船底边板对滑行艇操作性能的影响.docx

船底边板对滑行艇操作性能的影响1.引言??? 在近二十年来，滑行艇被广泛用作巡逻、海上警卫、勘测和军用船舶。许多该类型的船舶船速很高，弗汝德数可达到6,但是它们在海洋中的可操纵性很差。哪怕是在静水中，该类型船舶依然会出现振动、船艏入水、大倾角、方向难以控制以及操纵型差的问题。??? 滑行艇的操纵与排水型船的操纵是不一样的，因为对船舶的操纵会影响到它的吃水差和速度。而船舶吃水差的改变又会影响其操纵特性。Coccoli[2]和Soares [3]关于高速艇操纵性的等尺寸海上实验得出，高速艇的回转半径值(DT)和超前增进值(AD)都超过国际海事组织（IMO）规定的传统船型在静水中的标准值。??? 人们通过改变可以影响特征值的参数，例如增大前进速度，来改善船舶的操纵性。其它参数，比如横倾角、纵倾角、吃水变化等也会影响其操纵性[4,5]。此外，船体上的附属物（如中纵龙骨、舭龙骨等）对此也有影响。??? 综上考虑，本文着重对一艘装有三块船底边板的22m滑行艇进行研究。通过改变三块船底边板的长度，即从全长改为半长（从船肿到船艉），来减小该船转弯所需的回转直径。该船有无船底边板的各状态下的水动力系数将通过一平面运动装置(PMM)进行测量。其操纵参数（如转角和曲折运动）则利用时域仿真程序输入实验得到的水动力系数后计算得出。2．数学模型??? 基于操纵理论[7,8和9]，建立一轴坐标系，连同建立在船体质心的原始坐标系构成数学模型，用来描述船舶的操纵运动。该数学模型在如图1所示的坐标系统，用式（1）进行表示：符号uG, vG和r为船舶重心（C.G）处的速度分量。XG为船舶重心（C.G）在x轴上的位置。X,Y和N分别代表了船舯处的水动力和水动力矩。这些力和力矩可以被分解为以下组成部分。其中，下标H,P和R分别表示其在船体、螺旋桨和舵上的分量。该分类的依据是日本的数学模型分组概念（MMG）（10）。2.1.作用于船体的力和力矩??? 作用在船体上的力和力矩可以用以下的方程来表示：2.2.由螺旋桨和舵作用引起的力和力矩??? 由螺旋桨和舵引起的力和力矩由以下公式计算获得：其中：tp为直线移动中的推力减小系数；Ctp为常量；n为螺旋桨转数；Dp为螺旋奖直径；wp为在螺旋桨处的有效伴流系数；JP为前进系数；C1,C2,C3为常量。其中,＆为舵角，xR为舵的位置（＝-L/2），tp,tR,aH和xH为船体、螺旋桨和舵之间的交互力系数。KT为螺旋桨力的推进系数。以上是螺旋桨推进系数的函数。舵压力可以表示为：其中，AR为舵面积fa为舵升力系数的梯度,并且可近似表示为舵展弦比∧的函数:在上述方程中∑,K,YR和lR为舵入流速度和入流角的相关系数。(l-w)和n分别为螺线桨的有效伴流系数和螺旋桨直径与舵高的比值（Dp/H）。3.实验模型??? 该实验是在马来西亚工艺大学（UTM）海洋技术实验室120米长的拖曳水池中进行的。3.1.模型介绍??? 模型为22米长的滑行艇“Rajawali”按照1/10的缩尺比制成的。图2为实船船体图。图3为加上船底边板后的船体图。该船的主尺度如表1所示。??? 船底边板是依据参考[11]进行几何设定的。如图4所示，船底边板截面为三角形，在模型船上，其底边长为15mm。船体倾斜角B=22.9度。船底边板底边与地面平行，折角S=90度。3.2.实验设计和参数??? 平面运动装置（PMM）己经被广泛用于测试记录船舶操纵方面的水动力系数。实验数据大都用傅立叶积分法进行分析。当船在拖曳池中以恒定速度被拖动时，模型会发生摆动。通过Pmm产生的运动形态包括：偏移，横荡，首摇以及首摇偏移混合运动。在垂荡和纵摇上，模型是不受限制的，但在涌浪、横荡和首摇运动上是受限的。实验的输入参数在表2中列出。模型测试的三种条件，亦即（1）裸船体：（2）船体上安装三条全长的船底边板（3SS-Full）（3）从船舯到船艉安装三条半长的船底边板(3SS-Fwd)。3.3.实验结果??? 表3中的无量纲水动力系数X（u）是由阻力实验测得的，图3到图8表示出通过PMM测得的力和力矩。该实验结果经过分析并在表3中给出，这些值包括Xvv,Xrr,Yvvv,Yrrr,Yv,Yr,N.vvv,Nrrr,N.v和Nr。??? 纵向的附连水质量系数Xù可从Motora,s图谱获得[12]。船体-舵-螺旋桨间的交互作用系数可采用参考[13]中的切片理论计算得到。??? 实验仿真中所用到的裸船体，全长船底边板(3SS-Full),半长船底边板(3SS-Fwd)三种条件下的水动力系数将在表3和表4中给出。表5列出了仿真实验中用到的螺旋桨直径和舵面面积。滑行艇的阻力预测值可以通过拖曳水池中的模型实验获得。实验中所需的推力值则可以利用参考[14]中的Blount方法通过计算获得。螺旋桨选取12度轴倾