高性能船舶解剖.docx

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高性能船舶解剖

题目：

高速排水型船

姓名：

学号：

摘要：

船舶的阻力主要由粘性阻力和兴波阻力两部分组成。

对于给定航速，粘性阻力与船舶湿表面面积成正比，但船体湿表面面积受到设计用途和船型参数的限制不易改变或改变不大，而在一定的弗汝德数范围内，兴波阻力对船型的变化相当敏感，如适当的修改船体型线，可使兴波阻力显著降低m。

因此，用理论的、实验的以及计算的手段探讨兴波阻力的机理，预估实船的兴波阻力，并以此改造优良的船型，一直是船舶阻力和性能研究的中心的内容之一。

Abstract：

Theship'sresistanceismainlycomposedofviscousresistanceandwaveresistanceoftwoparts.Foragivenspeed,viscosityresistanceisproportionaltotheshipwetsurfacearea,buttheshipwetsurfaceareaislimitedtothedesignpurposeandshiptypeparameterisnoteasytochangeorchangeisnotbig,andwithinacertainrangeoftheRuDenumber,thewave-makingresistanceofshipformisquitesensitive,suchastheappropriatemodificationhulllines,cansignificantlyreducethewave-makingresistancem.,therefore,theuseoftheory,experimentandcalculationmethodtoexplorethemechanismofthewaveresistance,estimatethetestingresultofthewaveresistance,andexcellentform,hasalwaysbeenthecenteroftheshipresistanceandperformancestudyofoneofthecontent.

背景：

船舶的大型化、高速化是现代水路交通发展的趋势之一，这是运输业追求高效率的必然结果。

近年来，国内外越来越多的人关注高速船舶产生的尾浪，高尾浪不但可能危及水岸附近的人的生命，也会对近岸建筑以及附近的其他船舶产生安全威胁，同时高尾浪也会侵蚀堤岸，产生环境危害。

如何降低高速船的尾浪，已成为船舶工程界及航运部门关注的焦点之一。

航行尾浪小或船行波波能小己成为限制水域中高速船舶或大型船舶能够正常营运的必要条件。

一方面，作为追求经济效率必然结果的船舶大型化、高速化趋势已对航行安全和生态环境构成威胁，在限制水域中情况更为严重。

另一方面，航区限速等被动措施对于大型船舶、高速船舶造成的经济效率下降也更为明显。

不少国家的政府和民间机构曾就高速船尾浪对近岸的沉积物、水质及生态环境的影响做过大量的研究a近年来国外（如澳大利亚、荷兰等国）已开始试验、生产低尾浪低冲刷的高速双体、多体客船，国内也有人开始着手对此进行研究。

试验方法是一种可信度较高的解决方法，但试验要求在相当广阔的水域进行，需要花费大量的人力和物力。

由于在船舶设计阶段难以对其尾浪作较准确的估计，常规设计通常对此未予考虑。

以数值方法表达船舶的尾浪，可以在一定精度范围内简单高效地获取船舶尾浪的相关属性，为船型设计和船型优化提供理论依据和指导，有助于改善船舶尾浪造成的严重环境问题，并可为相应的护岸问题研究和生态环境评估提供必要的科学依据。

高速排水型三体船兴波阻力研究

船舶的阻力主要由粘性阻力和兴波阻力两部分组成。

对于给定航速，粘性阻力与船舶湿表面面积成正比，但船体湿表面面积受到设计用途和船型参数的限制不易改变或改变不大，而在一定的弗汝德数范围内，兴波阻力对船型的变化相当敏感，如适当的修改船体型线，可使兴波阻力显著降低m。

因此，用理论的、实验的以及计算的手段探讨兴波阻力的机理，预估实船的兴波阻力，并以此改造优良的船型，一直是船舶阻力和性能研究的中心内容之一。

近年来，排水型高性能船型的研究趋于活跃，如深V型船、小水线面双体船以及穿浪双体船等都是研究和实用较多的船型，高速三体船也引起了国内外广泛的关注。

高速三体船水下部分由一个中体（主船体）和两个小侧体（辅船体）组成，三个船体均为细长片体，中体比普通单体船更加瘦长a/5大约在12到18之间），侧体排水量不超过中体排水量的10%,连接桥将侧体与中体连接成一体。

