一、背景介紹

美國海軍水面戰(zhàn)中心卡德洛克分部（Carderock Division，Naval Surface Wafare Center，NSWCCD）之前又稱“David Taylor船模試驗池”（DTMB），它在過去一個世紀是美國海軍研究與開發(fā)領域內(nèi)的主要國防機構。20世紀60年代和70年美國海軍艦船工程中心（Naval ship engineering center，NAVSEC）——現(xiàn)稱“海軍海上系統(tǒng)司令部”（Naval sea systems command，NAVSEA）——是美國海軍戰(zhàn)后大部分艦船項目的設計機構。據(jù)了解，DTMB公司是與NAVSEA聯(lián)系密切的主要試驗機構，特別關注船型開發(fā)和水動力研究。近些年來，隨著美國海軍艦船采購戰(zhàn)略的改變，造船業(yè)界在船舶整個設計過程中承擔更大的責任，新的采購戰(zhàn)略賦予了造船界提供創(chuàng)新、可生產(chǎn)和造價可承擔的設計方案。經(jīng)過近十年采購戰(zhàn)略的實施，NSWCCD不再是美國海軍所有新船設計項目的唯一試驗機構，但其經(jīng)驗、設計歷史、理念仍對目前的海軍艦船設計具有十分重要的影響。

本文通過參考水動力相關文獻，簡介美國海軍在一些艦船項目研究中的水動力性能局部的設計與優(yōu)化，主要分水動力設計優(yōu)化的應用發(fā)展與案例分析兩部分進行介紹。此外，考慮到目前CFD等水動力計算軟件在新船開發(fā)和設計中發(fā)揮越來越重要的作用，本文還介紹了目前美國海軍正在開發(fā)的部分水動力軟件以及在高速運輸艦項目上的軟件應用。

二、美國艦船水動力的局部設計與優(yōu)化

NSWCCD在短期海上補給項目、中期的海上補給項目T-AKE、高速半滑行船體、LHA（R）Plug Plus以及高速航母等項目的研發(fā)中，通過與NAVSEA聯(lián)合開發(fā)獲得了一些有價值的船型設計，包括適中的Nabla球首、橢圓球首、pre-swirl banana skeg、producible skeg/中線面尾鰭、和尾壓浪板。以下將對美國海軍艦船的局部水動力設計進行闡述。

（一）船首水動力設計與優(yōu)化

1．適中的Nabla球首

（1）概述

從表面上看，美國海軍的軍輔船（例如T-AKE、T-AO）與民用船舶（集裝箱船、豪華旅游船等）在船形上類似，實際上它們之間的船體設計限制條件和操作模式存在極大的不同。美國海軍大多數(shù)軍輔船的持續(xù)航速為20~24 kn，但大部分時間的航速不超過16 kn。而且NAVSEA估計所有新建海上補給艦船的操作模式是70%的時間處于設計排水量狀態(tài)，30%的時間處于壓載狀態(tài)。這種慣例深刻影響NAVSEA對新設計艦船的續(xù)航力和全壽命周期的評估，進而影響NAVSEA的決定：若壓載工況下的不佳性能會造成能耗高，那么此類設計方案不采納，例如LHA、CVV、T-AO 187和雙尾鰭T-AO。

在過去的十幾年中，采購改革使得美國海軍所有軍輔船的設計和建造均由產(chǎn)業(yè)界完成，包括LMSR和T-AKE。在上述項目的評估中，NSWCCD注意到9種船形方案，其中LSMR有6種，T-AKE有3種，其中8種得到了歐洲模型試驗的支持。不過，這兩型船體的設計方對美國海軍設計慣例（速度-時間模式、載荷/壓載操作模式）缺乏了解，其設計主要基于現(xiàn)有民船，例如采用豪華旅游船和集裝箱船上常見的大尺寸鵝頸（gooseneck）型球首。這種球首設計可能會出現(xiàn)自由表面以上浸沒以及可能無法接受的船首波等現(xiàn)象，尤其是在海上補給過程（12~16 kn航速）和近壓載狀況下。在海上補給時，還會出現(xiàn)的問題包括補給船施加給接收船的大首波。例如T-AKE設計，即便合同已經(jīng)授予，但最終更改了球首的設計。

2．橢圓球首（Elliptical Bulbous Bows）

（1）概述

橢圓球首并不是一個新概念，美國海軍最初采用該型球首的艦船是MARAD預置船（MARAD C7-5-M134a）和LSD 41級登陸艦。這兩型艦船采用了球形球首和橢圓球首進行了試驗，試驗均表明橢圓球首總體性能更優(yōu)。不過LSD 41最終選擇了球形球首，主要因為其建造成本低。但后來的實踐證明，選用球形球首并不是一個好方案，因為從整個壽命周期角度看，橢圓球首的成本更低。美國海軍首艘采用橢圓球首設計的艦船之一是AE 36艦船，采用近似橢圓橫剖面的球首（Nabla細長版），橫剖面圖見圖2。近二十年以來，AE 36憑借其優(yōu)異的阻力性能成為各類新設計艦船的先驅。

