生产的穿浪双体船尺度及船型呈大型化、系列化趋势,如表卜、表卜所示。 公司在短短几年 自从年首条大型穿浪双体船下水以来, 公司约每年增加一次船型 内共建造船艘。从年开始, 尺度。从年的米,年的米,到年连续发展的米,米,到年的 米,和米、米船型设计方案,尺度不断增大。载重量从最初的吨, 增加到吨,并将进一步增加到吨排水量吨。在公司已建造的实 船中,船长最大的为米,载重吨,满载航速为节;米穿浪双体船设 计方案称,载重吨,排水量吨,满载航速为节,是目前排 锄公司的领 水量和长度最大、航速最高的穿浪双体船设计方案。 导宣称,目前建造大型穿浪双体船从技术上已不存在问题,主要是市场的需 求 等多种非技术因素制约着它的进一步大型化。从船型上看,该公司近十年来 生 产的穿浪双体船片体长宽比/随着船长的增大呈增加趋势,由.增加为 .;片体宽吃水比/则呈减小趋势,由.减小为.,片体宽和型宽分 别似乎稳定在约.米和米。随着船体主尺度增大,公司一再扩大位于 的生产厂的基础设施“。 生产的大型化穿浪船航速高,耐波性好,具有较大的运载 ”号 能力和较好的远洋航行能力。米型穿浪船“ 英国“ ”公司所有、米型“”号、米型 “卜”号分别于年月、年月和年月横跨大西洋,各自均打破 了若干项横跨大西洋的记录【、”。上述各船在跨洋航行中再次表现出穿浪双 体 船的各种优点和远洋航行能力,其中米的“ ”号 遭遇米大浪仍能高速航行,平均时速为.节。由于其良好的综合性能,穿浪 双体船受到航运企业的欢迎,英国“康达”公司拥有多艘 穿浪双体船,澳、欧多条航线上英吉利海峡、斯堪的娜维亚半岛均华中科技 大学博士学位论文 ”号用于横 有 穿浪双体船,其中“ 渡英吉利海峡的航线上,这些船均用作车渡/客船。 近年来 及其他公司也对穿浪双体船用作米左右的大型 高速货船进行了论证与方案设计。 的?米、方案分别是 用作车渡/货船和货船;文献还报导了 的米×米穿浪双体 . 集装箱船。 值得一提的是 米方案有明显的军用意图“。其空船 及仓室组合可用于武器系统的布置;平顶上可操作两架直升机,系统可使船 的运动状态最有利于直升机降落;上层建筑的外壳形状设计考虑了反雷达探 测;其船型为成熟而高效的穿浪船型:由折角形片体和折角形中间船体组成, 而且以其瘦削的首部形成了低阻力、低噪声船体;该船携带吨燃油可连续以 的穿浪船引起 节的航速航行小时,还具有海上补给系统。 了军方极大的关注,对其进行了大量的军事调查。如北约集团、尤其是美国 对 该船型就感兴趣。米的穿浪双体船下水后,年月美国政府出资在佛吉尼 亚对该船进行了为期一天的实船试验。此事成功后,年美国又要求承包该 船进行为期六个月的实船试验【。】。 文献还报导,澳大利亚军事防卫队已将一 的米穿浪双 体船实船用作军船,为北澳大利亚的军事防卫组织增援。澳国防部长 在评价该船时称,“这类船在装载能力和机动性方面有相当大的优势,最 大航速可达节,能装运人的全副武装部队,包括所需的储备物和车辆。采 用这类船可补充本国高效运输部队的装备能力。” 从近十年来 腿生产的穿浪双体船来看,穿浪双体船总的发 展趋势是尺度加大、航速提高以及用途增广。目前各航线的穿浪双体船主要用 作车渡/客船,由于其可大型化,耐波性优良、航速高,装载性能好,航程远, 将其用作货船、军船是必然的趋势。发展穿浪双体船高速货轮,还受到一些因 素的制约,如船级的制定,市场的需求等,预计在货运方面,首先会出现客货 混装的混合船型,再逐步过渡到专用货轮;而发展军用穿浪双体船则需要对适 用的舰种、水动力性能、船体建造材料等进行详细论证,预计小型穿浪型军用 舰艇仍可采用铝合金材料建造船体,大型的穿浪型军用舰艇则需采用高强度钢 建造船体,年代初美国已研制出了新型舰艇结构纲,它是从级 类纲演变而来的,这种高强度低合金钢在美国的排水量吨、航速节 表面效应快速舰上用于主要的船体结构?】,作者认为可参照这类高强度钢的技 术资料、使用经验来研究、选择军用穿浪双体船的建造材料。文献对穿浪 双体船在军用上的前景进行了研究。华中科技大学博士学位论文 仍和 公司和 公司自独立后仍在生产穿浪双体船。