﻿ 水翼对高速双体船纵向减摇性能影响研究
 舰船科学技术  2019, Vol. 41 Issue (4): 25-29, 43 PDF

1. 武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064;
2. 中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064

Hydrodynamic research on longitudinal motion stabilizing hydrofoils of high-speed catamaran
WANG Yun1, YU Xiao1, LI Liao-yuan2, LEI Hui1
1. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China;
2. China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China
Abstract: On the basis of the widespread use of hydrofoils on high-speed catamaran and using Fuent software, this paper layout and design about the angle of attack, the size and installation of hydrofoils of high-speed catamaran, research the effect between hydrofoils and high-speed catamaran, and based on the appendages stabilizing capacity analysis of static characteristic number, to research the stabilizing capacity of hydrofoils for high-speed catamaran in calm water. The calculation results show that hydrofoils can play a role in controlling the longitudinal movement of high-speed catamaran and can slow down hull pitching and heaving.
Key words: high-speed catamaran     hydrofoils     static characteristic number
0 引　言

1 某高速双体船水动力数值计算

 图 1 某高速双体船的三维几何计算模型 Fig. 1 Three-dimensional geometric model of the certain high-speed catamaran
1.1 计算流体域与边界条件设置

 图 2 计算域侧视图 Fig. 2 Side view of the calculation domain

 图 3 计算域俯视图 Fig. 3 Vertical view of the calculation domain
1.2 网格划分

 图 4 流场域网格划分（局部）示意图 Fig. 4 Schematic diagram of mesh division in flow field（part）

 图 5 内部流场非结构网格示意图 Fig. 5 Schematic diagram of unstructured meshes of internal flow field

 ${Y^ + } = 0.172\left(\frac{y}{L}\right){{\mathop{ Re}\nolimits} ^{0.9}}{\text{。}}$ (1)

1.3 计算结果

 图 6 船体表面的压力分布云图 Fig. 6 Diagram of pressure distribution of the catamaran surface
2 水翼选型方案设计

2.1 水翼尺寸确定

 $\lambda = l/b{\text{。}}$ (2)

 图 7 不同展弦比下水翼的阻力系数 Fig. 7 Drag coefficient of hydrofoil in different aspect ratio

 图 8 不同展弦比下水翼的升力系数 Fig. 8 Lift coefficient of hydrofoil in different aspect ratio

 $\frac{1}{2}\rho {v^2}S \cdot {C_L} \cdot L = M'{\text{。}}$ (3)

2.2 水翼安装方式

1）水翼安装于片体首部舷侧

 图 9 片体舷侧安装水翼示意图 Fig. 9 Demihull side mounted hydrofoil schematic

2）水翼安装于片体首底

 图 10 片体首底安装水翼示意图 Fig. 10 Demihull bow bottom mounted hydrofoil schematic

 图 11 不同攻角下水翼相对于船体产生的阻力 Fig. 11 Drag of hydrofoil to catamaran in different attack angle

 图 12 不同攻角下水翼相对于船体产生的垂向力 Fig. 12 Lift of hydrofoil to catamaran in different attack angle

 图 13 不同攻角水翼相对于船体产生的纵向力矩 Fig. 13 Moment of trim of hydrofoil to catamaran in different attack angle

2.3 船体对舷侧水翼水动力数值影响

1)水翼加装在高速双体船上；

2)将高速双体船去掉，只保留水翼，其他条件如计算流体域的划分、网格的划分、边界条件的设置等与水翼加装在高速双体船上时相同；

3)将高速双体船去掉，以与船长相当尺度的壁面代替，保留水翼，其他条件如计算流体域的划分、网格的划分、边界条件的设置等与水翼加装在高速双体船上时相同。

 图 14 水翼产生的阻力 Fig. 14 Drag of hydrofoil

 图 15 水翼产生的垂向力 Fig. 15 Lift of hydrofoil

2.4 水翼对双体船水动力性能影响

3 水翼静特征数计算分析 3.1 减摇附体静特征数定义

 ${\varphi _3} = \frac{F}{{100{q_{cm}}}}{\text{，}}$ (4)
 ${\varphi _5} = \frac{M}{{\Delta H}}{\text{。}}$ (5)

3.2 水翼静特征数计算分析

 图 16 水翼的升沉静特征数 Fig. 16 Heave static characteristic number of hydrofoil

 图 17 水翼的纵摇静特征数 Fig. 17 Pitching static characteristic number of hydrofoil
4 结　语

本文目的为开展静水状态下水翼和高速双体船纵向水动力的Fluent数值模拟研究，基于水翼对高速双体船的纵向减摇能力，在水翼的攻角、尺寸、安装方式方面进行设计选择，并且基于静特征数的附体减摇能力分析方法，来分析静水中水翼对高速双体船的纵向减摇能力，为高速双体船在实际风浪中航行时水翼对高速双体船的纵向运动控制研究和减摇能力分析提供基础和依据。研究出的结论主要有：

1）对某高速双体船上安装的水翼进行选型确定，主要包括水翼展弦比、水翼面积和水翼安装方式的确定。水翼确定后，分析了水翼和高速双体船对彼此水动力性能的相互影响，计算结果表明，船体对水翼的水动力会产生一定的影响，会使得水翼产生的阻力和垂向力减小；水翼的存在会对高速双体船的水动力性能产生一定的影响，随着水翼攻角的增加，船体所受到的阻力、垂向力和纵倾力矩都会有所增加。

2）运用静特征数这一参数对水翼的升沉静特征数和纵摇静特征数进行了计算与分析，得出水翼对高速双体船纵向运动的控制范围和能力。结果表明，水翼会对高速双体船升沉与纵摇产生一定的控制作用，船体升沉范围可从下沉1.11 m到抬升0.97 m，船体纵倾角范围可从首倾4.94°到尾倾3.73°。但是，实际应用中需要权衡水翼对高速双体船产生的阻力。

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