斷階對(duì)3體行走艇阻力性能的影響

斷階對(duì)3體行走艇阻力性能的影響

我國(guó)三體滑動(dòng)艦艇的研究方法和資源主要在船模試驗(yàn)和實(shí)際船型試驗(yàn)方面進(jìn)行。文獻(xiàn)研究分析了三體高速滑動(dòng)艦艇尾段的影響，文獻(xiàn)分析了三體消波滑動(dòng)艦艇的工作原理和技術(shù)特征。在文獻(xiàn)中，我們研究了不同重心、下降方法、氣虛流量和氣流方式對(duì)滑動(dòng)車輪支撐性能的影響。在文獻(xiàn)中，基于模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文分析了三體滑動(dòng)車輛的預(yù)測(cè)模型性能。目前，我國(guó)對(duì)三體滑動(dòng)車輛水動(dòng)力性能的研究還不完全完善。因此，在本研究中，本研究的目標(biāo)是通過(guò)船模型試驗(yàn)來(lái)探索三體滑動(dòng)車輛的阻力性能和航態(tài)，這為三體滑動(dòng)車輛的研究和設(shè)計(jì)提供了參考。1體大小對(duì)比針對(duì)同一條3體滑行艇船模進(jìn)行了無(wú)斷階和3種不同斷階形式阻力模型試驗(yàn),考察了不同狀態(tài)下的阻力、縱傾角和升沉.為了控制船?？沾|(zhì)量同時(shí)提高實(shí)驗(yàn)精度,模型采用玻璃鋼制作,船模的主要船型參數(shù)見(jiàn)表1.船模主船體細(xì)長(zhǎng),長(zhǎng)寬比為7.32;側(cè)體橫剖面形狀為倒梯形,在內(nèi)外側(cè)均設(shè)有折角,靜止時(shí)側(cè)體排水量占總排水量的10%左右.槽道為穹形頂,其頂部橫剖線呈S型.模型共10站,站距240mm,其中船艏為第10站,各站型線如圖1所示.3級(jí)斷階方案為分別在213,323,5213,323,5站處設(shè)置高度為12mm橫向斷階.在艇底投影圖上,該斷階尾端投影線垂直于艇底龍骨線,如圖2所示.2級(jí)斷階方案為斜向斷階,斷階尾端位于213,323213,323站,斷階高度為6mm.在艇底投影圖上,該斷階尾端投影線與艇底龍骨線的夾角為60°,如圖3所示.1級(jí)斷階方案為在323323站處設(shè)置高度為6mm橫斷階,如圖4所示.2不同試驗(yàn)方案3體試驗(yàn)前后穩(wěn)定性分析模型試驗(yàn)在湖北荊門中國(guó)航空工業(yè)第605研究所高速水動(dòng)力水池完成.本次試驗(yàn)采用自由拖曳法測(cè)試船模阻力、升沉和縱傾角等參數(shù).阻力采用電測(cè)法測(cè)量,測(cè)量精度0.2%;縱傾角采用傾角傳感器測(cè)量,艉傾為正,測(cè)量精度0.1°;升沉采用升沉儀測(cè)量,上升為正,測(cè)量精度1%.無(wú)斷階和不同斷階情況下的試驗(yàn)方案如表2所示,表中:Δ表示3體滑行艇艇重;l表示重心距尾封板的距離;d表示設(shè)計(jì)吃水;τ0表示船模靜止時(shí)的縱傾角.圖5為不同試驗(yàn)方案下的阻升比R/Δ(R為模型總阻力)隨體積傅勞德數(shù)Fr變化的試驗(yàn)結(jié)果.當(dāng)Fr≤2.18時(shí),3級(jí)橫斷階阻升比曲線變化趨勢(shì)與無(wú)斷階一致,3級(jí)橫斷階阻力略大于無(wú)斷階,而2級(jí)斜斷階和1級(jí)橫斷階阻力要小于無(wú)斷階;當(dāng)Fr>2.18時(shí),各斷階方案均比無(wú)斷階方案阻力要大,尤其是3級(jí)橫斷階,當(dāng)Fr=7.65時(shí)比無(wú)斷階大78.78%.無(wú)斷階在Fr>6.55以后阻力下降,而2級(jí)斜斷階阻力呈急劇增加趨勢(shì),與無(wú)斷階的阻力變化相反,1級(jí)橫斷階其阻力也呈增加趨勢(shì),并且在Fr=7.65時(shí)發(fā)生海豚運(yùn)動(dòng).常規(guī)單體滑行艇航行過(guò)程中只有一個(gè)阻力峰,越過(guò)阻力峰后阻力單調(diào)增加;無(wú)斷階3體滑行艇具有2個(gè)明顯的阻力峰,2個(gè)阻力峰之間阻力單調(diào)增加,第2個(gè)阻力峰后阻力呈下降趨勢(shì).單體斷階滑行艇進(jìn)入滑行狀態(tài)以后,在一定速度范圍內(nèi)提高速度阻力變化很小,斷階數(shù)目越多,滑行效率越高,阻力越小;3體滑行艇加入斷階后阻力曲線只有一個(gè)峰值,進(jìn)入滑行狀態(tài)以后阻力顯著增加,斷階數(shù)目越多,中高速時(shí)阻力越大.圖6為不同試驗(yàn)方案下的縱傾角α隨Fr變化的試驗(yàn)結(jié)果.無(wú)斷階方案縱傾角在拖航過(guò)程中出現(xiàn)了2個(gè)峰值,3級(jí)橫斷階與2級(jí)斜斷階方案的縱傾角均小于無(wú)斷階情形,并且都出現(xiàn)了2次峰值,第2次峰值出現(xiàn)順序分別為3級(jí)橫斷階、2級(jí)斜斷階及無(wú)斷階.