认为, 年代原公司的穿浪双体船虽然在性能上已优于常规双体船,但仍有不足 之处,从设计到建造工艺上仍有许多地方需要改进,如当船长小于波长并处 于 滑波状态时,会产生埋首现象,耐波性仍不够理想等等。在总结以往设计和 建造经验的基础上,研制出了公司自称的第二代如穿浪双体船型从整个穿浪 双体船的发展来看,应属第三代穿浪双体船。在新~代佃穿浪双体船型研制 过程中,他们投入了大量的资金和人力,历时两年,在澳大利亚航海学院和荷 兰航海研究所等著名船池,对穿浪双体船和常规双体船的航海性能作了广泛 的 研究和系列试验。迄今为止,佃已研究开发和设计出船长从米至米、航 速从节至节的穿浪双体船,目前又在着手研究穿浪水翼船。 从新一代产品 穿浪双体船在船型上已有明 含设计方案看,?穿浪双体船与 产品与 显区别九四【】,而 产品则较为接近,如 图卜所示,肋产品在外观上显得较 产品简朴,其建造工艺应 简单些,造价也会低廉些。此外,岫和 的产品主尺度似乎还未 象 产品一样呈现出系列化趋势。在实船数量上,和 的穿浪双体船见诸报导的也较 少。 .中国穿浪双体船开发概况 国内在年代初开始了对穿浪双体船的跟踪研究。年~年所根 据国外发展穿浪船的经验进行了两个船型方案的预研性设计与研究,最后确 定 以客吨级艇作为目标艇,做了一个缩尺比。的船模在船池中进行静 水阻力与规则波试验研究,在此基础上进行了客豪华型穿浪双体船的方案设 计。 年哈尔滨工程学院也开始了对穿浪船的研究,他们设计出了一穿浪双 体船型线,给出了水线长米、排水量吨的目标艇,并制作了水线长.米 的模型,在大连理工大学船模试验池进行了模型试验,试验内容包括船 模阻力和耐波性“。 ?公司与我国联系较多。年,广州船舶及海洋工程设计研究院与 合资成立了广州海上巴士工程有限公司,旨在引进的先进穿浪双体船 和大型高速双体船设计建造技术,推动我国高速船技术的研究和发展。成立 以来,在人员培训、高性能船的研究设计及市场开发方面取得了一定成绩。 已装备了较为完善的计算机辅助设计的硬件,拥有和等 专业软件,和绘图软件。与于年联合设计 了型穿浪双体船,该船船长米,航速节,由广东航通高速船公司新会船厂建成, 年月下水,交付浙江海运公司营运】见图卜,命名为 “飞鹰湖”号,年月日正式投入定海一大巨一嵊泗际航线商业营运。 “飞鹰湖”号在风浪中航行表现出良好的耐波性,它是国内建造的首条穿浪 双 体船,基本技术指标见表卜。年月上海华宏高速航运公司。向如订购了米、.节的佃型穿浪双体船设计方案, 该船夏季将用作环绕厦门岛的旅游观光船,冬季将运行于厦门到东山岛的航线 上】,其总布置简图和基本技术指标分别见图卜、表卜,该船已交付求新船 厂建造。我国上述两艘穿浪双体船均采用螺旋桨作为推进器,从外观上看均为 典型的新一代佃穿浪船型,其造价应较为低廉。由此可见我国已初步具备穿浪 双体船的建造能力。 穿浪双体船除了具有优良的航海性能外,作为过渡航态船舶其建造技术相 对简单,适合我国国情,可以预见未来一定时期内穿浪双体船的研制仍是国内 外高性能船界的热点。该船型在军用和民用上前景良好,因此在当前经济建设 和国防建设的形势下,继续展开对在国外较为成熟的船型一高速穿浪双体船的 研究,有重要的意义。 ..穿浪双体船船体 穿浪双体船片体瘦削,片体修长系数,竿可大于.~.,文献 ‘’。 所给的米穿浪双体船货船设计方案,扩.,这是在文献中见到的 穿浪双体船片体修长系数矿最大值;片体长宽比/可大于~,最大可达 .。片体采用深线型,船舯斜升角‖的变化范围为。~。,文献建 议最好大于。。两片体间距较大,片体间距与船宽之比/的变化范围约为 .~。, 公司近十年来生产的米以上大型穿浪双体船 系列/约稳定在.左右。首部尖削,为类似梭形的穿浪首,水线半进角口.的 胁 变化范围大约为。~。, 米以上大型穿浪双体船系列口. 多为。左右;船尾采用方尾。的主要船型参数变化范围如表卜所示。 穿浪双体船只有短短的十几年历史,但发展十分迅速。从船型的设计上 看,可以将穿浪双体船分为三代,第三代穿浪双体船又可以分为两个系列。 早期从年至年生产的穿浪双体船可以看作是第一代。