CN201808654U - 高速三体船消波翼 - Google Patents

Abstract

一种高速三体船消波翼，在高速三体船型中体首部水线下的近水面位置设置有消波翼。其优点是：十分有助于克服高速三体船推广应用中高速三体船中体兴波对侧体的直接作用引起的侧体喷溅、附加兴波这一不利因素，按高速三体船加翼消波减阻优化设计方法优化设计出的高速三体船消波翼可以显著消减高速三体船中体兴波及其对侧体直接作用导致的侧体喷溅、附加兴波，通用于各种类型、尺度和用途的高速三体船消波翼优化设计，推广应用后可以获得十分巨大的经济效益和军事效益，同时还具有节能减排、防治环境污染以及气候变化等战略意义；另外本实用新型属于船舶水动力学和船型学领域的基本原理揭示和基本方法实用新型，具有十分重大的理论意义。

Description

高速三体船消波翼

技术领域

本实用新型涉及船舶水动力学和船型学技术领域，具体的说是一种高速三体船消波翼。

背景技术

高速三体船本身就是一种优良的新船型，应用(前景)十分广泛，既可用作民船，也可用作军船；即可用作小型艇也可用作中大型船舶，适用的排水量为百吨级船舶、千吨级船舶、直到万吨级船舶。国外已有数艘千吨级高速三体船付诸实用，其中包括民船和军船，国内尚未有高速三体船付诸实用。在国际、国内的高速三体船研究和应用中发现，高速三体船中体兴波对侧体的直接作用十分严重，使侧体喷溅现象及其引起的喷溅阻力显著增加，也使侧体附加兴波阻力显著增加。这种现象已被国内外视为高速三体船推广应用的不利因素。

实用新型内容

本实用新型的目的是研制一种在高速三体船行驶过程中起消波、防溅和减阻作用的高速三体船消波翼。

本实用新型高速三体船消波翼，包括：在高速三体船型中体首部水线下的近水面位置设置有消波翼。

在高速三体船型中体首部水线下的近水面位置两侧设置有消波翼。

在高速三体船型中体首部水线下的近水面位置设置有消波翼，消波翼的位置参数为：

a_f为消波翼纵距，消波翼翼面水平投影横向对称线至船舯的距离，如图1(a)中的a_f所示。

h_f为消波翼浸深，如图1(b)中的h_f所示。

p_f为消波翼横距消波翼纵向对称线距离中船体对称面的距离，如图1(c)中的p_f所示。

在高速三体船型中体首部水线下的近水面位置设置有消波翼，消波翼的安装夹角α_f为消波翼的弦线与水平线的夹角，如图2中的α_f所示，图1(a)实例中的消波翼安装角α_f＝0°，在应用中可以取α_f≠0°。

在高速三体船型中体首部水线下的近水面位置设置有消波翼，消波翼的下反角β_f为消波翼下反角从横剖图上看高速三体船消波翼翼面与水平线的夹角即为高速三体船消波翼下反角，如图3中的β_f所示。图1(c)中的高速三体船消波翼，下反角β_f＝0°，在应用中可取为β_f＝0或β_f≠0。

在高速三体船型中体首部水线下的近水面位置设置有消波翼，消波翼的几何尺寸参数为：

翼展长s：消波翼展长即消波翼的横向长度，如图4所示。

翼剖面弦长c：消波翼弦长即消波翼横剖面弦长，通俗地说就是消波翼剖面的纵向宽度，如图4、5所示。

剖面厚度t：消波翼剖面厚度即消波翼横剖面面线到背线之间最大距离，通俗说就是消波翼各横剖面垂向厚度最大值，如图5所示。

拱度f：消波翼拱度即消波翼横剖面面线到背线间距离中点连线到外弦线高度的最大值，如图5所示。

在高速三体船型中体首部水线下的近水面位置设置有消波翼，消波翼剖面型式为弓形、机翼形或其他剖面形状。

在高速三体船型中体首部水线下的近水面位置设置有消波翼，消波翼翼面形式为水平面视图轮廓形式，通常的翼面形式为矩形、梯形、半椭圆形或其他轮廓形状，图4所示消波翼水平面视图轮廓形式为矩形，图6所示波翼水平面视图轮廓形式为梯形翼面和半椭圆形翼面。通常以尖削比(或相当尖削比)η_f来描述消波翼翼面宽沿展向的分布，为翼端宽度(或翼梢相当宽度)与翼根宽度之比，对矩形翼面η_f＝1.0，实际应用中尖削比可以小于1.0，如梯形翼面和半椭圆形翼面尖削比均小于1.0。尖削比对消波翼消波减阻效果略有影响，但影响不大，作为选定的输入参数(非计算参数)，通常就取为1.0。