近年來美國海軍設計和建造了一些采用橢圓形球首的艦船，如CVN 76航母、兩棲攻擊艦LHA（R）Plug Plus。它們均在中高速范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好或優(yōu)異的性能，在低速范圍內(nèi)的性能損失較小。

（二）船尾水動力設計與優(yōu)化

1．pre-swirl banana skeg

1994年，NSWCCD受命評估短期戰(zhàn)略海上補給項目中所有船廠的船形方案，該項目后變更為大中型滾裝船（LMSR）。船廠共提供了7種設計方案，其中2種方案采用雙尾鰭。為評估各種船形的性能，NSWCCD修改了海軍的要點設計（point design）要求，特別是評估雙尾鰭而非最初的軸系與軸架結構。其中一型最佳設計是pre-swirl banana skeg（model 5490-4），采用了曲線橫剖面，這樣尾鰭可為螺旋槳產(chǎn)生一個預旋流體，這種流體不僅可以改善內(nèi)旋螺旋槳的效率，相比于典型雙尾鰭結構以及常規(guī)軸系和軸架結構，還可以明顯減小附體阻力。而且，pre-swirl banana skeg較其他雙尾鰭結構具有最小的阻力，原因是預旋流體能夠減小與尾鰭相連的邊界層厚度。pre-swirl banana skeg線型見圖3。該型船的水線長為282.54 m，寬32.15 m，船深10.55 m，排水量為67748 t，方形系數(shù)為0.688，棱形系數(shù)為0.702，橫剖面系數(shù)為0.980，縱向浮心/水線長為0.532。

事實證明，pre-swirl banana twin-skeg設計明顯優(yōu)于其他設計方案。Model 5490-4方案顯示出極好的性能，遠好于海軍的要點設計要求（Model 5490），在航速為20 kn時單位排水量的功率需求減少17%，航速為24 kn時減少10%。此外，還可以通過選擇合適伴流的螺旋槳設計而降低2%的能耗。

2．producible skeg（減輕伴流中線面尾鰭）

（1）概述

在進行中期海上補給設計項目時，NSWCCD負責一型民用可行的海上補給設計創(chuàng)新概念的研發(fā)。基準船體定為單槳設計。該項目設計和試驗了多種球首、船尾、中線面尾鰭、雙尾鰭和推進裝置，其中部分最終方案還進行了伴流測量試驗，這一點非常重要，因為螺旋槳產(chǎn)生的振動會形成空泡、螺旋槳腐蝕以及船舶尾鰭振動問題。美國海軍近期建造的單槳船舶之一是AO-177，振動問題的最終解決消耗了不低的成本，利用螺旋槳上方的縱向鰭改善伴流場和進行螺旋槳重新設計才得以解決問題。

3．尾壓浪板（stern flap/step flap）

（1）概述

尾壓浪板的作用是修正船傾，降低功率需求，一直應用在小艇領域，后來Admiralty海洋技術機構（AMTE）將尾壓浪板引入大排水量船體——護衛(wèi)艦領域，20世紀90年代初尾壓浪板應用更加廣泛，從高速巡邏艇到大型低速輔助艦/兩棲艦艇。美國海軍自1989年開始首次在艦艇上安裝尾壓浪板，截至2012年，美國海軍和海岸警衛(wèi)隊共有14級艦艇安裝了約180塊尾壓浪板，服役總年限超過1300年，共計節(jié)省燃料費用7.95億美元，其中7個級別的艦艇進行了全尺度試驗，安裝在作戰(zhàn)艦艇、輕型護衛(wèi)艦、巡邏船等上的全尺度尾壓浪板的試驗表明，船舶性能明顯改善。對于兩棲艦艇而言，共有13塊尾壓浪板安裝在6級兩棲艦艇上，其中3個級別的艦艇為新建，另外3個級別為改裝，節(jié)省燃料費用超過1100萬美元。詳見表1。    

尾壓浪板可以減少推進功率需求和廢氣排放，節(jié)省大量燃油成本，增加艦船續(xù)航力和最大航速。可以在船舶動力需求與發(fā)動機操作范圍達到平衡，這可以增加發(fā)動機檢修的間隔時間，延長機器設備的使用壽命。還可以降低螺旋槳負載、空泡、振動和噪聲等問題。如果尾壓浪板應用在新船上，尾壓浪板還可以增大速度、續(xù)航力、裝載能力，減少推進系統(tǒng)所需功率和尺寸，降低采購成本。