其外形 如图卜所示,中间船体包括上层建筑由前后各一对支柱支撑,前后支柱不 连续;片体首部与一般的深恻船相近,中间船体船首位于片体船酋之后,采用 螺旋桨推进; 一??????????????????????????????????????一 .华中科技大学博士学位论文 近期大约从年至年生产的穿浪双体船可以看作是第二代,第 二代穿浪双体船如图卜所示,较早期生产的穿浪双体船作了下述变动: .中间船体向前延伸超出浮体前端,为船在大浪中运动提供较大储备浮 力,并为乘客提供观赏外景的较大甲板面积; .片体首都底面由形横剖面改为尖削的形横剖面,底部龙骨下降,使 波浪冲击较为缓和; .将各片体的前后支柱连成一个整体,去除原后支柱附近的突起,外观上 作流线型美化; .为适应多礁浅水航区,将螺旋桨推进改为喷水推进,尾部船体线型相应 变动。 年以后生产的穿浪双体船可以看成第三代穿浪双体船。如前所述,这时 ,和 三 穿浪双体船的主要研制机构已有 家,他们都在继承第二代穿浪船船型优点的基础上进一步对穿浪船船型进行 研 究,改进船型设计。如研制的第三代穿浪船公司自称为第二代胁型和两 公司的第三代穿浪船在船型上已明显不同,从而形成了系列与 系列。第三代穿浪船的船型特点为: .连接桥支柱前体亦无前倾,与片体接近直角相连,以减小端角处的应 力集中; .在中央船体首端处龙骨无下沉; .船体主尺度、船型参数和型线作迸一步优化设计:总的趋势是尺度大型 化,片体细长度长度增加,片体宽度、间距趋向于稳定,穿浪酋更为瘦削、 片体水上部分储备浮力减小且沿纵向具有合理的分布,以减小船体对波浪的 运 动响应,从侧面看底部龙骨有一定的向上倾斜的角度底部龙骨升高; .第三代肋产品和产品的主要区别: 岫船型穿浪首较船型穿浪首长,中间船体超出片体首端距离较 船型小;佃中间船体底部距离水面高度较大,在图卜中可 以看出肋中间船体悬在片体之上,中间船体则沉在片体之下;尺度 较小的姗船型支柱内侧改为直壁型,可减小加工难度。 国内外主要的穿浪双体船基本技术指标和船型参数见表卜至表卜。据 第三代穿浪双体船,主要船型参数变化范围为,矿.~ .,/.~.,/.~.,/.~.,一般为 几.~.,水线半进角?一。。航速变化范围一般为节~ 节,.~.,最低航速为节,.,空载最高航速为 节,.。华中科技大学博士学位论文 我们认为穿浪双体船船型优化设计是需要继续研究的课题。普通高速双体 船的缺点是“扭摇”较为严重,这是一种纵摇、升沉与横摇的耦合摇摆,其主 要原因是纵向运动周期与横摇周期相近。穿浪双体船纵摇、升沉大为减轻, 这 对减轻纽摇是有利的。但穿浪双体船仍然存在纵向运动周期与横摇周期接近 的 问题,有些船还不能完全避免纽摇,由此而引起的拍击损坏过实船支柱前缘, 乘客对~些船风浪中航行性能的抱怨亦有所闻,从而使这些船不得不加装 系统。 生产的新型穿浪双体船一般都加装了系统,如首部 】 加装形水翼、尾部加装压浪板 】“,以进一步改进耐波性,避免纽摇。 于是系统的研究、设计也成为穿浪双体船船体研究、设计的重要组成部 分。 穿浪双体船船体多由全铝合金焊接而成,与钢材相比这不仅可显著减轻空 船重量,而且由于铝合金材料本身有外保护膜,可减少船体的维护工作量,降 低营运成本。公司的铝合金选料的型号为吨、和 、 、 等。其中、一等用作板材,用 等轧制船体肋骨面型材。而我国的佃型穿浪双体船主船体材料均为铁 质,鉴于此,我们认为将来大型军用穿浪双体船可考虑采用高强度钢作为船 体 建造材料。 穿浪双体船的片体为纵向骨架,环以横向的筋结构作为横向支撑,这种结 构具有很好的减振作用。每个片体分为~个舱,首部尖舱,机舱,喷水推器 进舱,四至五个空舱,其中个用作远程燃油舱,装有远程油舱的设备,其余 的可用作压载仓。由于片体宽度有限,每个片体中的两台主机,相互错一个主 机位,沿船纵向前后布置。 为满足高速航行的要求,穿浪双体船一般采用台喷水推进器,其中 船用的喷水推进器为 /型,米船用的喷水推进器为 型,单台每秒喷水量高达升,台一起运转秒便可灌满一个奥运会标 准游泳池,足见其喷量之大,功率之高,当前高性能船的喷推一般为具有操纵 功能的组合型装置,其机构复杂、价格昂贵便也可想而知了。