在高速三体船型中体首部水线下的近水面位置设置有消波翼，消波翼的位置尺寸参数、几何尺寸参数和相应的加消波翼三体船兴波阻力均可在下列算式中得到：

兴波阻力R_w计算公式表示为：

$R_w=\frac{8\mathrm{\ρ}{g}^2}{\mathrm{\π}{U}^2}{\left(\frac{\mathrm{BT}}{2}\right)}^2{\∫}_0^{\∞}[{(I_0+I_1+I_2+I_{\mathrm{fL}}+I_{\mathrm{fT}})}^2+{(J_0+J_1+J_2+J_{\mathrm{fL}}+J_{\mathrm{fT}})}^2]\frac{{(u^2+1)}^2}{\sqrt{u^2+2}}\mathrm{du}---\left(1\right)$

$I_0={\∫}_{-1}^0{\∫}_{-1}^1\frac{\∂\mathrm{\η}}{\∂\mathrm{\ξ}}\exp \left(\mathrm{G\ζ}\right)\cos \left(\mathrm{R\ξ}\right)\mathrm{d\ξd\ζ}---\left(2\right)$

$J_0={\∫}_{-1}^0{\∫}_{-1}^1\frac{\∂\mathrm{\η}}{\∂\mathrm{\ξ}}\exp \left(\mathrm{G\ζ}\right)\sin \left(\mathrm{R\ξ}\right)\mathrm{d\ξd\ζ}---\left(3\right)$

$I_1={\∫}_{-1}^0{\∫}_{-1}^1\left(\frac{B_1{T}_1}{\mathrm{BT}}\right)\frac{\∂\mathrm{\η}}{\∂\mathrm{\ξ}}\exp \left(G_1\mathrm{\ζ}\right)\cos \left\{R_1\right[(\mathrm{\ξ}+\stackrel{\‾}{a})+u\sqrt{u^2+2}\·\stackrel{\‾}{p}\left]\right\}\mathrm{d\ξd\ζ}---\left(4\right)$

$J_1={\∫}_{-1}^0{\∫}_{-1}^1\left(\frac{B_1{T}_1}{\mathrm{BT}}\right)\frac{\∂\mathrm{\η}}{\∂\mathrm{\ξ}}\exp \left(G_1\mathrm{\ζ}\right)\sin \left\{R_1\right[(\mathrm{\ξ}+\stackrel{\‾}{a})+u\sqrt{u^2+2}\·\stackrel{\‾}{p}\left]\right\}\mathrm{d\ξd\ζ}---\left(5\right)$

$I_2={\∫}_{-1}^0{\∫}_{-1}^1\left(\frac{B_1{T}_1}{\mathrm{BT}}\right)\frac{\∂\mathrm{\η}}{\∂\mathrm{\ξ}}\exp \left(G_1\mathrm{\ζ}\right)\cos \left\{R_1\right[(\mathrm{\ξ}+\stackrel{\‾}{a})-u\sqrt{u^2+2}\·\stackrel{\‾}{p}\left]\right\}\mathrm{d\ξd\ζ}---\left(6\right)$

$J_2={\∫}_{-1}^0{\∫}_{-1}^1\left(\frac{B_1{T}_1}{\mathrm{BT}}\right)\frac{\∂\mathrm{\η}}{\∂\mathrm{\ξ}}\exp \left(G_1\mathrm{\ζ}\right)\sin \left\{R_1\right[(\mathrm{\ξ}+\stackrel{\‾}{a})-u\sqrt{u^2+2}\·\stackrel{\‾}{p}\left]\right\}\mathrm{d\ξd\ζ}---\left(7\right)$

