毛建辉，邢 磊，符 毅，张宇凡

（1.中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011；
2.上海船舶运输科学研究所有限公司，上海 200135；
3.中交上海航道局有限公司，上海 200002）

快速性和操纵性是船舶的重要性能，对于耙吸挖泥船来说尤其重要，直接关系到其航行和疏浚作业的安全性和经济性。为追求装载最大化，近年来耙吸挖泥船普遍采用肥大型设计，相比20世纪90年代中期，其大型化趋势越来越明显：船长船宽比（L/B）的平均值由以往的5.54减小为目前的4.40，个别船型的L/B已小于3.90；
宽度吃水比（B/T）由以往的2.14增大为目前的3.26，个别船型的B/T突破了3.43；
方形系数（Cb）从20世纪90年代中期的0.86逐次增大，目前直逼0.90。这些变化虽然能提升船舶的经济效益，但给其总体性能设计带来了很大挑战。

目前国内外有关耙吸挖泥船快速性的研究已有很多，主要通过对艏部采用球鼻艏、对艉部采用球艉或双艉鳍等线型优化措施提高船舶的阻力性能和推进性能。对于耙吸挖泥船的操纵性，由于该类型船具有肥大船型特征，故其回转性能较好，但其航向稳定性较差。由于耙吸挖泥船需在繁忙的航道开展疏浚作业，因此国内外学者对其操纵性研究非常重视，主要通过在艏部设置艏侧推，在艉部采用双机双桨，甚至采用舵效良好的鱼尾舵或襟翼舵，获得良好的操纵性能。对于耙吸挖泥船的航向稳定性，该类型船在低速挖泥时需具有良好的航向稳定性，使船舶轨迹近似于直线，避免因航向不稳定而引起漏挖或超挖现象，提高挖泥作业的质量和效率，目前国内外有关该内容的研究相对较少。董蕾等［2］分析了影响船舶航向稳定性的因素，给出了相应的补救措施，其提到呆木作为一种改善船舶航向稳定性常用的附体形式，广泛应用于肥大型船舶中。曹留帅等［3］采用“分离型”操纵性数学模型预报了呆木对舰船操纵性的影响，得到了呆木面积与航向稳定性成正比的结论。赵小仨等［4］通过研究得到了水动力导数随呆木面积变化的趋势图。本文以某耙吸挖泥船为例，分析呆木对船舶的阻力性能、操纵性和航行稳定性等性能的影响，并介绍2种呆木线型设计方案，通过开展航行和挖泥作业2种工况下的阻力和自航模型试验，比较这2种方案的优劣。该耙吸挖泥船长约88 m，宽约22 m，吃水约5.5 m，L/B=4.0，B/T=4.0，Cb≈0.89，肥大船型特征明显。

1.1 对快速性的影响

为得到呆木对船舶快速性的影响，开展有呆木和无呆木2种方案下的快速性模型试验。根据文献［5］中的模型阻力试验结果，有呆木线型（双艉鳍船型+呆木）与无呆木线型（双艉鳍船型）相比，在设计航速（12 kn）附近，有呆木线型的剩余阻力系数Cr比无呆木线型大6.1%。也就是说，加装呆木之后，船舶的湿表面积增大，且艉部流态受呆木的影响，导致船舶的黏压阻力增大，因此对阻力性能不利（有效功率增加约4.0%），见图1，其中EHP为有效功率（Effective Horsepower），vs为航速。另外，根据船模自航试验，有呆木线型的总推进效率比无呆木线型低约0.8%，这也说明无呆木线型螺旋桨处的流场比较均匀，推进性能比较好。由此可知，与无呆木线型相比，加装呆木之后船舶的阻力增加，推进性能下降，在相同的推进功率下航速下降约0.1 kn。因此，若船舶对航向稳定性没有特殊要求，建议不设置呆木。

