1、本科毕业论文（20 届）小水线面四体船的兴波干扰预报所在学院 专业班级 船舶与海洋工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 本科毕业论文 目录2目录摘要 .21.引言: .41.1 船舶快速性 .51.2 船舶快速性的研究方法 .51.3 “薄船”或瘦长船的概念 .71.4 本文的主要工作 .72.小水线面四体船的阻力特点分析: .92.1粘性阻力 .92.2兴波阻力 .102.3漩涡阻力 .122.4结论 .133. 兴波阻力数值计算 .143.1 什么是 MICHELL积分 .143.2“薄船”及小水线面四体船的兴波阻力表达式 .143.3 用 RANKINE波幅函数预报并列
2、四体“薄船”兴波阻力 .15 4.分析计算 .194.1 兰金体理论四体船波幅函数分析 .194.2 实例计算 .19结论 .43参考文献 .44致谢 .45外文翻译 .46本科毕业论文 摘要3摘要对于瘦长船而言，兴波阻力是总阻力中很重要的一部分，用理论计算所得的积分公式，来求解兴波阻力比较繁琐。本文根据应业炬老师写的用Rankine波幅函数预报高速三体/五体船主体与侧体的兴波阻力干扰的一个相对比较简单的方法来求解兴波阻力干扰因子。基于兴波阻力的薄船理论与船模试验数据的结合,用兰金(Rankine)体的波幅函数代替实际船型的波幅函数, 以确定四体船片体间的兴波阻力干扰因子,从而查图谱得到高速多
3、体船的兴波阻力。在本论文中，通过对四体船的计算，用excel表格做出兰金体波幅函数和兴波阻力干扰因子的图表。最后，通过图表对比，我们能够看到，增加船长，会使兴波干扰因子增加；增加片体间距，对减少兴波干扰因子有利。相比较而言，片体间距对于兴波干扰因子的影响，要大于船长对于其的影响。关键词 高速多体船；Rankine波幅函数；兴波阻力；薄船理论本科毕业论文 摘要4A prediction method of wave resistance for four trima ranAbstract For thin ships, the wave-making resistance is a very
4、important part in total resistance. Using the formula to solve the wave-making resistance is a troublesome job. According to a relatively simple way in Ying Yejus “Predication of resistance interference of fast trima ran/pentama ran by Rankine wave amplitude resistance“ this paper to solve the wave
5、resistance interference factor. Based on wave resistance of thin ship theory and ship model test data,by the methods of Rankine (Rankine) the volatility of the function body instead of the actual hull of the volatility function to determine the four trima ran wave resistance interference factor to C
6、harles Atlas by high-speed multi-hull ships wave resistance. In this paper, By calculations of the four trima ran made with excel table Rankin body amplitude function and wave resistance interference factor of the chart.Finally,through the chart contrast,we can find that increasing of the vessel len