$I_{\mathrm{fL}}=\frac{2\mathrm{\π}}{U}\frac{{2P}_{\mathrm{fL}}}{\mathrm{BT}}=\frac{2}{\left(\mathrm{BT}\right)}\left[\frac{\mathrm{\π}}{{2K}_0}\right]{\cos }^3\mathrm{\θ}\·C_{\mathrm{fL}}\left(u\right)---\left(8\right)$

$J_{\mathrm{fL}}=\frac{2\mathrm{\π}}{U}\frac{{2Q}_{\mathrm{fL}}}{\mathrm{BT}}=\frac{2}{\left(\mathrm{BT}\right)}\left[\frac{\mathrm{\π}}{{2K}_0}\right]{\cos }^3\mathrm{\θ}\·S_{\mathrm{fL}}\left(u\right)---\left(9\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{C}_{\mathrm{fL}}\left(u\right)=\frac{2}{\mathrm{\π}}{\mathrm{cC}}_L\frac{{(u^2+1)}^3{e}^{{-K}_0{(u^2+1)}^2{h}_f}\sin \left[K_0(u^2+1)u\sqrt{u^2+2}s\right]\sin \left[K_0(u^2+1)a_f\right]\cos \left(K_0(u^2+1)u\sqrt{u^2+2}{p}_f\right)}{u\sqrt{u^2+2}}\\ S_{\mathrm{fL}}\left(u\right)=-\frac{2}{\mathrm{\π}}{\mathrm{cC}}_L\frac{{(u^2+1)}^3{e}^{-K_0{(u^2+1)}^2{h}_f}\sin \left[K_0(u^2+1)u\sqrt{u^2+2}s\right]\cos \left[K_0(u^2+1)a_f\right]\cos \left(K_0(u^2+1)u\sqrt{u^2+2}{p}_f\right)}{u\sqrt{u^2+2}}\end{array}\right.$

$I_{\mathrm{fT}}=\frac{4t\·s}{\mathrm{BT}}\·\exp ({-G}_f\·{\stackrel{\‾}{h}}_f)\·\sin \left(R_f{\stackrel{\‾}{a}}_f\right)\·\cos \left(R_f{\stackrel{\‾}{p}}_{f}u\sqrt{u^2+2}\right)$

$\·[\frac{2\sin \left(R_f\right)}{{R_f}^2}-\frac{2\cos \left(R_f\right)}{R_f}]---\left(10\right)$

$J_{\mathrm{fT}}=-\frac{4t\·s}{\mathrm{BT}}\·\exp (-G_f\·{\stackrel{\‾}{h}}_f)\·\cos \left(R_f{\stackrel{\‾}{a}}_f\right)\·\cos \left(R_f{\stackrel{\‾}{p}}_{f}u\sqrt{u^2+2}\right)$

$\·[\frac{2\sin \left(R_f\right)}{{R_f}^2}-\frac{2\cos \left(R_f\right)}{R_f}]---\left(11\right)$

上述高速三体船消波翼参数定义和确定方法如下：

①高速三体船消波翼纵距a_f-消波翼翼面水平投影横向对称线至船舯的距离，如图1(a)中的a_f所示。a_f是影响消波翼减阻效果的重要参数，作为优化设计计算参数，按下文兴波阻力计算公式结合遗传算法等方法优化计算确定。a_f通常为主动型优化设计参数，为输出参数。

②高速三体船消波翼浸深h_f-消波翼横剖面形心距水平面的距离，如图1(b)中的h_f所示。h_f是影响消波翼减阻效果的重要参数，作为优化设计计算参数，按下文兴波阻力计算公式结合遗传算法等方法优化计算确定，在计算过程中还要加上约束条件：在高速三体船航行过程中消波翼不出水面。h_f通常为主动型优化设计参数，为输出参数。

③高速三体船消波翼横距p_f-消波翼纵向对称线距离中船体对称面的距离，如图1(c)中的p_f所示。p_f是影响消波翼减阻效果的重要参数，作为优化设计计算参数，按下文兴波阻力计算公式结合遗传算法等方法优化计算确定其初值，p_f最终取值应等于消波翼纵向位置处的船宽值，即p_f与a_f相对应的，故p_f通常为随动型优化设计参数，为输出参数。