目前所采用的 船 用主机绝大多数为柴油机,其中船所配的主机为台中速柴油机 ”;有人设想将来可采用燃汽轮机驱动。主机与喷水推进器的连 接采用柔性连接,有的主机还配了减速齿轮,如米船“ ” 号即配了 型减速齿轮箱。各船所配主机和推进器详见表卜至表 卜。我国两艘穿浪双体船均采用螺旋桨作为推进器。由于喷水推进器价格昂 贵,未来短期内国产穿浪双体船仍可考虑以螺旋桨作为推进器。显然,将螺旋 桨用作大型军用穿浪双体船的推进器是需要系统、深入研究的课题。 ..如设计图谱,穿浪双体船的船型研究还在进行之中。在国内,穿浪双体船的 船型研究还处在起步阶段,文献、公开发表了国内穿浪双体船船型研 究的情况,此外就很少见国内这方面的研究报告公开发表了。顺便说明一下, 已有学者在穿浪双体船的基础上提出了“穿浪多体船”? 。的概念九。 表卜主要穿浪双体船基本技术指标和船型参数 ““分类, ? 辍啦口 血 蚰 ?“ 船名 曲 玎年份 . . . 总长.片体长五 . . . . . 水线长五 . . .. . 船宽、 . . 片体宽 ...吃水五 客位车位 载重量 空船重 排水量 . 三, / . .厂 .. ./ . .口 航速 , , , , , , 空船/蔚载 .加. .,. ,,. .,. . ./. × × × 主机型号 × × ×及主机功率 × × × ? × × × 推进器 螺旋桨 喷水 喷水 喷水 喷水 . 一?????????????????????????????????????????一一一华中科技大学博士 学位论文 续表卜 分类柚盯 船名 ?? 嘶? . . 年份 . . . . 总长四 . .‘ . . 片体长五. .. 水线长五 . .. 船宽 . . 片体宽 . . . . 吃水 , / , /客位车位载重量空船重 . 排水量 . . , . 三/ ,. . . . , .. . . . . . . . , 一 .。一 。 。 .。 . 。~ 。 。 。 航速蛐 空船/ / / , 】/ ’ ,, 满载 . . . . . × × × × × × 皿 主机型号 【 × × 及主机功率 缸 × 四 × × × ×喷推 × ×喷推 × × × × 推进器 , ??????????????????????????????????????????????????????????一一 . .华中科技大学博士学位论文 年份 三/ , . 总长 厂 水线长 / . 船宽 。 片体宽 . 。 吃水 航速 客位 , 最大,服务 车位 ×?强 主机型号 及主机功率 载重量 × 张 推进器 螺旋桨 排水量 表卜 岫基本技术指标 年份 / , . . 总长? , . . 水线长五 / . . 船宽五 。 . 。 片体宽四 . 吃水五 航速 客位 /. 空船脯载 ./. 车位 × 主机型号 载重量 及主机功率 排水量 “ 四 推进器 叶螺旋桨 一. ????????????????????一???????????????????????????????一华中科技大 学博士学位论文 表国内两穿浪双体船概念艇基本参数 所吨方案 . 总长 三 . / . 水线长 / . . / . 型宽 . / . 片体宽 . 吃水 。 . 槽道高 最大速度 . . 型深 × 排水量 功率 哈尔滨工程大学? . 总长 尾板收缩比 . / . 水线长 . / . 型宽 . / 儿. 片体宽? . / . 吃水 . / . 中体龙骨距水面高 / 排水量 。舯/尾 . 方形系数 。 . . 棱形系数 最大速度 . 舯剖面系数 . ..华中科技大学博士学位论文 ..穿浪双体船航海性能研究 穿浪双体船的设计、建造和营运方面的文献和经验已比较多,相对来说研 究穿浪双体船航海性能的文献比较少,有些结论也需进一步验证;目前国内 外 还没有可供设计使用的穿浪双体船系列资料公开发表,也没有用于设计和船 检 的规范。因而进一步对穿浪双体船航海性能研究有重要的意义。 文献对 系列‘卯设计方案及其中的首制船一穿 浪双体船型高速汽车渡/客船“”的阻力和推进性能,操纵性和耐波性等 系列 进行了试验研究,并对推进性能作了理论研究。 设计方案是日本“重工业有限公司” “.