7、gth will lead to an increasing of the wave resistance interference factor;Increasing demi-hull distance,however,will help to decrease the wave resistance interference factor.Demi-hull distance effects the wave resistance interference factor more than the vessel length.Keywordshigh-speed catamarans,
8、Rankine volatility function, wave-making resistance, theory of thin ships 本科毕业论文 正文51.引言: 船舶快速性包含船舶推进和船舶阻力两个方面。研究航行中船舶的阻力问题对改善船舶快速性有着重大作用。经过许多年的发展，关于船舶阻力研究的方法和手段越来越多，内容越来越深入，准确性也越来越高，同时，快速性对船舶设计和建造的贡献也是越来越突出。船舶阻力的问题是船舶发展史中人们一直所重视的一个问题，为了研究方便，人们对船舶阻力进行了各种分类：根据船舶阻力产生的形成原因可将阻力分为粘性阻力和兴波阻力两类。对于已经给定航速，粘性阻
9、力的大小与船舶湿表面面积成正比，但船体湿表面面积受到设计用途和船型参数这两类的限制不易改变或改变不大，而在一定的弗汝德数范围内，兴波阻力对船型的变化很是敏感，比如适当的修改船体型线，可以使兴波阻力显著降低。因此，用实验的、理论的以及计算的手段探讨兴波阻力的机理，预估实船舶的兴波阻力，并以此改造出优良的船型，一直都是船舶阻力和性能研究的中心内容之一。船舶的兴波阻力是船舶在水中航行时,由于船体掀起波浪,也就是船行波，产生与船舶航行时的前进方向相反的阻力，也就是兴波阻力。船舶航行时，船首对水施加压力，把水劈开而前进，从而也就激起了一组随船舶首部前进的波浪，成为首波。船尾在前进时，水中留出了一个低压区
10、，形成波谷，成为了一组由船尾引起的波浪，这就是尾波。由于船航行时,船体引起了首波和尾波,需要消耗能量，也就形成了兴波阻力。因为兴波阻力是由于水的压力变化而引起的，所以也叫做压力阻力。行船的后面有波浪，波浪的大小与船体的几何特性有着密切的联系，搞清这个关系是相当有价值的.从理论上来讲，当速度逐渐趋于零时，通常在有限速度下给定的兴波阻力公式并不适用，也就是说这些方法的数学解答在速度趋于零时不是一致有效的。随着船舶向大型化、高速化方向发展，航道对阻力的影响也日益突出。由此可见，兴波干扰已经成为了一个比较热门的话题。近年来, 三体船或五体船成为船舶界关注和研究的热点之一, 而且从概念研究的阶段已经进入
11、到实用发展的阶段。无论是在商用伤还是在军用上都开始出现了令人瞩目的示范性实船或实验,例如英国的三体护卫舰 “ RV Triton” ( 研究船 海神号) , 澳大利亚 Austal 船厂建造的三体高速客滚型船(BenchijiguaExpress)等等。高速船中的兴波阻力是其阻力中的主要成分, 因此有关高速多体船阻力人们已经作了不少的实验研究工作。世界各地也出现了各种各样的多体船型，并且，各种多体船的发展方向也是一致的，那就是快本科毕业论文 正文6速性，也就是说，如何在可以实现快速性的基础上，减少船舶所需消耗的能量，正是各位专家所需做的研究。正因为船舶的大发展方向就是大型化和快速性，此类船舶的
12、兴波阻力所占比重较大，而多体船更是其中的代表，因此，我们研究多体船的兴波干扰预报，还是有必要的。1.1 船舶快速性船舶在航行的过程中会受到流体（水与空气）的作用来阻止它前进，这种与船体运动方向相反的作用力称为船舶的阻力。为了能够使船舶维持一定的速度航行，必须对船舶提供推力以便能够克服阻力。一般的船舶航行过程中由主机供给能量，通过推进器（一般情况下常用的是螺旋桨）转换成为推动船舶前进的动力。显然，船舶所需要的推力大小取决于船舶主机功率的大小以及推进器将主机功率转换成推力的效率，也即推进效率的高低。因此船舶能达到航速的高低取决于它所受阻力的大小、主机功率的大小和推进效率的高低这三个因素。船舶快速性