④高速三体船消波翼安装角α_f-消波翼的弦线与水平线的夹角，如图2中的α_f所示，图1(a)实例中的消波翼安装角α_f＝0°，在应用中可以取α_f≠0°。α_f是影响消波翼减阻效果的重要参数，作为优化设计计算参数，按下文兴波阻力计算公式结合遗传算法等方法优化计算确定。α_f通常为主动型优化设计参数，为输出参数。

⑤高速三体船消波翼展长s-高速三体船消波翼展长即消波翼的横向长度，翼展长以s表示，如图4所示。s是影响消波翼减阻效果的重要参数，作为优化设计计算参数，按下文兴波阻力计算公式结合遗传算法等方法优化计算确定，在计算过程中还要加上约束条件：消波翼最大翼展长不应使其翼梢超过中体船最大船宽。s通常为主动型优化设计参数，为输出参数。

⑥高速三体船消波翼弦长c-高速三体船消波翼弦长即高速三体船消波翼横剖面弦长，通俗地说就是消波翼剖面的纵向宽度，翼剖面弦长以c表示，如图4、5所示。c是影响消波翼减阻效果的重要参数，作为优化设计计算参数，按下文兴波阻力计算公式结合遗传算法等方法优化计算确定其初值，c最终取值与安装角α_f和消波翼剖面厚度t相关。c可作为主动型或随动型优化设计参数，为输出参数。

⑦高速三体船消波翼剖面厚度t-高速三体船消波翼剖面厚度即高速三体船消波翼横剖面面线到背线之间最大距离，通俗说就是消波翼各横剖面垂向厚度最大值，消波翼剖面厚度以t表示，如图5所示。该参数作为优化设计计算参数，按下文兴波阻力计算公式结合遗传算法等方法优化计算确定其初值，t与安装角α_f、弦长c相对应，其最终取值与安装角α_f和消波翼剖面弦长c相关。t可作为主动型或随动型优化设计参数，为输出参数。

⑧高速三体船消波翼剖面拱度f-高速三体船消波翼拱度即高速三体船消波翼横剖面面线到背线间距离中点连线到外弦线高度的最大值，如图5所示。翼横剖面拱度与翼横剖面型式、翼横剖面厚度相对应，由翼横剖面型式、翼横剖面厚度确定，消波翼拱度以f表示，f为随动型优化设计参数，为输出参数。

⑨高速三体船消波翼横剖面型式-高速三体船消波翼剖面型式有弓形和机翼形两种，如图1(b)中的消波翼剖面即为弓形剖面，如图2中的消波翼剖面即为机翼形剖面；如图5(a)所示剖面即为弓形剖面，图5(b)所示剖面即为机翼形剖面。翼横剖面型式作为选定的输入参数(非计算参数)，为设计计算、加工制造简便可取为弓形剖面；为进一步提高消波翼的消波减阻效率可取为机翼形剖面。

⑩高速三体船消波翼下反角β_f-从横剖图上看高速三体船消波翼翼面与水平线的夹角即为高速三体船消波翼下反角，如图3中的β_f所示。图1(c)中的高速三体船消波翼，下反角β_f＝0°，在应用中可取为β_f＝0或β_f≠0。消波翼下反角β_f作为选定的输入参数(非计算参数)，选择原则通常是保证翼梢在船体受波浪影响横摇中不出水面。

高速三体船消波翼面尖削比η_f-高速三体船消波翼面端部弦长与根部弦长之比。如图1(a)所示高速三体船消波翼为矩形翼，此时尖削比为1.0；实际应用中尖削比可以小于1.0。尖削比作为选定的输入参数(非计算参数)，通常就取为1.0。

消波翼高速三体船侧体纵向偏距a-消波翼高速三体船侧体横舯剖面到中船体横舯剖面之间距离，如图1(a)中的a所示。a由高速三体船侧体布局优化设计确定(船型设计中的参数)，在消波翼设计中作为既定输入参数(非计算参数)。

消波翼高速三体船侧体横向偏距p-消波翼高速三体船侧体到中体对称面的之间距离，如图1(a)中的p所示。p由高速三体船侧体布局优化设计确定(船型设计中的参数)，在消波翼设计中作为既定输入参数(非计算参数)。