图1 呆木对船舶快速性的影响

1.2 对操纵性的影响

随着船舶Cb/（L/B）的增大，其回转阻尼明显减小，应舵迟钝，操纵性在零舵角附近具有不稳定环线。文献［6］介绍了一艘Cb/（L/B）=0.126的油船的螺线试验结果，见图2，其中δ为舵角，r为角速度。由图2可知，该船的航向不稳定。

图2 Cb/（L/B）=0.126的油船的螺线试验结果

本文所述船舶的Cb/（L/B）=0.218，其肥大型特征比图2所示油船明显，其操纵特性在零舵角附近也具有不稳定环线，特别是在低速挖泥时表现为应舵响应慢，需频繁操舵校正船位，甚至会出现船尾来回摆动的情况，必须予以特别关注。

在方案设计初期，通过经验公式对该船的航向稳定性进行估算。根据斯米特对35艘不同类型商船的约束船模试验数据，归纳出判别航向稳定性的Δc的简略计算公式为

式（1）中，Lbp、B、T和Cb分别为船长、船宽、吃水和方形系数。当Δc＞0时，该船航向稳定，否则航向不稳定［6］。

根据式（1）得到本文所述船舶的Δc=-13.4，说明该船属于航向不稳定船舶，需采取措施提高其航向稳定性。根据曹留帅等［3］和VANTORRE针对呆木对船舶操纵性的影响开展的研究，初步估算呆木对本文所述船舶操纵性的影响，主要结论如下：

1）呆木对船舶航向稳定性的改善程度与呆木面积成正比，航向稳定性指数最大增加约7.0%；

2）呆木对船舶定常回转直径的增加量与呆木面积成正比，定常回转直径最大增加约1.6%；

3）呆木对船舶转艏性（初转期）的影响不敏感，但第一超越角会有所减小，即呆木对改善船舶的转艏性有利。

由此可知，呆木对该船的航向稳定性的影响非常明显，对其回转性和转艏性的影响不是很明显，因此呆木对该船的操纵性的影响主要体现在改善其航向稳定性方面。

综上所述，设置呆木会增加船舶的阻力，降低船舶的推进效率（在相同推进功率下航速下降约0.1 kn）和满舵时的回转性（定常回转直径最大增加约1.6%），但能大大改善船舶的航向稳定性（航向稳定性指数最大增加约7.0%）。因此，基于耙吸挖泥船对总体性能的实际需求，综合考虑上述因素，认为该船应设置呆木。

在设计呆木时，主要考虑以下2个方面的内容：

1）尽量增大侧投影面积，以提高船舶的航向稳定性；

2）在侧投影面积不变的情况下，尽量减小呆木阻力，以提高螺旋桨的推进性能。

根据本文所述船舶艉部的实际线型，以及文献［3］和文献［4］针对呆木面积对船舶操纵性的影响开展的研究，本文所述船舶的呆木从中纵剖面的舵中心线处延伸至船底，侧面积约为18 m2，约占船舶侧投影面积的5.23%。选取2种呆木线型设计方案，具体如下：

1）方案一为流线型呆木，前半部分线型先将船舶中心线处的水流引导至螺旋桨面处，以增大螺旋桨盘面处的水流总量，再将其收缩至中线面处，以期通过设计呆木线型改善螺旋桨桨盘处的伴流，提升螺旋桨的推进性能，见图3；

图3 流线型呆木

2）方案二为常规平板型呆木，见图4。

图4 常规平板型呆木

上述2种方案的呆木侧投影面积基本一致，方案一的呆木体积比方案二大17 m3。由于耙吸挖泥船艉部的双艉鳍线型和附体非常复杂，艉部流场数值计算比较困难，因此采用模型试验的方法比较这2种方案在航行和挖泥作业2种工况［7］下的阻力和推进性能的优劣（2种方案仅呆木线型不同，船体线型和导管螺旋桨参数都相同），以确定最终选用的呆木设计。