由于1級(jí)橫斷階在Fr=7.65時(shí)發(fā)生海豚運(yùn)動(dòng),因此縱傾角變化曲線只有一個(gè)峰值,在Fr<2.18和Fr>3.82速度區(qū)間內(nèi),縱傾角小于無(wú)斷階方案,而當(dāng)2.18<Fr<3.82時(shí),縱傾角與無(wú)斷階方案基本一致.圖7為不同試驗(yàn)方案下的升沉值H隨Fr變化的試驗(yàn)結(jié)果.整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中,3級(jí)橫斷階的升沉值都比無(wú)斷階要小,且升沉曲線的第1個(gè)波峰與波谷不明顯.2級(jí)斜斷階的升沉曲線變化趨升沉值都比無(wú)斷階要小,且升沉曲線的第1個(gè)波峰與波谷不明顯.2級(jí)斜斷階的升沉曲線變化趨勢(shì)與無(wú)斷階相差較大,當(dāng)Fr<3.28時(shí),二者變化趨勢(shì)相同,升沉值相差很小;2級(jí)斜斷階升沉曲線的第1個(gè)峰值出現(xiàn)在Fr=3.82處,無(wú)斷階出現(xiàn)在Fr=3.28處;而斜斷階第2次升沉大幅提升出現(xiàn)在Fr=5.46處,無(wú)斷階出現(xiàn)在Fr=6處.1級(jí)橫斷階升沉變化趨勢(shì)與無(wú)斷階基本一致,升沉值略小于無(wú)斷階.常規(guī)單體滑行艇在排水和半滑行狀態(tài)縱傾角隨速度的提高顯著增加,艇體迅速抬升,進(jìn)入滑行狀態(tài)以后縱傾角逐漸減小,艇體緩慢抬升.結(jié)合圖6的縱向傾角和升沉曲線,無(wú)斷階3體滑行艇航態(tài)變化大致分為3個(gè)階段:第1階段在排水航行和半滑行狀態(tài),縱向傾角迅速增加,艇體急劇抬升;第2階段在進(jìn)入滑行狀態(tài)后,縱向傾角穩(wěn)步減小,艇體抬升幅度減小;第3階段在跨越第2次阻力峰前,縱向傾角再次增加,艇體抬升幅度變大,縱向傾角和升沉的變化程度較第1階段要小.斷階單體滑行艇在整個(gè)速度范圍內(nèi)航態(tài)也可以分為3個(gè)階段:第1階段在阻力峰以前,隨著速度的增加,縱向傾角和升沉逐漸增大;第2階段過(guò)了阻力峰以后進(jìn)入滑行狀態(tài),隨著速度的提升縱向傾角幾乎保持不變,艇體穩(wěn)步抬升;第3階段Fr>7.5時(shí),艇體進(jìn)一步上抬,艇的縱向傾角略有下降,由全寬度滑行進(jìn)入部分寬度滑行,進(jìn)入三角形運(yùn)動(dòng)狀態(tài),此時(shí)可能喪失運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性.斷階3體滑行艇航態(tài)變化與無(wú)斷階類似,不同之處在于第2次縱向傾角和升沉變化出現(xiàn)時(shí)的速度不同,除了1級(jí)橫斷階在Fr=7.65出現(xiàn)海豚運(yùn)動(dòng)外,另外2個(gè)方案在試驗(yàn)過(guò)程中艇體穩(wěn)定,沒(méi)有出現(xiàn)海豚運(yùn)動(dòng),表現(xiàn)出較好的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性.試驗(yàn)過(guò)程中還對(duì)3體滑行艇艇體兩側(cè)噴濺情況進(jìn)行了觀察.通常單體滑行艇無(wú)論是否具有斷階,高速航行時(shí)船體2側(cè)都產(chǎn)生較大的噴濺.無(wú)斷階3體滑行艇在Fr>6以后隨著速度的提升,兩側(cè)的片體逐漸離開(kāi)水面,主船體產(chǎn)生的噴濺都被片體吸收和遮蔽.從圖8可以看到:船體產(chǎn)生的噴濺都被吸入槽道內(nèi),試驗(yàn)中同時(shí)還觀察到在兩側(cè)槽道頂部形成氣墊層,槽道內(nèi)的水氣流處于完全暢通狀態(tài),而其他斷階方案試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的噴濺并沒(méi)有被槽道所吸收,而是從船底兩側(cè)噴出,槽道內(nèi)水流混亂,形成大量的水氣渦流和噴濺水花;因此,無(wú)斷階方案要比其他斷階方案中槽道的浸濕面積小得多,從而減小了摩擦阻力,這也可能是無(wú)斷階方案阻力要小于其他方案的原因之一.3斷階數(shù)目的影響研究結(jié)果表明:a.無(wú)斷階3體滑行艇在航行過(guò)程中具有2個(gè)阻力峰,2個(gè)阻力峰之間阻力幾乎線性增加,縱傾角變化曲線也具有2個(gè)峰值,且第2個(gè)峰值變化幅度小于第1個(gè),升沉值變化與縱傾角改變相對(duì)應(yīng),出現(xiàn)2次大幅增加;加入斷階以后阻力大于無(wú)斷階方案且第2個(gè)阻力峰消失,阻力隨斷階數(shù)目的增加而增大,縱傾角和升沉值均小于無(wú)斷階方案,曲線變化趨勢(shì)與無(wú)斷階方案基本一致,但縱傾角的第2個(gè)峰值與升沉第2次大幅提升出現(xiàn)的時(shí)間隨著斷階數(shù)目的增加而提前;b.無(wú)斷階3體