在高速三体船型中体首部水线下的近水面位置设置有消波翼，高速三体船消波翼兴波波形与船体兴波波形可在下列算式中得到：

ζ＝ζ_h+ζ_f            (12)

${\mathrm{\ζ}}_h=\frac{{4K}_0}{\mathrm{\π}}{\∫\∫}_S\frac{\∂f}{\∂x}\mathrm{dS}{\∫}_{-\frac{\mathrm{\π}}{2}}^{\frac{\mathrm{\π}}{2}}\mathrm{\δ}(x-\mathrm{\ξ})e^{K_0{(u^2+1)}^2\mathrm{\ζ}}\cos \left[K_0(u^2+1)x\right]\frac{{(u^2+1)}^2\mathrm{du}}{\sqrt{u^2+2}}---\left(13\right)$

ζ_f＝ζ_fL+ζ_fT         (15)

${\mathrm{\ζ}}_{\mathrm{fL}}=\frac{8}{\mathrm{\π}}{\mathrm{cC}}_L\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}{e}^{-K_0{(u^2+1)}^2{h}_f}\sin \left[K_0(u^2+1)u\sqrt{u^2+2}s\right]\cos \left[K_0(u^2+1)u\sqrt{u^2+2}{p}_f\right]$

$\left\{\sin \right[K_0(u^2+1)a_f\left]\cos \right[K_0(u^2+1)x]-\cos [K_0(u^2+1)a_f\left]\sin \right[K_0(u^2+1)x\left]\right\}\frac{{(u^2+1)}^2}{u(u^2+2)}\mathrm{du}$

${\mathrm{\ζ}}_{\mathrm{fT}}=\frac{{32K}_0\·t\·s}{\mathrm{\π}}\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}\cos \left(R_f{\stackrel{\‾}{p}}_{f}u\sqrt{u^2+2}\right)\sin [R_f{\stackrel{\‾}{a}}_f-K_0(u^2+1)x]\·[\frac{2\sin \left(R_f\right)}{{R_f}^2}-\frac{2\cos \left(R_f\right)}{R_f}]\exp (-G_f\·{\stackrel{\‾}{h}}_f)\frac{{(u^2+1)}^2}{\sqrt{u^2+2}}\mathrm{du}$

在高速三体船型中体首部水线下的近水面位置设置有消波翼，a、p、a_f、p_f、h_f分别与a、p、a_f、p_f、h_f相对应，其对应关系为：

$\stackrel{\‾}{a}=\frac{a}{\left(\frac{\mathrm{Ls}}{2}\right)}---\left(16\right)$

$\stackrel{\‾}{p}=\frac{p}{\left(\frac{\mathrm{Ls}}{2}\right)}---\left(17\right)$

${\stackrel{\‾}{a}}_f=\frac{a_f}{\left(\frac{c}{2}\right)}---\left(18\right)$

${\stackrel{\‾}{p}}_f=\frac{p}{\left(\frac{c}{2}\right)}---\left(19\right)$

${\stackrel{\‾}{h}}_f=\frac{h}{T}---\left(20\right)$

采用以上理论计算方法对设置消波翼的高速三体船兴波阻力和波形进行了系统的理论计算。求出了优化设计的消波翼高速三体船与不设置消波翼的高速三体船兴波阻力系数曲线，以及相应的波形图。设置一套优化设计消波翼高速三体船兴波阻力系数理论计算曲线如图7所示，该兴波阻力系数理论曲线表明，在Fr＞0.4的航速区间，高速三体船消波翼具有显著的减阻效果。

Fr＝0.657的船体波形图和消波翼波形图如图8所示。图8清晰地显示出，优化设计的消波翼波形相位与船体波形相位接近相反，即这种参数配置下的消波翼具有显著的消波减阻效果。本实用新型也计算了其他航速下的船体波形和消波翼波形，在高速三体船消波翼产生显著减阻效果的航速范围内，高速三体船消波翼波形均具有显著的与主船体波形相消的特性。所以图8中的波形可用来解释高速三体船消波翼减阻的机理：即高速三体船消波翼减阻的根本机理是消波翼波形与船体波形相消。图8的波形图也说明需对高速三体船消波翼参数进行优化，高速三体船消波翼才能获得优良的消波减阻效果。

