187第九章 高速船型的阻力特性高速船，又称高性能船，是当前世界造船事业的热门课题。
这些船舶无论在军用上，还是在民用交通运输方面都占有相当重要的地位。
世界各国十分重视对各种形式高性能船开发与研制，高速船被预言是“21世纪海上主要的运输工具之一”。
本章仅简要介绍那些应用较广或颇受有关方面关注的某些船型以及它们的阻力问题。
§ 9-1 船舶航行中的航态与高速船种类由于各类船舶所处的航速范围不同，所以航行中的航态亦各不相同。
航态变化往往与阻力特性的变化联系在一起，通常的排水型船舶由于其航速处于排水航行状态，航态变化极小，所以通常不考虑航态对阻力的影响。
但对各种快艇而言，航态对阻力的影响相当重要，因此在讨论阻力特性时必须与航态联系在一起。
一、船舶航行中的航态有关研究表明，船舶航行中的航态有时会对阻力特性产生较大的影响。
一般说来，船舶在航行时的航态与静浮状态是不相同的，而且航态随航速变化而变化。
根据已有资料表明：船舶在航行过程中，船体各部位的吃水较静浮时将发生变化。
图9-1是巴甫连柯根据试验给出的船舶在不同速度下，船首、船尾和重心处的吃水变化情况，其中速度参数为：Fr ▽＝3/1s gυ∇(这里▽为排水体积，Fr ▽ 称为体积傅汝德数)。
船舶航行过程中，伴随有航态变化，即在垂直方向出现运动和位移，表明其不但受到静力作用，而且必然存在着流体动力的作用。
设Δ为船体排水量，▽为船体静浮时的排水体积，▽1为船体在航行过程中的排水体积，L 为沿垂直方向作用在船体上的流体动力或称升力。
则船体在航行时，沿垂直方向的受力关系为：L ρ+∇⋅=1g Δ (9-1)实际航行表明，根据船舶的Fr ▽值，所有水面船舶大致可以划分为三种航态： (1) 排水航行状态：当Fr ▽＜1.0，此时航速较低，流体动力所占比重极小，船体基本上由静浮力支持，船体航态与静浮时变化不大。
因而可以认为L /Δ→0，▽1 ≈▽。
在这个速度范围内的各种船舶，它们的阻力问题可以认为与航态无关。
大多数的民用船，都是属于这种航态的船舶。
所以，在这一航速范围内的船舶，又统称为水面排水型船舶。
下沉图9-1 船舶运动中的航态与Fr ▽的关系(2) 过渡状态：在1.0＜Fr▽＜3.0，此时随航速增高，航态较静浮状态有明显的变化，船首上抬较大，船尾下沉明显，整个船体呈现明显的尾倾现象。
在这种状态下，流体动力较排水航行状态明显地增大，船的排水体积趋于减小，即▽1＜▽。
在该速度范围内的各种船舶，它们的阻力特性与航态关系较密切，如高速炮艇、巡逻艇、交通艇都是这种航态范围的船舶。
这些船舶流体动力L占支持艇体的总浮力的比重不可忽视。
但航态基本上处于排水型状态。
故这些船称为高速排水型艇，或过渡型艇。
(3) 滑行状态：当Fr▽＞3.0 时，此时航速很高，船首、船尾的吃水变化很大，而且整个船体被上抬沿水面“滑行”，因此，处在这种航态下的船称为滑行艇。
滑行艇处在滑行阶段时，静浮力很小，艇体几乎完全由流体动力L来支持，即L≈Δ，而▽1→0。
高速摩托艇、鱼雷快艇及导弹快艇等均属滑行艇之列，滑行艇的阻力特性与航态的关系更为密切。
二、高速船的种类近年来高速船迅速发展，种类繁多，涉及面广。
特别是随着船舶航速的不断提高，航态和支持船体的流体动力以及船体相对于水表面的位置均会发生明显变化。
这些船舶除阻力性能外，对耐波性等其他航行性能均有更高的要求，因而也就相继出现了以不同原理、不同新概念发展而成的各类新型高速船，又称为高性能船舶。
1981年16届国际船模试验池会议将当时流行的主要高速船归纳为四类七种船型：(1) 单体高速艇：包括高速排水型艇和滑行艇。
