一种适用于高速船舶的减阻减纵摇水翼附体装置

1.本发明属于船舶的减阻和减纵摇技术领域，具体涉及一种适用于高速船舶的减阻减纵摇水翼附体装置。


背景技术：

2.快速性和适航性是船舶的两个重要的航行性能，提高船舶的快速性可以从减小船舶的航行总阻力入手。船舶总阻力主要包括摩擦阻力、兴波阻力和粘压阻力，对于高速船舶，其兴波阻力占总阻力的百分比可达50％以上，因此减小高速船舶运动阻力的重点在于减小兴波阻力。减小兴波阻力主要有船型优化技术、球鼻艏技术、消波水翼技术等。其中，球鼻艏技术应用在船长弗劳德数小于0.35的低速船或中低速船上能产生较好的减小兴波阻力效果，对高速船较难取得减阻效果；消波水翼减小兴波阻力的效果只有在船长弗劳德数大于0.6的极高速航行工况下才能体现。目前排水型高速船的长度弗劳德数基本处于0.4至0.5之间，在船型优化后，进一步采用上述减阻技术难以取得令人满意的减阻效果，因此迫切需要突破高航速减阻的关键技术。
3.船舶在有风浪的海况中航行时，船体不可避免的会产生左右横向摇摆、艏艉纵向摇摆、垂向震荡以及过大的加速度等，这些船体运动相互耦合，再叠加风浪的作用，船舶会出现艏部上浪、甲板淹湿、艏部砰击、人员晕船等现象，对船舶的航行安全性、人员的舒适性和船上设备装备的工作效能发挥都产生不利影响。为改善船舶的适航性，现有技术提出了安装舭龙骨、减摇鳍、减摇水舱等减摇措施。发展至今，船舶减横摇研究方向已有成熟的技术和产品大量应用于实船，相比之下减纵摇的研究进展较为缓慢。
4.综合而言，在减阻方面，目前针对船长弗劳德数在0.4至0.5之间的船舶减阻难以取得较大突破；在减纵摇方面，现有的船舶减纵摇技术尚需进行深入研究。且现有的减阻技术几乎不会产生减摇的效果，减摇技术也几乎不会产生减阻的效果，即船体减阻技术和减摇技术是相互独立的。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种适用于高速船舶的减阻减纵摇水翼附体装置。适用于fr(傅汝德数)在0.4～0.5的高速船舶，改善高速船舶的快速性和适航性。
6.本发明采用的技术方案是：一种适用于高速船舶的减阻减纵摇水翼附体装置，包括至少一块分别安装于船首的艏附体和安装于船尾的艉垂直翼附体和艉水平翼附体，所述艏附体、艉垂直翼附体和艉水平翼附体均为翼型剖面的直线拉伸状物体，所述艏附体、艉垂直翼附体和艉水平翼附体均安装于正常排水量工况下的船舶漂浮时船体处水线面下方，所述艉垂直翼附体用于连接艉水平翼附体与船体，所述艏附体的纵剖面和所述艉水平翼附体的纵剖面的形状呈上凹形。
7.根据翼型方程在建模软件里建立艏附体或艉水平翼附体的参考弦长cr＝100时相
应的所述艏附体或艉水平翼附体的纵剖面的上表面和下表面的翼型曲线，其中，所述翼型方程为：
8.上表面：
9.下表面：
10.根据艏附体或艉水平翼附体的实际所需弦长c
p
与参考弦长cr的比例c
p
/cr进行缩放得到实际所需弦长c
p
相应的所述艏附体或艉水平翼附体的纵剖面的上表面和下表面的翼型曲线。
11.水流流经艏附体、艉水平翼附体后，艏附体、艉水平翼附体上将产生垂直于流线向上的升力，分解到船体前进方向上，可对船体产生附加推力，相当于减小阻力。同时，由伯努利原理可知，水流经艏附体、艉水平翼附体时其上表面将会产生一片低压区，从而使艏艉部兴波的波高降低，减小兴波阻力。而本发明所述上凹状截面的翼型可使翼型附体上表面低压区增大，使兴波阻力大幅减小。
12.所述艉水平翼附体后缘在船体纵向上位于船尾端面之后，所述艉垂直翼附体的展长方向与艉水平翼附体的弦长方向呈一定夹角，所述夹角为锐角。即艉垂直翼附体的展长方向不是垂直向下的。
13.相比于艉水平翼附体后缘在船体纵向上与船尾端面对齐的安装方式(即艉垂直翼附体的展长方向垂直向下的t型翼)，艉水平翼附体后缘位于船尾板之后可使艉水平翼附体上表面的低压区增大，使兴波阻力大幅减小。
14.所述艉垂直翼附体为对称翼型。
15.所述艉水平翼附体变换不同位置时，所述艉垂直翼附体与船尾连接时其后缘与艉板底部对齐。
16.所述艏附体后缘位于艏柱之后0.1％～5.60％水线长范围内；所述艉水平翼附体后缘位于船尾端面之后0％～10％水线长范围内。
17.所述艉水平翼附体垂向位置：附体最高点不得高于静水线面，附体最高点到水线面的距离小于20％的船舶吃水深度；所述艏附体和艉水平翼附体弦长：水线长的1.4％～10％，所述艏附体和艉水平翼附体展长：水线宽的30％～100％。
18.所述艏附体的安装与船体的首部形状相配合；所述艉垂直翼附体和艉水平翼附体安装时，所述艉垂直翼附体与船尾连接处对齐，所述艉垂直翼附体下端面与艉水平翼附体上表面形状相配合。
19.本发明通过在船体上产生附加推力以及减小艏艉兴波从而减小航行阻力，通过增大船体垂向运动阻尼，从而减小船体纵摇、垂荡运动响应幅值，有利于提升高速船舶的快速性和航行稳定性。
