船舶首尾形状的研究

船舶首尾形状的研究摘要：首尾分别位于船舶的最前端和最后端，线性变化复杂，主要受局部外力的作用，其形状结构对船舶的推进性能及耐波性等都有一定的影响且与船体中部有很大的不同。本文对船舶首尾的横剖面形状，首尾柱形状，特别是球鼻船首进行了概括性的介绍和研究。一、首尾横剖面形状船的横剖面形状，特别是首尾附近的横剖面形状不仅对阻力性能有影响，而且对船的推进性能及耐波性等都有一定的影响，因此在选择横剖面形状时要总和考虑。1.横剖面形状的形式在一定的横剖面面积曲线下首尾各站的横剖面面积也就确定了。但具体的横剖面形状与满载水线形状密切相关。换句话说，横剖面形状在很大程度上已为满载水线形状所决定。横剖面形状通常有两种形式，即U形和V形。按程度不同又可分为极端U形、V形和缓和U形、V形（又称中U形和中V形），如图1所示。图1不同的剖面形状U形剖面的特点是：横剖面面积沿垂直方向分布比较均匀，它在满载水线处较窄，故应与凹形水线相配合；而V形剖面的特点是：横剖面面积比较集中于上部，因此它在满载水线处较宽，故应与凸形或直线水线相配合。2.横剖面形状对阻力影响及选择横剖面形状的变化对摩擦阻力的影响较小，对剩余阻力影响较大，对于不同速度的船舶应兼顾阻力、推进和耐波性等方面的要求选择首尾横剖面形状。（1）首部横剖面形状。低速船取V形较佳，因为它的湿面积较U形略小，可减小摩擦阻力。同时它的水下部分较瘦，且易于使水流沿纵剖线方向流动，以减小舭部产生的旋涡，所以对阻力性能有利；一般对中高速船以采用U形为佳，虽然U形的湿面积相对于V形略大，但U形可使较多的排水体积分布于满载水线以下，满载水线处较尖瘦，可以减少兴波阻力。但应注意对中、高速船避免采用极端U形，否则由于舭部曲率半径过小，易于产生舭涡，于阻力性能反而不利。另外对于更高速的快艇均采用V形剖面，这主要考虑提高水动力特性和改善耐波性能。（2）尾部横剖面形状。从阻力观点来看，采用V形剖面的优点除湿面积略小外，主要是V形剖面与较宽的满载水线相配合，使水下部分较瘦削，尾部纵剖线较平顺不易产生分离，不但对阻力性能有利，且螺旋桨效率不受影响。另外较宽的水线更适于布置双桨，因此双桨船的尾部一般均采用V形剖面。但从推进观点来看，尾部采用U形剖面可使伴流比较均匀，船体震动较小，特别对提高单螺旋桨船的推进效率有利。所以实际应用中，有的将尾部V形横剖面在接近推进器处逐渐改为U形，以获得两种剖面线型都有的优点。船首尾剖面形状的配合目前尚无定论。一般认为：首部剖面形状主要从阻力和波浪中的失速来考虑；尾部剖面形状应结合推进效率考虑，同时要注意首尾部线型的平顺过渡。二、船舶首尾柱形状1.船首柱形状船舶最前端部分，由龙骨线到船体的顶部，称为首柱。其侧形具有不同的形式，如图2所示。其中图（a）为垂直式船首；图（b）为倾斜-垂直式船首（简称斜直式）；图（c）为倾斜是船首；（d）为球鼻船首；图（e）为飞剪式船首；图（f）为破冰型船首。图2各种船首的形状垂直式船首，系将整个首柱作成垂直形式，当航行过程中产生尾倾时，船的首柱将向后倾倒，所以目前一般都不采用这种形式。斜直式船首，系将首柱在满载水线以上部分作成前伸形式，满载水线以下部分仍保留垂直式。斜直式船首可使满载水线以上的首部变得瘦削，前肩缓和，有利于减少船在波浪中的纵摇和升沉运动。同时还可增加甲板面积，有利于甲板机械的布置。这种船首也比较美观，故目前采用较多。倾斜式船首，系将整个船首作成前倾形式。倾斜式船首可使满载水线以上部分的水线较为瘦削，同样具有减少纵摇运动，降低波浪总的阻力增值，增加甲板面积，改善淹湿性和比较美观等优点。