高速双体船干扰效应的实验研究
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CNR-INSEAN, National Research Council-Marine Technology Research Institute, via di Vallerano 139, 00128 Rome, Italy
IIHR-Hydroscience and Engineering, The University of Iowa, Iowa City, IA 52241, USA
摘 要：笔者开展了评估静水中双体船模片体干扰效应与总阻力关系的实验。为达此目的，拖曳力和高度测量设备被运用该实验，实验船模为傅汝德数在0.1-0.8之间的单体船以及不同片体间距的双体船模。同时，收集了船模兴起的二维波浪的数据。结论之一表明，除了少数条件下可以观测到有利干扰，相较于单体船而言，双体船片体之间的干扰效应导致了船模总阻力的增加。对于傅汝德数为0.5的最窄片体间距的船模，阻力的增加甚至可达30%。不利干扰多发生在较低傅汝德数工况下，并随片体间距的增大而减小。干扰效应在低傅汝德数，即Frlt;0.3和高傅汝德数，即Frgt;0.7时并不明显。通过测量阻力变化和船体姿态与波幅的相关性，可以获得上述现象的机理。
关键词：高速双体船 波浪干扰 总阻力 波浪场 实验研究
- 概述
基于高稳性及高有效载荷量等优点，多体船的高速性能被广泛运用于军事和商业领域。优化这些船舶的阻力和耐波性能，以及阐述其良好水动力性能的机理显得尤为迫切。
众多的数值模拟和船模实验，研究了阻力的很多方面，诸如片体间距与尺寸、片体几何形状、长宽比、水深以及傅汝德数等设计参数对干扰效应的影响都被合理的评估。学者们完成了许多优秀的实验工作，特别是Insel和Molland（1992）以及Molland等人（1996）的实验，基于理论预测，测量和评估了上述许多因素；Souto-Iglesias等人（2007，2012)的实验中，阻力测量与波形相联系，其主要目的是评估片体间距和测试工况（固定或自由的双体船姿态）与干扰效应的联系。
从数值的观点来看，在最近的研究中使用稳定和非稳定的雷诺平均Navier-Stokes（RANS）求解器，例如He等人（2011），Zaghi等人 （2011），Miller等人 （2006），Maki等人 （2007），Stern等人（2006）和Campana等人 （2006），基于潜在的流程技术，扩展了早期的结果（如Tarafder和Suzuki，2007; Moraes等，2004; Lugni等，2004; Colicchio等，2005）对多船体周围的复杂流动结构提供有价值的见解。
作为上述研究结论之一，片体间距通过大量的耦合机制，被确定为双体船阻力控制的关键参数。首先，片体间距决定了各片体产生的波浪体系之间非线性相互作用的水平，从而决定波浪阻力分量的大小。对于给定双体船几何形状，傅汝德数的不同，可能会出现有利或不利干扰，因此在特定条件下（参见Chen和Deo Sharma（1997） 关于在浅水中超临界速度前进的S形双体船）可使兴波阻力极大地降低。此外，片体间距以更加间接和微妙的方式影
收稿日期：2013-2-24
通讯作者 Tel: 39 0650299297; fax: 39 065070619
E-mail address: riccardo.broglia@cnr.it (R. Broglia).
响双体船的阻力，波浪干扰效应产生的自由液面拓扑结构会影响各片体周围的流动。例如，在波浪陡度足够大的情况下，可能发生剧烈的的波浪破碎，并且在自由液面下形成大梯度的剪切层。这些高涡度区域通常在流体内部中并与船体上的边界层相互作用，从而可能导致三维分离。值得注意的是，这一过程可能与高速双体船有关，即使小傅汝德数情况下也是如此，因为其吃水通常较小。
最后，除了自由液面的几何因素外，片体间距决定了各片体周围的流动受到邻近片体扰动的程度，从而确定了绕各片体轴线的速度场的不对称程度。就船舶阻力而言，正如Insel和Molland（1992）以及Armstrong（2003）所做的那样，这种干扰可以通过选取适当的校正因子进行参数化，其考虑到了片体之间的水流速度增加。