20.本发明的有益效果如下：
21.(1)、本发明利用船艏、艉流线向上弯曲的趋势，在水线以下安装水翼附体，当水流过水翼附体时附体上产生垂直于流线的升力，升力在水平方向的分力使船体产生附加推力，相当于减小阻力，升力在垂直方向的分力使船体纵摇阻尼增大。同时，水翼上表面的低压区也可使兴波波高降低，从而减小兴波阻力。
22.(2)、加装水翼附体增大船舶与水的接触面积，起到增大船体垂向运动阻尼，从而
减小船体纵摇、垂荡运动响应幅值的效果。
23.(3)、本发明具有同时改善船舶快速性和适航性的效果，并且结构简单、使用方便，不需要额外的控制装置，能够在现有的船舶上直接安装也能在新设计的船舶的设计方案中增加，实施方便，具有很强的工程应用性。
附图说明
24.图1为本发明的结构示意图；
25.图2为艏附体结构示意图；
26.图3为艉垂直翼附体和艉水平翼附体结构示意图；
27.图4为艏附体与艉水平翼附体纵剖面示意图。
28.图中，1-船体、2-艏附体、3-艉垂直翼附体、4-艉水平翼附体。
具体实施方式
29.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
30.如图1-3所示，本发明包括至少一块分别安装于船首的艏附体2和安装于船尾的艉垂直翼附体3和艉水平翼附体4，所述艏附体2、艉垂直翼附体3和艉水平翼附体4均为翼型剖面的直线拉伸状物体，所述艏附体2、艉垂直翼附体3和艉水平翼附体4均安装于正常排水量工况下的船舶漂浮时船体处水线面下方，所述艉垂直翼附体3用于连接艉水平翼附体4与船体1，所述艏附体2的纵剖面和所述艉水平翼附体4的纵剖面的形状呈上凹形(图4所示)。
31.本发明还提供一种计算艏附体的纵剖面和所述艉水平翼附体的纵剖面的上凹形的翼型曲线方法，包括：
32.根据翼型方程在建模软件里建立艏附体2或艉水平翼附体4的参考弦长cr＝100时相应的所述艏附体或艉水平翼附体的纵剖面(图4所示)的上表面和下表面的翼型曲线，其中，所述翼型方程为：
33.上表面：
34.下表面：
35.根据艏附体或艉水平翼附体的实际所需弦长c
p
与参考弦长cr的比例c
p
/cr进行缩放得到实际所需弦长c
p
相应的所述艏附体或艉水平翼附体的纵剖面的上表面和下表面的翼型曲线。
36.所述艉水平翼附体4后缘在船体纵向上位于船尾端面之后，所述艉垂直翼附体3的展长方向与艉水平翼附体4的弦长方向呈一定夹角，所述夹角为锐角。
37.所述艉垂直翼附体3为对称翼型。
38.所述艉水平翼附体4变换不同位置时，所述艉垂直翼附体3与船尾连接时其后缘与艉板底部对齐。
39.所述艏附体2后缘位于艏柱之后0.1％～5.60％水线长范围内；所述艉水平翼附体4后缘位于船尾端面之后0％～10％水线长范围内。
40.所述艉水平翼附体垂向位置：附体最高点不得高于静水线面，附体最高点到水线
面的距离小于20％的船舶吃水深度；所述艏附体和艉水平翼附体弦长：水线长的1.4％～10％，所述艏附体和艉水平翼附体展长：水线宽的30％～100％。
41.所述艏附体2的安装与船体1的首部形状相配合；所述艉垂直翼附体3和艉水平翼附体4安装时，所述艉垂直翼附体3与船尾连接处对齐，所述艉垂直翼附体3下端面与艉水平翼附体4上表面形状相配合。
42.实施例1：
43.针对某高速船型的缩尺模型(模型水线长l＝5.72m、水线宽b＝0.76m、吃水t＝0.248m)进行了减阻减纵摇附体设计，并通过数值模拟方法进行了减阻减纵摇效果计算，得到了减阻减纵摇效果较优的附体方案，计算结果如下：
44.静水(没有波)中的阻力计算：
[0045][0046]
航速为3.071m/s，对应傅汝德数fr＝0.41时的纵摇计算：
[0047][0048]
此时艏附体和艉水平翼附体尺寸相同，弦长为水线长的2.80％，展长为水线宽的73.68％；艉水平翼附体垂向位置为距水线面26.22％t，纵向位置为附体后缘距船尾4.37％l处，艏附体垂向位置在距水线面4.04％t，纵向位置为后缘距艏柱0.31％l处。
[0049]
实施例2：
[0050]
由于艏附体或艉水平翼附体翼型上、下表面的翼型方程包含几个不同的次幂，因此不能用同一个方程表示所有弦长对应的翼型曲线，本实施例给出了艏附体或艉水平翼附体参考弦长为100时对应的上、下表面方程作为参考方程，本实施例以得到实际所需弦长为30对应的翼型曲线为例进行说明；根据本发明所给方程在建模软件里建立参考弦长为100时对应的翼型曲线，然后按照30/100的比例对建立的翼型曲线进行缩放即可得到实际所需弦长30对应的翼型曲线。
[0051]
参考弦长为100时对应的上、下表面翼型方程为：
[0052]
上表面：
[0053]
下表面：
[0054]
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。