研制的,“ ’’亦由该公司建造,船长米,最大 试航速度节,载客名,同时装轿车辆或吨卡车辆,年 月建成,交日本“海洋时代信用公司”和“渡船公司”营运,航行于日 本的西部海域。 系列穿浪双体船设计方案以澳大利亚悉 尼的佃关键技术为基础,借助于模型试验、结构分析等发展了高速汽车渡/ 客 船的设计技术,现可提供各种尺度的 系列穿 浪型汽车渡船,船长范围为米到米。该文的主要研究内容如下: .对甜 系列进行模型试验,研究其阻力性能和耐波 性。系列是通过变化母型船的横截面、水线进角、穿浪首以及首柱型 式而形成的。 .进行装喷水推进器模型的自航试验,试验中取不同的内流比 ,,即进入喷推管内的流速与船模速度之比。通过 自航试验确定喷水推进器与船体的相互干扰作用。 .对所采用的喷水推进器的性能进行试验研究和理论研究。为验证 的强虹吸性能,对其模型进行了空泡试验;为优化的入口,对 绕入口的流场进行了理论研究和试验研究。 .对““,’所采用的控制纵摇、横摇的性能行了仿真研究。 .“”实船试验。实船试验项目较多,包括航速测量、功率测 量、形操纵性试验、回转性试验、停车性能试验、耐波性试验和 控制性能试验。 此外还进行了材料强度计算、防火性能试验等项研究。但该文未进行其他 水动力理论研究,也未报导绕入口流场理论研究的详情。 文献对米的穿浪双体船船康达号 .的耐波性、静水中 和波浪中的稳性进行了理论计算和模型试验。 .系 产 . .华中科技大学博士学位论文 品,年交付轮渡公司营运,该船航行于英国的威尔茅斯 、海峡群岛的、和法国的 之间的航线。主 要研究内容概括如下: ’以:的模型做试验。试验项目包括测量升沉、横摇和纵摇水动力 系数,以及与横倾偶合的水动力系数;观测在波浪中破损后最危险的 状况。 .静水稳性计算。 .以三维面元法对波浪中的自由度运动进行频域分析以得出船对浪向 响应的敏感性,但文中未介绍所采用的数学模型和具体计算方法。 .以时域方法对波浪中的完整稳性、破损稳性和生命力进行了仿真计 算。 此外据文献报导,在澳大利亚航海学院的船模试验池进行了条 船模的阻力和耐波性试验。结果表明,耐波性与船首关系密切,并研究分析了 折角线、尾部浸深和片体间距对阻力的影响;在荷兰航海研究所的船模试验 池 完成了穿浪双体船不同穿浪首的评估和优选试验,在高速耐波性水池对三艘 米长喷水推进自航模进行了多种状态的试验。 年月在丹麦首都哥本哈根召开的第届高速渡船国际会议””上, 职员 等人“高速渡船恰当的总体载荷”一文讨论了 米穿浪双体船交船航行中实船测试情况,研究人员在上 安装了、随船浪高仪、加速度测量仪等试验设备,持续监测、记录交船航 行中船体在波浪中运动、受力等方面的数据,这些实船试验数据可用于设计计 算中总体波浪载荷的修正。穿浪双体船首部中间船体型式是其特色之一,它具 有减轻纵摇、升沉。缓和大浪对甲板砰击的功能。在这次实船试验中课题组集 中注意研究了在大浪里首部中间船体对波浪载荷、甲板砰击加速度以及结构响 应的影响。观察结果和仪器记录数据都证实了首部中间船体缓和波浪冲击力的 功能。该文根据实船试验数据针对大型穿浪双体船首部中间片体入水的情况, 提出了对按规范确定的波浪载荷修正的方法参见图卜。这似乎是唯一详细 研究中间船体入水的文献。我们认为这方面的研究随着穿浪双体船的大型化将 更显示出重要性,是需要深入研究的课题。 在国内,所、哈尔滨船舶工程大学穿浪双体船的研究的起步较早。哈 尔滨船舶工程大学赵连恩等人对一穿浪双体船模进行了试验研究,包括静水阻 力、耐波性试验”,耐波性试验包括几.~.的一系列波长,.、 .和.三种不同的傅汝德数,测量参数包括纵摇、升沉、首、尾加速度 和波浪增阻。该文通过穿浪双体船与深型船、圆舭型船模型试验的比较在一华中科技大学博士学位论又 定范围内验证了穿浪双体船优良的耐波性和高速阻力性能。所马涛等人办 进行了穿浪双体船的阻力和耐波性试验“?,测量参数与大致相同,该文也 将穿浪双体船模型试验结果与普通高速双体船等几种船型模型试验结果进行了 比较,结论与也是类似的。 除此之外,专门关于穿浪双体船水动力性能研究的文献就不多见了。