13、是船舶的重要性能之一。它直接影响到船舶客货运输的运输能力和周转期，是影响船舶的营运指标的一个重要参数。对每一艘新造的船舶，以及对原设计作了重大修改的改装船舶，快速性试验都是衡量设计改装是否成功的重要项目之一。船舶快速性就是研究船舶如何尽可能消耗较小的机器功率以维持一定航行速度的能力，也可以说，船舶快速性是在给定主机功率时，表征船舶航行速度快慢的一种能力。因此，快速性的含义是：对一定的船舶在给定主机功率时，能达到的航速较高的船舶，称之为快速性好，反之则为快速性差；或者，对一定的船舶要求达到一定的航速时，所需主机功率较小的船舶，称之为快速性好，反之则为快速性差。几乎每一艘船舶，在设计初始阶段就给了
14、定明确的快速性指标。当船舶建造完成后，测定是否达到指定的快速性设计指标是交船试航的一个重要内容。从快速性的含义可知，在主机功率确定的情况下，快速性的好坏不仅与船舶的航行阻力有关，而且还与船舶的推进效率等有关。显然，船舶快速性包含了两部分内容，即船舶推进和船舶阻力。船舶推进研究克服船体阻力的推进器及其与船体间的相互干扰和船、机、桨的匹配问题。船舶阻力研究船体在航行过程中所受到的各种阻力问题；本科毕业论文 正文71.2 船舶快速性的研究方法研究船舶快速性的研究方法有：理论研究方法、试验方法和数值模拟这三种方法。1.2.1理论研究方法理论研究法是根据观察实际的现象，进行力学抽象和数学建模，从而利用流
15、体力学的基本理论以及数学工具来进行分析、研究和计算船舶阻力与推进问题。这种方法近年来虽然有很大的进展，但目前为止还不能得到普遍的实际应用。原因就在于，一是船体的形状及其运动情况极为复杂；二是为了使问题能够简化常常引入一些近似假定，与实际的情况有一定的出入，因此所得的结果准确性比较差。应该指出，理论研究的方法虽然目前在定量的方面存在差距，但常常可以用来解释现象，指出研究的方向。近年来流体力学和数学，特别是计算技术方面的发展，有力地推动了理论研究工作的进一步开展，因而理论分析法仍然不失为重要的研究手段之一。1.2.2试验方法试验方法了包括船模试验和实船试验。船模试验是目前为止研究船舶快速性的主要方
16、法。它是将实船或螺旋桨按一定的比例缩小，制成船舶模型或螺旋桨模型，然后在试验水池或者水洞中进行试验，测量与分析船模的阻力大小，或螺旋桨的推力效率。很多优良的船型或者桨型几乎都是通过大量模型试验而得到的。应用船舶模型和螺旋桨模型试验来研究船舶快速性的优点在于，它不仅简单、经济，而且可以为造船工程提供定量的数据。实际上在进行船舶设计阶段，即使在初步设计阶段，也可能会做模型试验，进行方案的比较，特别是一些较为重要的船舶几乎没有不进行船模试验就建造的，由此可见船模试验的重要性。模型试验在船舶设计中得到了广泛的应用。但是船模试验也有它的局限性，比如模型与实船情况不能完全实现水动力相似等的问题。实船试验的
17、目的就在于鉴定船舶的各种性能是否达到了设计要求，并验证根据船模试验所得的结果实船航行的情况的准确性，也就是研究船模与实船之间的相关的问题。但是因为实船试验在经济上花费比较大，所以一般情况下除了新船进行例行试航外，已有类型的船舶通常很少进行实船试验。1.2.3数值模拟近些年来，由于计算机技术得到了迅速的发展和普及，再加上数值方法的进步，因此根据数学模型，采用数值方法（也称数值模拟）来优化船型和预报船舶航行性能及推进器本科毕业论文 正文8的设计，已经取得了许多方面成功。但是，由于船型的复杂多样，围绕船体的流动情况亦极为复杂，因此，数值模拟只能解决部分的问题，而大量快速性的主要的实际问题还是离不开模
18、型试验。然而，数值试验作为一种辅助的手段，与船模试验相结合，将会发挥越来越重要的作用。首先，在船模试验进行前，可以预先用数值模拟的方法进行大量的比较计算，选择若干的优秀方案，而后再进行船模试验，以减少试验的费用。其次，把数值模拟与物理模型试验相互结合，发挥各自优势的混合方法，已经逐渐受到重视。当然，在数值计算中用经验公式的方式，或者采用一些试验结果，更能提高计算预报的准确性并扩展数值计算的使用范围。1.3 “薄船”或瘦长船的概念高性能船，是当前世界造船业的热门课题。这些船舶无论是在军用上，还是在民用交通运输上都占有相当重要的地位。世界上各个国家十分重视对各种形式的高性能船的开发与研制。高速“薄