将本实用新型提出的加消波翼高速三体船兴波阻力理论计算方法与遗传算法相结合，将加消波翼高速三体船兴波阻力理论计算方法与均匀设计和正交设计等逆向设计法相结合，创建了高速三体船消波翼通用优化设计方法。

其中遗传算法是一种模拟生物进化过程的随机搜索和优化方法。自二十世纪七十年代由美国Michigan大学的Holland教授提出这一概念以来，许多学者都在遗传算法的理论与应用方面进行过研究，使其逐渐丰富与完善。至今遗传算法已广泛应用于组合优化，计算机科学，工程控制，工程优化，神经网络，图像处理和模式识别，规划与调度等各个领域，被证明是一种实用且鲁棒性强的优化技术；在应用遗传算法进行优化计算时，首先随机生成一定规模的初始种群，种群中的每一个体为优化问题的一个可行解，然后根据每个可行解的目标函数值，按照一定的规则分配每个个体的适应度值，目标函数值越优的个体，适应度值越大，再按照适应度值选择个体，进行交叉，变异操作，产生新的一代个体，重复上述的选择，交叉，变异操作，直至算法收敛，或计算至事先规定的最大代数。

而正交设计法(也称为田口方法，日本学者田口创建)和均匀设计法(中国数学家王元、方开泰创建)是一种高效的优选方法，这种方法按照正交表合理搭配各因素的不同水平来组织试验或计算，使试验点或计算点具有均衡分散性，从而相对于全因素法可大大减少试验或计算的方案数，又保证这些方案具有很强的代表性、优选结果趋势正确。海军工程大学(本实用新型的课题组)已设计出以消波翼高速三体船阻力计算方法为目标函数，以遗传算法、正交设计法、均匀设计法为优化计算方法完整版高速三体船消波翼优化设计计算与减阻效果计算软件。用户也可较方便地按本实用新型介绍的以上方法自行设计相应软件。

高速三体船消波翼参数的优化设计计算就是以上述兴波阻力计算公式为目标函数，结合遗传算法等方法优化计算确定。可以采用函数表达式结合流程图清晰地表达高速三体船消波翼参数的优化设计计算过程，说明如下。

如前所述，消波翼高速三体船的总阻力Rt是消波翼参数的函数。在航速U一定，高速三体船各个片体尺度、形状确定的条件下Rt的函数式可以表示为：

R_t＝F(a_f，p_f，h_f，α_f，β_f，s，c，t，f，η_f，剖面翼型，a，p)    (21)

在上式中主动型优化设计计算输出参数有a_f，h_f，α_f，s，c或者t之一(假设为c)；随动型优化设计计算输出参数有p_f，c或者t之一(假设为t)，f；设定的(非计算)输入参数有η_f，剖面翼型，a，p。于是式(21)的优化设计计算参数减少为5个，式(21)可简化为：

R_t＝F(a_f，h_f，α_f，s，c)         (22)

a_f，h_f，α_f，s，c的确定方法可用函数式表示为：

令R_t＝F(a_f，h_f，α_f，s，c)→min：解出

以上式(22)～(24)的消波翼优化计算过程是通过遗传算法来实现的。在应用遗传算法进行优化计算时，首先随机生成一定规模的初始种群，种群中的每一个体为优化问题的一个可行解，对于消波翼参数优化问题，初始种群即若干组消波翼参数，个体即为一组可行的消波翼参数。然后根据每个可行解的目标函数值，按照一定的规则分配每个个体的适应度值，目标函数值越优的个体，适应度值越大，再按照适应度值选择个体，进行交叉，变异操作，产生新的一代个体，对消波翼减阻优化来说，阻力值越小的个体(消波翼参数组合)，适应度越大。重复上述的选择，交叉，变异操作，直至算法收敛，或计算至事先规定的最大代数。在消波翼参数减阻优化中，种群规模固定为162，最大迭代次数为100代，采用MATLAB软件平台，引用其中的遗传算法工具箱，设计编写计算机程序实现上述遗传算法与作为目标函数的兴波阻力理论计算公式相结合的优化计算过程。