有一 些普通高速双体船的水动力试验研究和理论研究的文献亦可以作为穿浪双体船 研究的参考,尤其是高速双体船兴波阻力和船舶纵向运动性能计算方法 ?埘】【】?,经验证和改进后,可望用于穿浪双体船兴波阻力和纵向运动性能计 算,这正是本文要研究的重点之~。 综上所述,国内外穿浪双体船航海性能的研究已取得了一定成果,积累了一 些技术资料,但公开发表的文献不多,水动力理论计算方法的研究还很不充分,事 实上穿浪双体船试航速度达不到设计航速的技术事故乃至海损事故都有所 发 片体穿浪首 片体穿浪首 酋部中间船体 图?用于首部中间船体入水时波浪载荷修正的近似波形 驴碍 图一第三代脯穿浪双体船型 .. . 一???????/??图卜 第三代 穿浪双体船型 ????????????????一???????????????????????????????一一 华中科技大学博士‘学位论文 图卜 第三代 穿浪取体船型 ..华中科技大学博士学位论文 圈卜第~代穿浪双体船侧面图 图卜第一代穿浪双体船端面图 .华中科技大学博士学位论文 三? 图?第二代穿浪双体船侧面图 图卜第代穿浪双体船端面图 .华中科技大学博士学位论文 .船舶兴波阻力理论发晨综述 本文的主要工作之一是研究穿浪双体船的兴波阻力,本节对船舶兴波阻力 理论的发展进行综述。 年密切尔..首次导出了船舶兴波阻力计算公式称 积分,从此船舶兴波阻力理论便逐渐发展为一门学科啪儿。一个世纪 以来,尤其是近五十年来,该学科得到了很大的发展,取得了不少重大成果, 在船舶工程中发挥了重要作用。许多学者和工程技术人员一直致力于船舶兴 波 阻力方面的研究,采用理论的、试验的和数值计算方法来探究兴波阻力机理, 预报船舶兴波阻力,并用于改进船型。 上述积分反应了船型与兴波阻力之间的关系,标志着兴波阻力理 论研究的开始。年哈夫洛克又导出了称之为源的格林 函数,它可以用来描述薄船速度势、波形和波幅函数,并进而求出与 积分一致的薄船兴波阻力。这类薄船理论是一种线性兴波阻力理论,由于数 学 模型过于简化,故对一般船型而言,预报的兴波阻力会有程度不同的误差,但 它为后来的兴波阻力研究奠定了基础。薄船理论实际上是以/为小参数摄 动展开得到的的一种一阶线性理论,以后又有多种理论问世:当取为/时 则为扁船理论;当/、/均为小参数时则为细长体理论等等。从计算结果 看,在这几种经典的线性理论中,薄船理论计算结果较好。由于薄船理论形式 简洁,物理意义清晰,理论上成熟,计算方便,且计算结果的定性规律从总体 上说是正确的,尤其是对/较大的军船在.~.的范围内可以得到相 当准确的计算结果,至今该公式仍然应用于船舶设计及船舶阻力研究中,一些 更高深的兴波阻力理论也是在?理论的基础上发展起来的。 在此之后的半个世纪内,由于船舶兴波问题的复杂性,特别是计算上的困 难,兴波阻力理论研究进展较为缓慢,直到二十世纪六十年代初才又兴盛起来, 在七十到八十年代兴波阻力理论的发展达到了高峰期。这期间的主要贡献者之 ~是日本的乾从夫,他的主要贡献是:第一,给定奇点分布,用流线追 踪法得到船型,使船体绕流能精确地满足物面条件,从理论上说这种方法可提 高计算精度,此外这种方法还可用于船型改进,减小波阻。第二,提出了在船 首处安装球酋,使球首与主船体的波彼此抵消。第三,发展了用立体摄影法获 取船波的技术,并将船波与船型改进结合起来。接着卞保琦发展了的思 想,通过模拟船体的奇点适当分布获得了减少波阻的效果。在这期间,线性兴 波阻力的研究似乎趋向于船体曲面表达、船型改进、消波降阻的方向。同时在 ?????????????????????????????????????????????????????????????????? 一一华中科技大学博士学位论文 这些工作的启发下,波形测量技术和波形分析理论、方法相继提出,并在船舶 设计、研究中得到应用。此后船型改进、波形分析这两个研究方向一直在发 展,延续至今,在工程中发挥了较大作用。 总的来说船型优化方法可以分为变分法与数学规划法两类。变分法是给定 傅汝德数,通过对随船型变化的兴波阻力变分解出使兴波阻力最小的船型,在 变分计算中一般要对排水量或其他船型参数加以约束。