该船的所有船模试验都在上海船舶运输科学研究所有限公司的拖曳水池内完成，该水池长192 m，宽10 m，水深4.2 m。船模缩尺比为16.470 5，船模水线长5.555 4 m，推进器为导管桨SKEW-4，桨径为0.17 m。呆木模型见图5。阻力试验和自航试验中的水池阻塞修正公式为

图5 呆木模型

式（2）中：ΔV为水池阻塞修正的速度修正量；
V为拖车速度；
m1=a/A为阻塞比；
a为船模舯横剖面面积；
A为水池断面面积；
Frh=v/为水深弗劳德数；
h为试验水深。

全附体阻力试验采用二因次法将船模阻力试验结果换算到水温为15 °C的实船上［7］，其中摩擦阻力采用1957年国际拖曳水池会议（International Towing Tank Conference，ITTC）公式计算，对实船补贴时，粗糙度补贴系数取0.7×10-3。试验结果见表1和表2［5］。

表1 自由航行工况下2种方案的阻力性能比较

表2 挖泥工况下2种方案的阻力性能比较

自航试验是按强迫自航方法进行的，每种船速vm下变换4个螺旋桨转速，分别测量螺旋桨的推力Tpm、转矩Qm、转速nm、导管推力Tnm和作用在船模上的强制力F。对测量得到的数据进行插值，得到自航点F=Fd（Fd为摩擦阻力修正值）处的螺旋桨推力Tpm、转矩Qm、转速nm和导管推力Tnm。摩擦阻力修正值Fd的计算公式为

试验结果见表3和表4［5］。

表3 自由航行工况下2种方案的推进性能比较

表4 挖泥工况下2种方案的推进性能比较

在自由航行工况下，由表1和表3可知：

1）在阻力试验中，方案一的阻力比方案二大，这主要是由于流线型呆木的湿表面积较大，因此摩擦阻力较大，但二者差距不大（在设计航速12 kn下二者的有效功率相差0.76%）。

2）在自航试验中，由于螺旋桨盘面处存在势伴流、摩擦伴流和波浪伴流，对于本文所述船舶来说摩擦伴流是总伴流中的主要成分，因此方案一虽然湿表面积较大，摩擦伴流通常会比较大，但因其具有流线型特征，伴流分数ω比方案二小；
方案一的呆木体积较大，这使得其推力损失较大，因此其推力减额t比方案二大。

总体来说，在设计航速（12 kn）下，方案一的总推进效率比方案二小约4%。

在挖泥工况下，由表2和表4可知：

1）在阻力试验中，由于航速较低，方案一的阻力与方案二基本相同（二者相差约1 kW）。

2）在自航试验中，由于摩擦伴流在总伴流中占比较大，因此与自由航行工况类似，方案一的伴流分数ω比方案二小，二者差异比较大（航速为4.0～6.5 kn时，ω相差0.17%～24%，这主要是由于此时航速较慢，伴流更不均匀），二者的推力减额差异较小（0～7%）。

总体来说，挖泥工况下2种方案的总推进效率差异没有自由航行工况明显（相差1%～2%）。此外，挖泥工况下最重要的螺旋桨除了用于推进船舶前进以外，还能提供拖力Fts，方案一的拖力Fts比方案二略小（航速为6.5 kn时，拖力小3.6 kN）。

综上所述，不管是自由航行工况还是挖泥工况，方案一与方案二的阻力性能和推进性能差异不大，方案二略好些，主要原因是流线型呆木的推力减额比较大。此外，方案二具有建造简单的优势。因此，综合考虑之后，建议采用方案二。

通过对耙吸挖泥船的呆木设计进行分析，主要得到以下结论：

1）对于肥大型耙吸挖泥船来说，呆木虽然会略微增加船舶的阻力和略微降低船舶的推进效率，但能大大改善船舶的航向稳定性，因此建议设置呆木；

2）通过开展模型试验发现，对于耙吸挖泥船来说，不管是航行工况还是挖泥工况，常规平板型呆木在阻力性能和推进性能方面的表现都比流线型呆木更好，因此建议采用常规平板型呆木。

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