高速三体船加翼消波、防溅和减阻的主要机理是：

(1)消波翼波形与三体船中体、侧体波形产生有利的兴波干扰，即消波翼的波形与三体船船体波形相位相反或接近相反，使消波翼波形与三体船船体波形相互消减，从而降低合成波系的波幅，减小三体船兴波阻力。

(2)消波翼通过消减三体船中体波形、减小三体船中体波形对侧体的直接冲击作用，从而显著消减侧体的喷溅现象及其引起的喷溅阻力。

(3)消波翼通过消减三体船中体波形减小三体船中体波形对侧体的直接冲击作用，从而显著消减侧体附加兴波阻力。

本实用新型的理论分析、数值模拟和模型试验模拟研究预报得出，采用高速三体船加翼消波减阻方法对高速三体船消波翼进行优化设计，所得实船尺度下高速三体船加消翼波的总阻力减阻效果可达到26％以上。

本实用新型高速三体船消波翼的优点是：十分有助于克服高速三体船推广应用中高速三体船中体兴波对侧体的直接作用引起的侧体喷溅、附加兴波这一不利因素，按高速三体船加翼消波减阻优化设计方法优化设计出的高速三体船消波翼可以显著消减高速三体船中体兴波及其对侧体直接作用导致的侧体喷溅、附加兴波，通用于各种类型、尺度和用途的高速三体船消波翼优化设计，推广应用后可以获得十分巨大的经济效益和军事效益，同时还具有节能减排、防治环境污染以及气候变化等战略意义；另外本实用新型属于船舶水动力学和船型学领域的基本原理揭示和基本方法实用新型，具有十分重大的理论意义。

附图说明

图1a为消波翼高速三体船水线面的结构示意图；

b为消波翼高速三体船中船体的结构示意图；

c为消波翼高速三体船横剖图。

图2为高速三体船消波翼安装角α_f的结构示意图。

图3为高速三体船消波翼下反角β_f的结构示意图。

图4为翼展长s、翼平面结构示意图。

图5a为高速三体船消波翼弓形型剖面示意图；

b为高速三体船消波翼机翼形剖面示意图。

图6a、b为消波翼面形式结构示意图。

图7为高速三体船设置优化设计消波翼与不加消波翼兴波阻力系数计算曲线对比图；其中a代表不加消波翼，b代表加消波翼。

图8为Fr＝0.657时高速三体船船体与消波翼波形图；其中a代表高速三体船船体波形，b代表高速三体船消波翼波形。

图9为高速三体船设置优化设计消波翼与不加消波翼剩余阻力系数试验曲线对比图；其中a代表不加消波翼，b代表加消波翼。

图10为200吨高速三体船加与不加消波翼总阻力曲线图；其中a代表不加消波翼，b代表加消波翼。

图11为200吨高速三体船消波翼减阻效果曲线图。

图12为300吨高速三体船加与不加消波翼总阻力曲线图；其中a代表不加消波翼，b代表加消波翼。

图13为300吨高速三体船消波翼减阻效果曲线图。

图14为400吨高速三体船加与不加消波翼总阻力曲线图；其中a代表不加消波翼，b代表加消波翼。

图15为400吨高速三体船消波翼减阻效果曲线图。

具体实施方式

实施例一

根据图1-9所示，一种高速三体船消波翼，按本实用新型提出的加消波翼高速三体船兴波阻力理论计算方法，采用所提优化设计技术，得出了一目标高速三体船消波翼优化设计方案。对设置优化设计消波翼和不加消波翼的高速三体船进行了模型阻力试验，试验船模长度为5m。模型试验消波翼参数如表2所示。

表2船模试验消波翼参数

图9所示为设置据本方法优化设计消波翼的高速三体船与不加消波翼高速三体船剩余阻力系数曲线对比。由这组模型阻力试验曲线预报可得，按本实用新型所创建方法对高速三体船加翼并进行消波翼优化设计，在实船尺度下可获得26％以上的总阻力减阻效果。

实施例二

根据图1-8、图10-11所示，一种高速三体船消波翼，按本方法对200吨三体高速艇消波翼参数进行了优化设计并预报了减阻效率。消波翼优化设计和阻力预报过程说明如下。