这一类方法可以将马场 ‘法作为代表,马场法是年首先提出的,采用一 兴波阻力公式,基本船型对兴波阻力的贡献是以实测波幅函数表示的,优化计 算的是薄船型值。后来堤孝行.以及国内刘应中、李干洛、石 仲垫等学者口印在马场法的基础上做了进一步的工作,他们或简化了线性兴 波阻力公式、或更多地利用了实测波幅函数信息、或不用实测波幅函数而只用 理论波幅函数;其中还分为用和不用附加薄船概念的两种方法。 数学规划法是年熊继昭..】【首先提出的,这类方法 以某种插值函数逼近船形,再将线性兴波阻力数值计算公式写作船体型值的二 次型,以非线性规划方法可以求出该二次型的最小值。从八十年代末直到九十 ?,其中有的仍采用 年代末国内仍有人按熊继昭的思路进行船型优化的研究 逼近船形,也有人提出其他形式的船 中的“帐篷函数” 形函数。 从船型优化效果来看,经模型试验检验不少算例确实实现了船型优化。但 也有一些不成功的算例,如船型优化计算结果与模型试验结果不一致,没有真 正实现优化;或者优化计算出的形状与实际船型相差太远,不能实用。 至于波形测量与波形分析,现在理论上和技术上已发展较成熟,目前波形 测量和波形分析技术已成为水池试验的常规项目。在各种波形分析法中,用的 较多是纽曼一沙曼法纵切法。从测量仪器上看过去一般是采用接触式浪高仪 系统,前几年有人研究非接触式如超声式浪高仪系统“,近来还有人开展对 实船进行波形测量和波形分析的研究“。 同一时期,高阶理论的研究也在进行。至此人们认识到了考虑非线性是提 高兴波阻力计算精度的途径。高阶理论是在摄动法中保留小参数船型参数 高阶项而建立的非线性兴波阻力理论,可以认为是对一阶理论的发展 和改进。西左夫、威豪逊、埃格斯和丸尾 等人先后提出了各自的高阶薄船理论,而和则沟通了它们之 间的联系。加德随后提出了属于坐标变形法的格鲁顿一加德“ ?理论,早在年在其博士论文中即直观地提出一组对 薄船坐标变换的公式,以理论和该变换公式为基础建立了一华中科技大学博士学位论叉 套兴波阻力计算方法,在这之后通过进一步研究他又指出该方法能满足二阶边 界条件。于年重新研究“方法并用奇点法加以改造,在计 算机上实现了较多的计算并获得了成功。经过改造和计算实践,人们才认 识到.方法的实用价值,并称其为订?法。年 ?方法是一种不 和各自独立用坐标变形法证实 协调理论:边界条件是二阶的,控制方程仍是一阶的。年他们两人又联合 提出一种协调的二阶理论。一般认为在高阶理论中?方法能给 出较好的结果,出现了多种按该方法编制的计算程序“”,八十年代末以后仍 有 人结合船型优化进行这方面的研究““。从数学的角度上说,高阶理论都是将 船 体某几何参数作为小参数,对兴波问题的定解方程进行摄动展开,保留部分 非 线性项,从而建立简化的定解方程。 慢船理论也产生于这个时代。从数学上说,慢船理论也是以摄动法建立 的,只不过慢船理论中的小参数是傅汝德数。有人证明,对二维问题如不采 取特殊措施,这种摄动方法不能获得有效的解,如年?证明,二维 问题按傅汝德数摄动展开不能获得波动解;年、、 、证明,二维正则傅汝德数展开收敛半径为零。在对二维问题收 敛性分析的启发下,马场建立了三维问题的慢船理论;、 和都重新按三维慢船理论推导了自由面条件和方程,建立了各自的数学 模型。由慢船理论数学模型可见,慢船理论的波动项是叠加在合模产生的非 均 匀流动上的,这是慢船理论的特点。上述各种三维慢船理论的计算结果一般是 收敛的,其中法的主要贡献是提出了一种实用的数值方法,他把兰金 源分布在物面和自由面上,由物面绕流条件和经过差分离散化的自由 面条件共同决定源的强度分布。关于慢船理论中的法,在 年代以后仍有不少人在深入研究,并取得了一定成果卯【”,如文献以 法对球鼻首进行了优化设计;文献则提出以法计算带压浪 板船型的兴波阻力,并以该方法对压浪板进行了优化设计。文献在理论上 对法作了较大修正,实际上已将法推广为非线性船波问题,其 方法要点之一是:在以源方法解非线性船波问题时,将自由面划分为 近域和远域两个区域,近域满足非线性自由面条件、远域满足线性自由面条件 和辐射条件,而且给出了远域自由面源强计算方法,这样就不用以“迎风四点 差分格式”离散自由面条件来满足辐射条件。