与其它高性能船相比，三体船的研究起步较晚，但三体船具有一系列更为突出的优点，主要表现在以下几个方面：

（1）消波性能

三体船最大的特点是消波性能好。

在航行时，从首部进入通道内的气流和水流被限制在两个船体之间，很少自横向溢出和飞溅，气水混合通过船底滑行船尾冲出。

因此船尾波明显下降，在高速时，尤为明显。

常规滑行艇、常规单体船和三体船相比，常规滑行艇无消波作用，兴波很大，常规高速单体船只能消除一小部分波浪，而三体船不仅兴波小，消波的功能优于前两种船型，而且耐波性亦好。

这一优点不仅改善快速性，提高运输效率而且明显减少波浪对河岸的冲刷以及。

（2）宽敞的甲板面积和良好的安全性

三体船甲板宽敞，可为旅客提供较大的人均面积和活动场所。

由于船宽较大，复原力矩大、稳性好、储备浮力大，破舱后不会翻船、沉船危险，抗沉性

1

增加了航道中船员和人员的安全性好。

三体船具有三个滑行支撑面，航行时航向稳定性好。

（3）较好的舒适性和灵活的操纵性

三体船高速航行时，有较好的髙速流动动力性能，波浪中抨击小，垂向加速度可望减小。

由于进入通道内的高速气流喷向船尾，增加了空气的润滑作用，因此，载逆风航行时，风浪中失速亦小。

另外，桨距和舵距较大，舵效好，操纵性能得到明显改善。

三体船在高速回转时仅需4.5-5.5倍船长，而常规滑行艇需要8-12倍船长。

在极低速度下，利用螺旋桨正反转，基本上可实现原地回转。

（4）优良的耐波性

该船型也具有优良的耐波性，尤其是可避免双体船的“扭摇”（横摇与纵摇的耦合摇摆）与“急摇”（短周期的横摇），并可明显减小纵摇和升沉。

（5）良好的经济性

由于三体船具有良好的阻力性能，在航速相当的情况下，三体船比常规单体船可较多降低主机功率。

在航速相当的情况下，三体船可节约较多的燃油消耗。

《方尾图谱》重分析与范围扩展

2.1原苏联《方尾图谱》

原方尾图谱是由现代驱逐舰船模实验得到的。

与水池拖曳实验结果相比较用该图谱进行高速船

的阻力估算，误差一般在5%以下。

方尾图谱基准船

型的横剖面图如图l所示。

基准船型的剩余阻力图

谱一共有9幅，对应Fr=0.30~0.70不同的傅汝德数。

其中=0.45的一幅曲线如图2所示。

图谱的棱形系

数和修长系数范围分别为Cp=0.58~0.67和！

=7.0~

8.5。

基准船型的方尾特征参数：

尾收缩度b/B=0.60，

尾板底部横向斜升角"=9°。

原方尾图谱的使用与计

算方法在文献[l]中有详细的介绍。

计算船型越接近

方尾图谱的试验船型，则阻力估算的结果误差越小。

2.2方尾图谱的更新与应用范围扩展

通过对国内外多艘轻型驱逐舰和护卫舰船型与

图1《方尾图谱》基准船型横剖面

Fig.lTransversesectionofnormtransomships

阻力等资料[2,4]的分析比较时发现，在较高的速度和较高的修长系数！

=L/!

1/3>O.8O的情况下，原方尾图谱给出的剩余阻力结果偏高，如图2中虚线所示为有人修正后的结果。

同时由于高速排水型船舶航速的进一步提高，原图谱的傅汝德数范围与长度排水量系数！

范围均已不能满足现代船舶设计的要求。

本文作者在对原方尾图谱进行重分析的基础上，综合分析和参考了MO3、MO7、MO8、M1O、M13、M15等修长系数！

>O.8O以上的系列方尾模型阻力试验数据'并换算到基准模型，以合理地修正原方尾图谱高速段和修长度高端的剩余阻力值，并向外延伸了图谱的修长度！

和傅汝德数fr。

新方尾图谱！

=5.O~1.O，Cp=O.58~O.67和=O.3O~1.OO的应用范围，既可适用于现代高速排水型单体船舶快速性预报，又可以满足高速双体船修长片体阻力估算的基本要求。

图2方尾基准船型fr=O.45的剩余阻力系数曲线

Fig.2NormdiagramofresidualresistanceoftransomshipsatF,=O.45

基准船型的剩余阻力系数CrO电子图表简化成为和！

的函数，即C.O=/（"r；!