尽管之前的工作取得了重要的研究进展，关于多体船片体绕流的流动结构的实验知识尚不完整，这主要是因为大多数结果仅限于总量（例如总体阻力），并且它们依赖于船体的几何形状。在本文中，笔者希望通过对具有对称片体的非交错双体船在静水中的干扰效应做出研究，来部分填补这一空白。为此目的，通过改变片体间距和傅汝德数，研究了双体船（代尔夫特372模型）的相关响应。本文结构如下：在第2节中阐述了实验装置和测量系统的具体参数；在第3节中介绍双体船模的总阻力和姿态的数据以及波场的拓扑结构，并与单体船模的相关数据进行比较；在第5节中提供了关于这组结果的讨论；最后，在第6节总结了该工作的一些主要发现和未来展望。
- 实验步骤
2.1 双体船模
本实验是在CNR-INSEAN的＃1拖曳水池进行的，该拖曳水池长470米，宽13.5米，深6.5米，所用船模是3.0米玻璃纤维Delft 372双体船（van#39;t Veer，1998b，1998a）。这种典型的高速多体船在最近的许多实验和计算研究中都有广泛的特点，本实验充分考虑了相互干扰（He 等人，2011; Zaghi 等人2011），浅吃水的机动性 （Zlatev等人，2009; Milanov等人，2010,2011），喷水推进（Milanov和Georgiev，2010; Miozzi，2011），船体形式优化（例如Peri等人，2012），耐波性（Castiglione等，2011; Bouscasse等，2013）和定吃水的航行（Broglia等，2012）。Broglia等人（2011年）在CNR-INSEAN用这个模型进行了实验研究的总结。
该模型如图1和2所示。相关的几何信息总结在表1中。值得注意的是，片体之间的标称间隙为H = 0.70 m，这对应于无量纲的片体间距H/L=0.167。但是，此数据可以通过沿连接横杆滑动片体夹具来改变（参见Zaghi等人，2011; Broglia等人，2011），以便评估干扰效应的相关性。表2对比了的不同的片体间距值以及单体船（对应于H =infin;）的测试。
各片体装有激流丝，其形式为间隔30毫米的小圆柱形螺柱（高4毫米，直径3毫米），位于船首边缘70毫米处。
在对结果的讨论中，笔者将参考船舶一起移动的坐标系，该坐标系的x轴，y轴和z轴具有固定方向并分别指向流动方向、横向和垂直方向（见图 2）。坐标系的原点位于模型水线面与首垂线交点处的对称平面上。因此，当重心向上移时，模型的下沉被认为是正的，而当中拱向上移动时，剪力为正。
2.2 船体姿态与阻力测量
双体船模型的姿态和阻力测试，只允许船模在垂直平面上进行刚性运动，即模型可以发生升沉和纵摇但不能发生艏摇。单体船的实验采用了额外的约束机制来抑制横摇。滑车在双体船模的重心处对船模水平拖曳。总阻力由电缆中的张力通过Omega LC 214可变磁阻位移传感器来测量。 采用16位A / D板以200 Hz的频率采集电阻时间序列，并将采集的数据进行时间平均以提供每次运行的平均值。拖车的速度通过在整个速度范围内误差小于
1mm / s的编码器来测量。通过两个电位计记录船只的两个参考点的垂直位移来计算模型的下沉和剪力。参考点位于双体船连接梁的纵轴上，分别位于x = 0.469 m和x = （0.469 2.512） m（见图1）。
阻力和姿态测量的不确定度经过了估算。通过选定案例（Coleman和Steele，2009）的可重复性测试（即Fr = 0.50,0.60和0.75，H = L = 0.167和0.233）估算下沉，剪力和总阻力系数的精确指数（Broglia等人，2011），结果显示它们低于最大测量值的6.0％，1.6％和0.5％。当包含偏差误差时，测量不确定度的上限分别等于6.9％，2.0％和1.0％。
2.3 波场测量
为了表征模型周围的波场，自由表面距其未受干扰参考平面的位移用两个系列的固定电容探针冗余测量。每个探针记录探针位置处的波高的时间历程。这些传感器由CNR-INSEAN的电子实验室设计，其中包括一根绝缘电线，通过一个小的悬挂重物在气液界面垂直延伸。探针的电容取决于导线的浸没部分，因此可以通过在每次测试运行之前执行的静态校准，得到自由表面相对于静水面的位移。探针可以以优于1mm的精度和高于50Hz的动态响应确定波高（参见例如Olivieri等人，2001）。总量不确定性占统计偏差约为该范围的3％。
探头的位置如图3所示。第一组传感器安装在与水池壁相连的横向支架上，以便监测双体船外部区域的波形。第二系列的探头被用来确定由两个船体限制的空间域中的波高。它由一组传感器组成，这些传感器排列成两排横排，并由拖车底部的吊架支撑，如Souto-Iglesias等人最初提出的（2007年）。探头的位置可以彼此独立调整，以便当片体间距发生变化时，每个传感器与片体的绝对距离y保持固定（对于属于第一系列的探针）或无量纲距离y/(s/2)可以保持不变（对于第二系列的探针）。表3总结了各实验条件下的传感器布置。