(2) 水翼艇：按水翼相对于水面情况不同而分为全浸式水翼艇和表面割划式水翼艇。
(3) 气垫船：包括全浮式气垫船和侧壁式气垫船。
(4) 多体船：小水线面双体船。
由于新建高速双体客船数目逐年增加，因此，17届ITTC高速船委员会强烈推荐高速双体船应加入到高速船行列中去。
此后，由于高速船在世界范围内的迅速发展，冲翼艇(又称地效翼船)渐趋成熟，近年来甚至出现了以几种支持力互相组合的所谓复合型高性能船(Hybrid-hull)，可以断言，高速船的种类和范围，今后还将有进一步的扩展。
世界各国必将继续开发、研制新型的高速船。
§9-2 高速排水型艇的艇型和阻力性能常规水面船舶，由于所对应的航速范围较低，相应于Fr▽＜1.0，因此航行中的航态与静浮时变化不大，故这一类船舶又统称为排水型船舶。
但是，对于航速范围处于1.0＜Fr▽＜3.0的船舶，航态随航速变化显著，且阻力特性与航态关系甚密。
同时，其流体动力作用不能忽视，因此把这类船舶归于快艇范围。
然而，这类艇与处于滑行状态下的滑行艇相比存在本质的差别，其仍接近于排水型船舶，所以这类艇称为高速排水型艇或称过渡型快艇。
正因为如此，这种过渡型快艇不但具有本身的艇型特点，而且其阻力特性既不同于常规排水型船，亦不同于滑行艇。
一、高速排水型艇的艇型特点高速排水型艇的航态还是比较接近于排水型船舶，试验证明：当gL＜0.6时，Fr/υ188189艇体湿面积变化并不很显著，但由于其航速较高，存在流体动力作用的影响，因此这类艇的艇型特点主要表现为：(1) 整个艇体较瘦长，L /B 较大；排水量长度系数和方形系数均较小，这是为了减小高速情况下的剩余阻力。
(2) 艇体剖面形状取圆舭型或称为U 形剖面居多。
因此这种艇又常称为圆舭艇。
由艇首向尾方向，剖面的横向斜升角迅速减小，甚至趋于零度。
(3) 首部比较瘦削，进流段的水线几乎呈直线，水线的进角较小。
目的为了减小兴波阻力。
(4) 艇体后体的纵剖线取微凸，对于Fr ＞1.0的艇则几乎呈直线。
(5) 尾部形状均采用方尾形式。
其最突出的优点在于增加艇体的“虚长度”以降低高速时的阻力。
图9-2所示为典型的高速排水型快艇的艇体线型，上述艇型特点的诸方面在图中均可得到显示。
二、高速排水型快艇的阻力特性高速排水型艇的航速较高，其航行中的航态现象及相应的阻力特性主要有：1．影响阻力特性的两种航态现象(1) 航行纵倾随航速变化。
高速排水型快艇航行中的纵倾和艇体各部位吃水变化必然对各种阻力成分，诸如摩擦阻力、兴波阻力以及飞溅阻力产生影响作用。
(2) 兴波和飞溅现象。
随着航速增大，除兴波现象外，还出现明显的飞溅现象。
因而高速排水型快艇的阻力除具有常规排水型船相同的阻力成分之外，同时还产生飞溅阻力。
2．典型的阻力曲线形状图9-3是高速排水型快艇和排水型船舶以及其它各种水面高速艇的阻力曲线比较。
由图9-3知，在低速情况，高速排水型快艇的阻力特性可以认为与排水型船基本上相同，实际上此时未出现飞溅现象，艇底水动力无甚影响的情况下，就阻力成分而言两者亦是相同的。
在低速时，由摩擦阻力占主要成分，排水型船的排水量长度系数较高速排水型快艇为大，对减少摩擦阻力有利，因而其相应的单位排水量总阻力R t /Δ显得小些。
随着航速增大，由于流体动力的作用，一方面出现飞溅现象；另—方面，在流体动力作用下艇体有所上抬，使兴波阻力有所减小，因此表现在阻力曲线随航速变化比较缓和。
如图9-3所示，在一定航速范围内(约0.45＜Fr ＜1.0)，圆舭过渡型快艇的阻力性能不但较排水型船低得多，而且较其它各种快艇亦要小。