总的来说,法所用格林函 数简单,计算量小,可以得到与模型试验较为一致的结果,而且较易于推广到 非线性问题,在科研和工程中都得到了较广泛的应用。 ’华中科技大学博士学位论.文 上述各种兴波阻力理论所得计算结果仍然与实际船型的兴波阻力有差异。 原因之一是上述各种理论仍然忽略了一部分甚至大部分非线性项的影响,而 实际上船波是一种非常复杂的非线性自由表面波,忽略非线性影响不可避免地 会带来误差。故国内外不少学者在致力于非线性兴波阻力的研究。一个研究 方 向是如前所述的高阶理论‘删】”】。另~个研究方向是如前所述的非线性 型方法,即在型方法的自由面条件中计入非线性因素 。】】【”,当然最严格的方法是采用完整的非线性自由面条件,这就是所谓全 非线性兴波阻力理论”,以型面元法求解这类非线性兴波问题要采用迭 代算法,提供的一种迭代过程如下式所示: 一 矽:”。’?’击?:”, 在砰‘”。上。 : , ? 在砰‘”’上 枷’一【?‘”’】 从模拟船体对水流作用的源汇分布格林函数来考察非线性兴波阻力理论, 型方法采用的是源格林函数,采用源格林函数的方法 除在物面上分布源汇外,还要在自由面一定区域内分布源汇。还有一类方法 采 用源格林函数,所谓源格林函数指的是满足线性化自由面 条件和上游无波辐射条件的格林函数,这类方法属于?理论,自 由面条件是线性的,物面条件是非线性的,按这种方法只要在物面布置源汇, 其强度由物面条件确定。源方法也是兴波阻力理论的一个研究方向, 文献、、、进行了这方面的研究,其中的物面条件是严 格的,只保留了物面条件部分非线性项。、则是对兴波问题的 源方法与船舶在波浪中运动问题的三维移动脉动源方法统一处理。 源方法的难点是其格林函数的数值计算,,,..等 人在、、、中研究了源各项的计算方法。尽管 源方法不需在自由面上分布源汇,预处理工作少些,但其格林函数计 算复杂,总的来说该方法不如源方法简便,在单独研究兴波阻力的文 献中采用源方法的居多。源方法的主要优点是它可以作为船 舶在波浪中有航速摇荡运动的特例来处理。除以上各种采用面元法的方法外, 也有少数几篇文献【“儿儿叫对以有限元法、差分法解船波问题进行了探讨。尽管 非线性兴波理论的研究取得了一定成果,但总的来说在理论上、数值计算方法 上仍有一些没有解决的问题。以往认为非线性兴波阻力理论还遗留有两方面的 问题未解决,一、所需的计算机内存大、计算时间长,一般研究机构缺乏所需 计算条件;二、计算精度还不高。比线性理论没有大的改进。按作者的计算经华中科技大学博士学位论文 验,第一个问题已不复存在,而解决提高计算精度的问题现在也有了较好的条 件。 与理论发展相适应,从年代到年代中期有关的国际会议十分频繁。 年在美国召开了第一届计算船舶流体力学会议,第一次出现了船 舶流体力学这个名称;年在东京召开了第二届理论兴波阻力会议第一届 在年;紧接着年在召开了第二届船舶流体力学会议, 年和年先后在华盛顿和日本召开了兴波阻力专题讨轮会; 年在巴黎召开了第三届船舶流体力学会议;年在华盛顿召开了第二届兴波 阻力专题讨论会。其中,年的船舶流体力学会议被认为是数值计算进入兴 波阻力领域的转折点,会上发表了大量解船波问题的论文,著名的法就 是在这次会上提出来的。从,等研究船舶力学的著名国际期刊来看,近 年来兴波阻力理论研究又成为最活跃的研究领域之一。 在未来的兴波阻力理论研究中,基于摄动法的高阶理论和型方法仍 会持续下去,同时也会借助大容量、高速度计算机用数值计算方法直接求解全 非线性兴波问题。现代科学的特点之一是各学科、研究方向相互渗透,呈综合 趋势,这反映在兴波阻力理论中就是粘性与兴波问题的相互影响受到重视,已 有人、将来还会有更多的人研究计入粘性影响的非线性兴波阻力理论,这种理 论的一个发展方向是以?方程为基础研究兴波问题,其定解方程是带有自由 面的?方程或方程,常用的计算方法有【【“““、【、 姒?、姒四、觚姒删九,近期,文献】则采用方法。川解~ 方程,对绕船体的粘性兴波流动进行了数值模拟,系列算例的计算结果与 模型试验结果比较表明,该方法求出的船体表面波形与试验数据一致,压阻 力 略为偏高