）Cp=O.65

棱形系数&不再是新方尾图谱基准阻力曲线的变化参数，但Cp不同于Cp=O.65时对于剩余阻力的影响是用基尔斯影响系数曲线'即

〜销）'0%，〇.65）

来进行修正的。

重分析后新方尾图谱的基准船型阻力数据再现曲线如图3所示。

3方尾特征参数0、!

/"和"/#对剩余阻力的修正

仅由尾板宽度不同于基准值b/B=O.6时，对剩余阻力修正系数为Kb/B=Cr"/B$CrO"/B=O.6），见

图4。

1.300.400.500.600.700.800.90

图3重分析后的方尾图谱基准阻力数据曲线

Fig.3Normdiagramofresidualresistanceofweightinessanalysistransomships

1.30.40.50.60.7

Fr

图4修正系数Kb/Bfig.4ThecOrrectedparameter

仅由尾板底斜升角！

不同于基准值！

=9。

时，对剩余阻力的修正系数为&!

"&0!

=9。

），见图5。

0.30.40.50.60.7

Fr

图5修正系数％Fig.5Thecorrectedparameter

仅由宽吃水比不同于基准值B/T=3.0时，对剩余阻力的修正系数为Kb/t=Ct!

W"Ct0!

W=3.0），见

图6。

图6修正系数Kb/t

Fig.6ThecorrectedparameterKBIT

显然，当船型参数为1/B=0.6，B/^3.0，，8=9°基准值时，剩余阻力修正系数

Kb/B=KB/T=K!

=1.〇

I/B#BW和！

值为任意时，共同对剩余阻力的影响结果为Cr=Kb/BKB/iK$Cr〇

由于电子计算技术的发展，上述估算过程已毋须再由繁复的手工查图谱和计算来完成。

重分析后新方尾图谱的基准图谱和各影响系数曲线均转化处理为电子图表数据，以便于用MicrosoftExcel计

算，集成编写方尾船型的快速性预报程序。

在作快速性计算时，除了输入船型方案的主尺度与方尾船型特征参数外，尚需输入主机功率、转速、齿轮箱速比等参数（本文从略），MicrosoftExcel即可自动执行电子图表程序计算，实时输出与显示计算结果，包括给出完整的阻力曲线、螺旋桨主要参数、能达到的航速等快速性计算结果。

过去原图谱只能进行手工计算，算一条阻力曲线至少需要l~2天的时间，若计算和比较几组船型方案的快速性则更为困难。

改进后的电子数据程序图表使计算效率大大提高，精度也明显高于手算，同时减小了计算差错率。

新方法的电子数据程序图表，适应数字化船舶设计模式的要求，特别适合对多组设计方案的快速性进行比较计算，其功效和优势更为明显。

较

以某驱逐舰模型M07为算例，其主要参数[2]见表1。

表1M07模型的主要船型参数

Tab.1Themainship-formparametersofmodelM07

水线长1

Lm=3.00m

水线宽：

Bm=0.3l24m

设计吃水：

dm=0.0949m

排水量：

!

m=0.04397t

方形系数：

Cb=0.493

棱形系数：

C；=0.608

最大横剖面系数：

Cm=0.806

相对尾板宽度：

bm/Bm=O.84

尾板底部横向斜升角1

!