190如航速继续增大，—般认为，Fr ＞1.0时，圆舭过渡型快艇由于出现严重的飞溅，因此总阻力中飞溅阻力成分急剧增大，以致其阻力曲线随航速增加而变得更陡，正因为如此，一般认为圆舭过渡型快艇的适用范围在Fr ＜1.0。
3．剩余阻力系数曲线的特点高速排水型快艇的航速较高，因此剩余阻力在总阻力中占比重较大。
图9-4是亨许克(Henschke )试验所得的剩余阻力系数曲线。
由图知，不论艇的排水量大小如何，在Fr ＝0.50附近总是存在一个明显的阻力峰值区。
三、影响高速排水型快艇阻力的艇型因素格罗特(Groot )和亨许克等认为影响高速排水型快艇阻力的主要因素是：速度、长度和排水量。
如这些要素确定后，则阻力还受其它船型要素的影响，其中包括：横剖面形状，宽度吃水比(B /d )，棱形系数，水线面系数，船中横剖面系数以及浮心纵向位置等。
一般而言，当设计艇不能达到预定速度时，设法减少艇的排水量或增加艇体长度最为有效。
当然从设计质量更高的要求而言，其它参数应尽量选择恰当。
1．排水量及排水量长度系数的影响由试验证明：排水量对高速排水型快艇阻力的影响是很敏感的，图9-4是亨许克在不同排水量下的剩余阻力系数曲线，在曲线的峰值区内，排水量的变化将引起阻力显著的变化。
柏林水池的系列试验指出：在Fr ＞0.4时，由于排水量变化而引起的剩余阻力变化成1.6R t /ΔV/ L图9-3 水面快艇的阻力曲线比较 62.546.179.2Δ= 95.6 k g3C r ×10Fr1.00.80.60.40.2080604020图9-4 排水量对过渡型快艇的阻力性能影响191次方关系：6.12121⎪⎪⎭⎫⎝⎛∇∇=R R R R 其中，R R1和R R2分别为对应排水体积为▽1和▽2时的剩余阻力。
归纳所有资料，几乎一致认为排水量长度系数()310/ΔL C =∇是影响阻力的重要参数，有人甚至称为是唯一的影响因素。
显然该系数由△、L 两参数组成的，因而可以想象其对阻力性能产生的重要影响作用。
由图9-5瑞典Nordstrom 资料知剩余阻力系数随C ▽的增加而增加，且在阻力系数曲线“峰值”区内影响最显著。
2．横剖面形状的影响高速排水型快艇的剖面形状一般有U 形(即圆舭型)和V 形(即折角型)两种。
不少研究资料表明：从阻力观点来看，在相同的C ▽情况下，在较低航速时，圆舭型的阻力性能较折角型者为佳。
一般认为U 形艇适用的速度范围为Fr ＜1.0。
3．横剖面面积曲线形状的影响横剖面面积曲线形状往往主要以棱形系数、纵向浮心位置和艉板浸湿面积比来体现。
高速排水型快艇的棱形系数的选取与设计航速有关。
泰洛建议的最小阻力的棱形系数值是以C ▽和Fr 为参数．如表9-1所列，可供实际设计时应用。
其他有关试验资料亦给出了棱形系数的选择曲线。
由于高速排水型艇航速较高，从所有变化浮心位置的模型试验结果来看，剩余阻力为最小的情况均发生在浮心位置处于船中之后，因此浮心位置适当移后往往对阻力性能是有利的。
由于相对尾板面积A t /A m (其中A t 、A m 分别为尾板和船中横剖面面积)与尾部流动有关，因而认为是影响阻力的参数之一。
但试验证明相对尾板宽度B t /B m (其中B t 、B m 分别为尾板和船中剖面的水线宽度)与尾板底部横向斜升角β都对阻力亦有重要影响，B t /B m 与β的选取均与Fr 数有关。
原苏联系列方尾船试验指出：当Fr ≥0.45时，选取较大的相对尾板宽度和较小的β对阻力性能是有利的。