但是，這種節(jié)能效果并不完全適用于整個速度范圍，水池試驗表明：傅汝德數(shù)較低時，尾壓浪板的船模數(shù)據(jù)不佳，當尾板或尾壓浪板浸沒深度增大時，功率損失增加。2005年研究表明，尾壓浪板在低速時阻力性能不佳歸因于其垂向位置。船模試驗記錄了低速時的流體數(shù)據(jù)，流線譜表明與無尾壓浪板條件相比，浸沒較深的尾壓浪板常會增加與船軸相反的渦系。NSWCCD得出結論：減少或消除渦系的最優(yōu)辦法是重新布置尾壓浪板的位置，這樣尾壓浪板可以成為阻止渦系形成的端板，這種想法類似于飛機上常用的減少翼尖渦流的端板或翼梢小翼，這樣翼尖的有效面積或升阻比會增加。

NSWCCD將這種位置改變的尾壓浪板稱為“step flap”，其垂向位置與標準的尾壓浪板不同，后者一般與船尾端部保持平齊。而Step flap的有效位置位于作業(yè)水線和船尾最下部之間的中間區(qū)域，這種布置基于大量船模試驗，包括半滑行船體、大型航母、低速兩棲艦等。

三、水動力分析工具

水動力的分析包括主船體、附體和螺旋槳的優(yōu)化，具體包括針對阻力的船形尺度優(yōu)化、船首形狀參數(shù)的優(yōu)化、船首或船尾側推形狀的優(yōu)化、推進附體的形狀優(yōu)化等。水動力優(yōu)化既可以通過船模試驗進行分析，也可以利用水動力計算軟件等進行模擬，例如20世紀80年代末NSWCCD在優(yōu)化驅逐艦的尾楔的水動力設計時，尾楔設計組合使用了船模試驗和XYZFS勢流計算程序預報，最終設計表明新尾鰭既降低了低速時一般尾楔產(chǎn)生的功率損失，最大航速時可減少6%的收到功率，并且每年可減少約2%的燃油消耗。

據(jù)了解，過去三十多年，CFD在船舶水動力領域的應用取得了諸多發(fā)展與進步，從最初解決動量方程等式、邊界層、半拋物線雷諾平均（RANS）方程發(fā)展到全雷諾平均方程、六自由度（6DOF）運動預報以及運動控制器。目前船舶水動力學計算的最新研究方向是在百億網(wǎng)格上對多尺度、多物質(zhì)和多相位的船舶流體大渦模擬進行百億億次的計算。船舶水動力計算方法快速發(fā)展，包括建模、數(shù)值方法、高性能計算方法，這些計算方法的應用模型包括水動力、氣流和兩相流體求解器、紊流模型、界面模型、運動求解器、推進模型、海況或波浪模型等。水動力計算技術和方法的充分結合，促進了船舶水動力學在實船上的應用。

四、思 考

由于海軍艦船的要求與限制條件遠高于民船，除考慮壽命周期成本以外，其他方面比如螺旋槳振動和航向穩(wěn)定性有時可能也屬于優(yōu)先考慮因素，一些常規(guī)的首位形狀可以不適用。因此有必要開發(fā)新的船形，這樣就涉及到船舶水動力設計與優(yōu)化，鑒于上述可知：

（1）水動力優(yōu)化工具（軟件）對于水動力研究具有非常重要的作用和影響，為更好地開展水動力研究，建議國家和大型造船集團進一步開展和完善船舶核心和主流設計軟件的自主開發(fā)與技術引進的長期戰(zhàn)略規(guī)劃，加強與國際國內(nèi)軟件企業(yè)的合作，爭取短期內(nèi)實現(xiàn)軟件的二次開發(fā)應用，在長期階段實現(xiàn)核心軟件的國際合作開發(fā)和自主開發(fā)。

（2）從企業(yè)和研究機構的角度來看，建議研究機構更加注重水動力等基礎性能研究和工程應用，健全技術創(chuàng)新機制，培育具有國際視野和涉足前沿技術的高端技術人才。注重前沿技術、理論方法的跟蹤與研究。

此外，根據(jù)美國海軍的新船型的研發(fā)歷程可知，企業(yè)加強與海軍研發(fā)機構的聯(lián)系有助于技術的創(chuàng)新，促進船舶水動力發(fā)展。

（3）從具體的產(chǎn)品類型，短期內(nèi)可以選擇對船型局部進行優(yōu)化，包括首尾等，選擇某一類或幾類艦型做試驗，積累經(jīng)驗后再判斷是否適合推廣。將理論分析與試驗分析組合在一起，以便能夠提高水動力設計的精準度。

本文來自：MARIC情報站