19、船”就属于高性能船型之一。瘦长船舶也称其为“薄船” 。 “薄船”或者瘦长船舶是指船体长度 L与船体宽度 B的比值很大的一类船舶。一般的高速排水型船舶，不论单体船还是多体船中的每个浮体，都属于瘦长体（因此也称为片体） 。由于瘦长船的首、尾两端的船体曲率变化较大，因此所受兴波最为严重。船舶所具有不同的片体数目以及布局形式，决定了高速排水型船体不同的构型以及不同的水动力性能，同时其相应的兴波阻力表达式也不同。为了减小阻力，提高快速性，这类船舶的排水体积在水面处有相应的多种形式的分布，如果将靠近水面处的船体排水体积向深水方向移动，使设计水线面变得十分狭小，以减小船舶在自由水面上所受的兴波，从而减小了兴
20、波阻力。这种通过改变船舶排水体积沿垂向分布的方法所得到的船型，也就形成了所谓的小水线面船型；或者将船舶的排水体积一分为二，形成有两个窄长得片体的双体船；或者保持排水体积不变将其沿着船长的方向拉长分布，得到更加瘦长的单体船。为弥补这种瘦长的单体船横向稳定性方面的不足，通常必须采用多个水下浮体（又额比称为稳定体）来辅助性的提高横稳性，从而构成所谓的三体船、四体船和五体船等船型。1.4本文的主要工作本文的研究方向是高速“薄船”的阻力预报，兴波阻力的计算是重点之一。选择合适的兴波阻力理论，定义本文中船舶阻力表达方法。线性兴波阻力理论己经有了很长的发展本科毕业论文 正文9历史，很多学者一直致力于 Mic
21、hell 积分兴波阻力公式的应用与发展，尤其近来几年对以瘦长形的高速船船型研究颇多；Michell 积分适用于薄船理论，可以定性的分析中、高速船舶的兴波阻力性能。基于兴波阻力的“薄船”理论，用“兰金体”波幅函数代替实际船型的波幅函数，从而确定并列四体船的兴波干扰因子，并且计算出各种船型的兴波干扰因子。本科毕业论文 正文102.小水线面四体船的阻力特点分析并列四体船的设计该概念最早是由Daniel Tollet提出的，并于1990年在法国主持建造了世界伤第一艘四体船“Alexander”号。这艘船具有4个相同的片体并采用平行并列的布局，总船长17.5m，排水量13.5t。由4台300hp（221
22、kw）的柴油机作为推进器，航速达到了60kn。 “Alexander”号在法国地中海沿岸航行了5年，运载了大量的旅客。随后，人们投入了大量的人力物力来研究四体船，使得四体船研究取得了长足的进步，但是，随后建造而出的四体船的片体布置形式，还是按照Daniel Tollet监督制造出的“Alexander”号上的片体布置。本节我们来浅析一下小水线面四体船的阻力特点，下面，我们以SWATH和SLICE两种船型来讨论小水线面四体船的阻力特点。SWATH 是以其卓越的耐波性著称的一种高性能船舶类型,但与常规的单体船相比,其较大的结构重量以及较高的阻力在一定的程度上限制了它的广泛应用。不少的研究者在 SW
23、ATH 的船型优化方面做了许多改善的工作 ,并取得了较为丰硕的成果,然而线型优化所导致的复杂形状给建造工艺带来了不利影响,并且提高了成本，同时阻力的减小量也是十分有限的。 减小阻力并且能提高快速性的另一个有效途径是采用多体船的方案 ,20世纪90年代，洛克希德 马丁公司中的导弹与空间技术分公司 LMSC推出的小水线面四体船“SLICE”号就是其代表作之一。SLICE的基本设计目标是在保持SWATH原有耐波性能的前提下来减小阻力 ,该船采用四支柱和四潜体的小水线面船型,将一般的SWATH每侧的水下潜体分成两个 ,并且其在纵向和横向都有间距 ,后体安置在了前体的后外侧 ,螺旋桨安装在前体后 ,这种错位是为了获得前后体之间的有利的兴波干扰 ,同时也可以改善了螺旋桨尾流 ,提高了推进效率。 SLICE 的每一水下潜体都带有一个支柱 ,与甲板平台相连接。众所周知,船体的阻力成分包括由形状阻力、摩擦阻力组成的粘性阻力和非粘性项的兴波阻力这两大部分 ,考虑到附体阻力与空气阻力在SLICE的阻力成分中所占比重很小,为了抓住问题的主要方面 ,在本文中暂不涉及 ,并且同等排水量的双支柱SWATH作为比较的对象予以讨论。