=4.50

-6—M07istffi••■■■M07iiW〇M07试验

图7MO7驱逐舰剩余阻力系数Cr计算值与试验结果比较

Fig.7ComparisonofcalculationandexperimentresultsofresidualresistancecoefficientofMO7destroyer

驱逐舰MO7模型的剩余阻力系数[2]见表2，本文新方尾图谱方法的计算结果与中国船舶科学研究中心的试验结果相当吻合，如图7所示。

5结论

（1）重分析后的单体排水型方尾船图谱的长度排水量系数和航速范围更宽，电子阻力数据不仅适合高速普通单体船的阻力预报，也适合现代高双速船舶的阻力估算。

表2M07模型的剩余阻力系数

Tab.2ResidualresistancecoefficientofmodelM07

Cr

Cr

Cr

Cr

0.20

0.97

0.34

1.2

0.48

2.65

0.62

2.3

0.22

1.01

0.36

1.32

0.50

2.66

0.64

2.23

0.24

1.06

0.38

1.59

0.52

2.64

0.66

2.15

0.26

1.14

0.40

1.91

0.54

2.6

0.68

2.08

0.28

1.22

0.42

2.19

0.56

2.53

0.70

2.01

0.30

1.25

0.44

2.43

0.58

2.45

0.32

1.2

0.46

2.58

0.60

2.37

（2）整个计算过程直接使用MicrosoftExcel,电子图表方法更适合进行船舶不同尺度方案的快速性比较与最佳方案的选取，以及确定高速单体船或高速双体船的总阻力与有效功率曲线，以及所能达到的航速。

（3）实际算例与船模试验结果比较表明，本方法是一种实用、高效、灵活、便捷与可靠的计算方法。

其他任何新老形式的阻力图谱都可以适用这种方法进行更新和改造。

（4）本文方法的普遍意义在于可以激活大量经典的快速性图谱（包括阻力图谱和螺旋桨图谱等）这些宝贵技术存量资源，实现计算机自动查值计算，扩大计算机辅助船舶设计快速性软件功能的多样性和增强快速性预报的可靠性与精确性，进一步开发和创造传统阻力图谱的工程应用价值。

数值研究假定一刚性船体在无限深的理想、不可压缩的静止流体中以速度f=（t/Q，o,o）作匀速直线运动。

如图2-1取随船运动坐标系U=o平面为未扰动自由面），则对于此坐标系，流动为定常。

设流动无旋，则存在速度势将总速度势分解为扰动势与来流势即有y=

船舶兴波速度势应满足如下之Laplace方程：

vV=°,z<^{x,y）（2_1）

自由面形状为：

z=<（x，_y）

求解此定常的兴波问题需满足如下各个边界条件:

V

v^-vc-t/〇c-^=〇^z=ax,y）（2-3）

i（V^-V^）+^-L/0^=0,z=i；（x,y）（2-4）

lim（p2=〇’（2-5）

>—oo

limVp=（0,0,0）（2-6）

（x2+>>2+22）->〇〇

此外，对于稳态船波问题还需要满足辐射条件，即远前方无波条件，条件（2-6）是无穷远处的自然边界条件，并非辐射条件。

由自由面运动学边界条件（2-3）与动力学边界条件（24）可得如下耦合的线性化自由面边界条件：

^+^=°

式中…壺

z=^（x,y）

为波数。

（2-7）

由以上方程及相应的边界条件构成的定解问题又称为Neumann-Kelvin问

题。

8

波高<可由如下线性化的自由面动力学条件求得：

（2-8）

2.3船体兴波速度势的表达

2.3.1Rankine源法基本方程

本文采用以Rankine源作为Green函数的方法求解船舶兴波。

以Rankine源法作为Green函数求解一般三维物体势流的数值计算，是航空界从20世纪50年代末、60年代初开始的面元法。

1977年后，该方法通过Dowson引入船舶界，并成为求解船体在静水中航行兴波问题的主流方法。

Rankine源方法Green函数简单，相比Kelvin源方法，虽仅自动满足无穷远

处边界条件（2-6），但易于推广到非线性问题，计算量小。

取Laplace方程（2-1）的基本解（?

（/?

，^）=1/4；^（；>,^）作为格林函数，；7为场点，9为源点，/*（/^）为源

点与场点的距离。

船体兴波问题属于无升力问题，采用常用的源汇分布法，直接在船体、自由面等边界面上布置源汇即可，流场中任何一点的扰动速度势即可求出：

f|3（!

ldS（2-9）

s5^r{p,q）

式中：

具体可写成：

{（,~TT^S^）dSS+!