但应该注意的是：如采用倾斜式船首，满载水线以下不宜切去过多，否则缩短了水下部分的水线，对阻力性能不利。球鼻船首，就是满载水线以下的船首柱处加装一个球形突出体。在不同船舶上采用球鼻船首常能取得减少兴波阻力、破波阻力和舭涡阻力等效果。因此不少船，特别是一些大型船舶采用者甚多，但其缺点是制造工艺较复杂，对首锚的使用有时会受到影响。关于球鼻船首在本节后面将作进一步说明。飞剪式船首，首柱侧形呈凹形曲线向前伸出在设计水线之前，且有一较大的悬伸部。破冰型船首，设计水线以下的首柱侧形与基线间的夹角小于45°，此种船首用于破冰船。2.船尾柱形状船尾部形状常见的有三种，如图3所示。其中图（a）为椭圆船尾；图（b）为巡洋舰船尾；图（c）为方尾。椭圆形船尾的特点是尾柱取垂直形式，因其尾部甲板呈椭圆形而得名。以往民用船都采用这种结构简单的船尾形式，目前已为巡洋舰尾所代替。巡洋舰型船尾的特点是将满载水线附近的尾部水线向后作适当延长。由于其相当于增加水线长度，可有利于减少兴波阻力和粘压阻力。此外，船尾甲板面积增加，有利于增加初稳性，并便于布置舵机等，同时对螺旋桨和舵有保护作用，可提高推进效率。它的缺点是构造较为复杂且后垂线处的船体应力将加大，故目前大船都将满载水线以上的船尾部作成斜直平面，便于施工。方尾的特点是将船尾端作成刀切似的平直状，其各水线面的尾部形状接近方形，或呈弧形方角，故称为方尾。Fr＞0.4的各种舰艇，特别是快艇和驱逐舰均采用方尾，故也称为驱逐舰式船尾。图3各种船尾外形三、球鼻船首1.减阻原理安装球鼻船首在不同情况可以减少不同的阻力成分：（1）减少兴波阻力。对于Fr在0.27~0.34之间的中高速船，安装球鼻船首可以降低兴波阻力。魏格来曾作过理论研究，认为在水下运动的球鼻船首亦将产生波浪。如球鼻的大小和位置选择适当，则在一定速度范围内，球鼻船首产生的波系与船体波系可能发生有利干扰作用，合成波的波高将降低，兴波阻力将下降。（2）减少舭涡阻力。多少年来球鼻船首仅应用与速度较高的瘦削船型，但近年来许多低速度的肥大船型采用球鼻船首后，阻力性能亦得到明显改善。安装目前一般的看法，对于航速在Fr=0.20以下的肥大型船（通常指Cb在0.80左右的大型散货船和油轮等），加装球鼻船首后减少阻力的原因是：满载是主要是减少艏部舭涡，压载时主要是减少破波阻力。肥大船在航行时常常会产生埋首现象。这是由于船首底部发生大量旋涡，其结果消耗能量，增大阻力。当肥大型船安装球鼻船首后，可使水流近于径向对称流动，船首底部不产生旋涡运动，从而达到降低阻力和减少埋首现象的目的（3）减小破波阻力。对于一些低速肥大型船舶，如采用球鼻船首，在压载状态下，在低速时，其阻力较普通船首者高，而在较高速时，却能显示较大的减阻效果。2.球鼻船首的形式球鼻船首的形式有很多，现介绍几种常见的形式，如图4所示。（1）水滴形球鼻是出现最早、应用较广的一种球鼻船首。其横剖面的形状是上部小，下部大，呈水滴形，因而得名。在船型较瘦航速较高的船上常采用这种球鼻船首。（2）S-V形球鼻，这种球鼻的纵剖面呈S形，而横剖面呈V形。故称为S-V形球鼻。这种球鼻的适用性较广，不但适用于高速和中低速船，而且在满载和压载状态下一般都能起到减阻作用。（3）撞角形球鼻，这种球鼻的前端较尖，呈尖角状。其横剖面形状大致呈椭圆形。一般说来，低速肥大型船如采用这种球鼻船首，在满载和压载状态下可望获得良好的减阻效果。此外，还有所谓圆柱体型和椭球体型球鼻，其特点是前端呈球面，而球鼻本身的形状是一圆柱体或椭球体。图4几种常见球鼻首形状