- 静水测试：结果
静水测试由阻力和姿态测量组成，傅汝德数Fr =U/(gL)在 0.1-0.8的范围内以增量Delta;Fr= 0.05变化。对于各傅汝德数，除单体船以外，还研究了双体船的几种几何构型， 对应于表2中列出的片体间距H。表4列举了对各测试条件相关流量参数的总结。
3.1总阻力系数
首先以总电阻和无量纲系数（定义为总电阻与参考量）讨论模型总阻力。图4和图5给出了不同傅汝德数下不同几何构造船模的总阻力和阻力系数。结果地表明，在整个傅汝德数范围内单体船和双体船之间有巨大差异，即始终存在干扰效应。这种效应在0.35至0.7范围内的傅汝德数下为甚，双体船的阻力系数大大超过单体船的相应值。在低傅汝德数（即Frlt;0.3）及高傅汝德数（即Frgt;0.7）范围内，差异相反较不明显。
如图4所示（为了比较的目的，单体船的阻力乘以2），对总阻力变化的分析发现，对于单体船，阻力随着航速单调增加 ，而对于双体船来说，阻力峰明显存在。
对双体船阻力系数变化的分析表明，所有相应的曲线在处有极小值；
在和处分别有极大值。另一方面，处的极大值受到片体间距的较大影响。事实上，这个峰值随着片体间距的减少而显着增加，而其位置则转移到较大傅汝德数处。值得注意的是，单体船的阻力系数与双体船的阻力系数性质类似，但由于相关波形幅值较小，的变化并不明显。
3.2 下沉和纵倾
模型的下沉和纵倾随着傅汝德数和片体间距而变化，如图6所示（分别为上图和下图）。随着傅汝德数的增加，双体船的中心逐渐向下移动，直至达到最小值。较低航速时，双体船的下沉量远大于单体船，且几乎不受片体间距影响。但在高速时此现象得以改变，因为双体船模型开始上移，而单体船的垂直位移对Fr的变化并不敏感。因此时双体船相对于单体船的下沉量达到最大（此外，当傅汝德数接近0.75时，可以在双体船的狭窄片体间距处检测下沉的正值）。
当傅汝德数小于0.35时，剪力（图6底部面板）可以忽略不计。此时对应于图5中观察到的阻力系数的急剧增加，双体船模型的纵倾突然下降，并且单体船和双体船的动力响应开始不同。单体船随着航速的增加，剪力平缓地单调增加。而双体船的剪力迅速增加直至最大值，此峰值与片体间距密切相关。随着间距H的减小，此峰值迅速增大并移至较大傅汝德数处。峰值过后双体船的纵倾逐渐减小，并最终以与单体船相似的幅度平稳下来。双体船的姿态以及曲线与片体之间的波浪特征密切相关，这种关系将在随后的章节中更详细地讨论。
3.3 干扰因子
考虑干扰因子便于理解片体间距对总阻力的影响，依据
将干扰因子定义为双体船和单体船阻力系数的相对差异。此表达式中，上标M和C分别指单体船和双体船。干扰因子随傅汝德数的变化在图7中作为片体间距的函数参数化地表示。该图清楚地表明干扰因子总体上是正向的，这表明双体船经受的阻力几乎总是大于单体船阻力的两倍。但在傅汝德数0.32lt;Frlt;0.37的范围内，参数化片体间距H/Lge;0.233时干扰因子略微负，表现为有利的干扰效应。该速度区间对应于阻力系数为最小值时傅汝德数的范围（参见图5）。仍需注意的是，在这个狭窄的速度范围内，片体间距的影响至关重要，因为间距H的微小变化会导致干扰因子相当大的波动。
图7显示当傅汝德数大于0.4时干扰效应与拖曳力相关性为高。实际上，超过该值，干扰因子急剧增加，并且依赖于片体间距。最大的干扰程度出现在最窄片体间距(H/L=0.167)而Fr=0.5时，此时干扰因子可达0.33。在较大的间距下，干扰因子峰值降低并在较小航速下发生。特别地，H/L=0.233时，最大干扰因子IFasymp;0.24出现在Fr=0.48处；H/L=0.300时，最大干扰因子IFasymp;0.21出现在Fr=0.44处。最后，图表明低速（即Frlt;0.30）及高速（即Frgt;0.7）时，片体之间的相互作用非常弱。
- 波浪场特征
双体船模型不同傅汝德数下产生的波场表现为图8、图11和图15中无量纲自由表面高程eta;= h/L的等高线，它们分别对应于Fr = 0.3, 0.5和0.75。各图的横轴指的是片体间距（H从顶部到底部增加），单体船周围的波场也表现在各图中以作为参考。
4.1 Fr=0.3
在低傅汝德数F
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