①优化设计计算的航速取定：取航速V＝22kn作为优化计算航速，在每一航速下进行消波翼参数优化设计计算。

②取定消波翼输入参数：

下反角：β_f＝0.0

尖削比：η_f＝1.0(矩形翼)

消波翼剖面：对称抛物线弓形

侧体纵向偏距：a＝26m

侧体横向偏距：p＝7.8m

主船体船长：L＝52m

主船体船宽：B＝4.16m

主船体吃水：T＝1.85m

主船体船型：给出型值表(描述船型的必备资料，在高速三体船船型设计时确定)

侧船体船长：L₁＝19m

侧船体船宽：B₁＝1.53m

侧船体吃水：T₁＝0.68m

侧船体船型：给出型值表(描述船型的必备资料，在高速三体船船型设计时确定)

③选定消波翼初始种群：即162组消波翼初始参数方案，如表3所示，表3中5个参数所取初值进行全排列组合即得162组消波翼初始参数方案。

表3 200吨实艇初始消波翼参数组各组参数(初始种群及其个体)

④消波翼参数优化设计计算(核心步骤)：据取定的航速V＝22kn，取定的消波翼输入参数，按表3所示162组消波翼初始参数方案(初始种群)，运行MATLAB兴波阻力理论与遗传算法优化计算程序，得出消波翼参数优化设计计算果。对优化设计计算结果略加整理(主要是数值取整，以便于实用)后的消波翼优化参数如表4所示。

⑤设置消波翼前后的艇总阻力曲线、减阻效率曲线计算：将消波翼参数优化设计计算结果，以及设计航速、其他消波翼参数输入数据代入兴波阻力计算公式即可求出兴波阻力，加上按ITTC-57公式求出的摩擦阻力后即得加消波翼高速三体船总阻力；将兴波阻力计算公式中与消波翼影响相关项去除(或取为0)，代入不加消波翼高速三体船(称为光体高速三体船)船型资料数值即可求出光体高速三体船的兴波阻力，加上按ITTC-57公式求出的摩擦阻力后即得光体高速三体船总阻力，进一步可求出减阻效果η。上述计算结果绘成函数曲线如图10、11所示，图10、11相应数据在表5列出。如图11、表5所示，200吨三体高速艇消波翼最大减阻效率为13.3％，最大减阻效率航速为23.7kn，适用的航速约为17kn～40kn。

表4 200吨实艇消波翼参数

表5 200吨高速三体船消波翼减阻效果随航速变化关系

实施例三

根据图1-9、图12-13所示，一种高速三体船消波翼，按200吨高速三体船消波翼优化设计方法，对300吨三体高速艇消波翼参数进行了优化设计并预报了减阻效率，消波翼设计参数如表6所示，设置消波翼前后的艇总阻力曲线如图12所示，减阻效率如图13所示，图12、13相应数据在表7列出。如图13、表7所示，300吨三体高速艇消波翼最大减阻效率为13.5％，最大减阻效率航速为23.7kn，适用的航速约为18.8kn～43kn。

表6 300吨实艇消波翼参数

表7 300吨高速三体船消波翼减阻效果随航速变化关系

实施例四

根据图1-8、图14-15所示，一种高速三体船消波翼，按200吨高速三体船消波翼优化设计方法对400吨三体高速艇消波翼参数进行了优化设计并预报了减阻效率，消波翼设计参数如表8所示，设置消波翼前后的艇总阻力曲线如图14所示，减阻效率如图15所示，图14、15相应数据在表9列出。如图15、表9所示，400吨三体高速艇消波翼最大减阻效率为13.6％，最大减阻效率航速为23.7kn，适用的航速约为19.7kn～45kn。

表8 400吨实艇消波翼参数

表9 400吨高速三体船消波翼减阻效果随航速变化关系

Claims (3)

1.一种高速三体船消波翼，其特征在于：在高速三体船型中体首部水线下的近水面位置设置有消波翼。

2.根据权利要求1所述的高速三体船消波翼，其特征在于：在高速三体船型中体首部水线下的近水面位置两侧设置有消波翼。

3.根据权利要求1所述的高速三体船消波翼，其特征在于：在高速三体船型中体首部水线下的近水面位置设置有消波翼，消波翼剖面型式为弓形、机翼形。 

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