[/⑷dSf（2-10）

Anrs（p,q）47rrf（p,q）

其中，上角标为s表示船体表面的有关物理量，/表示自由面有关物理量。

由物面边界条件（2-2）可以得到积分方程为：

g（g）

2

（2-11）

将式（2-9）和式（2-10）代入式（2-7）,可得线性自由面边界条件:

由上可知，只要求得布置在各边界面上奇点的强度1（〖），即可求得流场中各点的速度势。

基于NURBS高阶面元法与一般的低阶面元法和高阶面元法不一样，在布置源强时，不再将船体划分为一块块的面元，并在每个面元上布置源汇，而是把船体当做一整块面，其源强也是当成一整块，未知的是整个源强“面”的控制顶点，布置配置点满足边界条件，即可求出控制顶点，从而求得源强，从而解决问题。

2.3.2自由面奇点上置

将原本应该布置于自由面面元上的奇点（对船舶兴波问题通常是源汇）置于自由面上方一定的距离，这种方法最初被引入的目的或许是便于采用“配置点移动”法数值满足辐射条件。

Raven™、Nakos[2l]和高高[22]M先后对自由面奇点上置的误差、稳定性等问题作了深入的研究。

有关研究发现：

该方法可以明显减少离散带來的数值色散误差、提高计算精度。

奇点上置的髙度一般取1-3倍的纵向网格距离为好，既可减少色散误差又不至于使最终求解方程系数矩阵的性态恶化。

2.3.3辐射条件的满足

船舶兴波计算中所谓的“辐射条件”，即为满足远前方无波的条件。

Rankine源不像Kelvin源自动满足辐射条件，所以在具体的计算中，常常采用某些数值手段以保证辐射条件的满足。

对于辐射条件的满足，存在诸多不同的方法。

具体包括不直接引入数值粘性和直接引入数值粘性两大类。

本文采用了配置点移动的方法，将自由面上置的源点与自由面相应的配置点交错一个纵向网格间距，（相当于将配置点向上游移动一个纵向网格间距），使得辐射条件较好的得到满足。

参考文献：

1高速排水型三体船兴波阻力数值计算

2高速双体船的水动力特征研究

3高速细长体理论在双体船运动计算中的应用

4排水型高速船舶尾浪的数值研究

5预报现代高速排水型船舶阻力性能的新型方尾图谱

（1）

6高速排水型船的运动性能预报

7高速排水型船支架空化观测

8排水型船横摇阻尼的理论和试验研究

9高速排水型舰船加装尾板的节能机理

10单螺旋桨排水型船的前后体型线设计

Title：

Highspeedsemi-displacementvessel

Name：

ZhangYitanNumber：

1340110126

Abstract：

Trimaranshavemanyadvantagesinperformancesandopenupavastrangeofprospectsforapplications.Theresearchonthembecomesmoreactiveandhasmadeprogressrecentyears.Oneofthekeyproblemsinthehulldesignandoptimizationishowtoforecasttheshipresistancequicklyandaccurately.Withthedevelopmentofcomputationalfluiddynamicsandcomputertechnology,theforecastingprecisionofshipresistancehasincreased.

ThenumericalcalculationofwaveresistancebyaraisedpanelmethodbasedonNURBS（Non-UnifonnRationalB-Splines）forhighspeedshipsisdiscussed,andnumericalexamplesofthewave-makingproblemfortrimaransispresented.Thisisahigh-precisionandthegeneralizedhigh-orderpanelmethod.Thebodysurface,freesurfaceandeveryphysicalquantitiestobesolvedareexpressedasawholenth-ordercontinuouss

urface,orseveralsurfacesifneeded,inthismethod.Itisofbetternumericalcharactersthanconventionalpanelmethods.Raisedpanelsabovethefreesurfacecombinedwithcollocation-pointshiftingup-streamareusedtosatisfytheradiationconditionnumerically.

Fullpaper：

Theship'sresistanceismainlycomposedofviscousresistanceandwaveresistanceoftwoparts.Foragivenspeed,theviscousresistanceisproportionaltotheshipwetsurfacearea,buttheshipwetsurfaceareaislimitedtothedesignpurp