用于中高速船舶的多功能尾翼及其设计方法与流程

1.本发明涉及船舶尾翼技术领域，尤其是一种用于中高速船舶的多功能尾翼及其设计方法。


背景技术：

2.近年来，人们对船舶的快速性能、安全性能要求越来越高。
3.良好的船舶水动力性能除了能增加船舶航行的安全性和舒适性外，对船舶的节能和经济性也会有很大的提升。新造船可以通过设计更佳的船型方案来保证较好的水动力性能，但对于已投入运营的旧船而言，改善其水动力性能不能影响船舶整体结构，通常通过增加外挂式水动力装置来实现。


技术实现要素：

4.本技术人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的用于中高速船舶的多功能尾翼及其设计方法，能有效的利用绕流场中有利于船舶水动力性能的流动特征，达到改善整船水动力性能的作用；同时能够产生向前的推力、抑平船舶艉部兴波，克服运行阻力、减轻船舶横摇、纵摇和垂荡问题。
5.本发明所采用的技术方案如下：
6.一种用于中高速船舶的多功能尾翼，安装于船尾处，沿背离船体斜向水下方向延伸；包括从船体上引出的支架、连接在支架上的翼板，
7.所述支架包括：
8.中支架，从船尾引出，且以船体的纵剖面对称设置，
9.侧支架，位于中支架两侧，且与中支架平行设置，
10.所述翼板包括：
11.平行翼，连接在中支架背离船体一侧，
12.后掠翼，位于平行翼两侧且与侧支架相连。
13.作为上述技术方案的进一步改进：
14.翼板面向水下的一侧为压力面，侧支架的末端超出翼板的压力面设置。
15.在平行翼外侧，船体的导边沿随边方向后掠，与随边形成恒定的后掠角α，α的范围为0-60
°
。
16.翼板的压力面与水平面之间形成攻角β，β的范围为0-15
°
。
17.船体导边与随边的距离定义为翼板的弦长d，翼板的展长为l1，平行翼的展长为l2，后掠翼的展长定为l3，l1、l2、l3满足如下关系：
18.l1＝l2+2
×
l3，
19.l1、l2小于船舶型宽，l3小于1/2的船舶型宽，d的范围为1/400船舶总长-1/30船舶总长。
20.一种用于中高速船舶的多功能尾翼，安装于船尾处，沿背离船体斜向水下方向延
伸；包括从船体上引出的支架、连接在支架上的翼板，
21.支架采用从船体上引出的中支架，中支架位于船体纵剖面上，中支架两侧对称设置有侧支架，
22.翼板包括与中支架相连的平行翼、位于平行翼的翼稍两端且与侧支架相连的后掠翼。
23.一种用于中高速船舶的多功能尾翼，安装于船尾处，沿背离船体斜向水下方向延伸；包括从船体上引出的支架、连接在支架上的翼板，
24.支架采用两个中支架，两个中支架以船体纵剖面为基准对称设置，
25.翼板采用两个平行翼，分别与两个中支架相连。
26.一种用于中高速船舶的多功能尾翼，安装于船尾处，沿背离船体斜向水下方向延伸；包括从船体上引出的支架、连接在支架上的翼板，
27.支架采用两个侧支架，两个侧支架以船体纵剖面为基准对称设置，
28.翼板采用两个后掠翼，分别与两个侧支架相连。
29.一种中高速船舶多功能尾翼的设计方法，采用计算流体力学数值计算方法，先模拟船舶周围流场，并计算设计航速下，船舶所受的总阻力和船舶带有各尺寸多功能尾翼时的总阻力，选取总阻力最小的方案。
30.一种中高速船舶多功能尾翼的设计方法，采用快速性模型试验方法，在拖曳水池中进行模型试验，分别对带有多功能尾翼的船模、不带多功能尾翼的船模进行阻力模型试验，选取总阻力最小的模型方案。
31.本发明的有益效果如下：
32.本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过在船尾设置多功能尾翼，从而降低船舶的阻力，达到船舶的节能的效果，从而降低船舶的eedi，并提高船舶航运过程中的经济性能；减轻船舶航行过程中的横摇、纵摇和垂荡，从而提升船舶安全性能，并提升船员和乘客的舒适性。
33.根据流体力学原理，对于本发明的多功能尾翼剖面，其安装在船舶尾流场时，压力面和吸力面受到的水流的压力是不同的。正常情况下压力面的压力更大，这就会在压力面与吸力面之间形成压力差。对于本发明来说，由于多功能尾翼攻角的存在，该压力差会产生向前的分力，从而产生了向前的合力，该合力通过多功能尾翼的支架作用于船体上，从而可以减少整船的阻力。
34.通过对船艉流场进行数值模拟，或模型试验研究，得到船舶尾部的流场细节，针对流场细节，专门设计多功能尾翼的尺度与位置，可以降低流体的垂向速度分量，从而平抑船舶艉部的兴波。
35.多功能尾翼不同的攻角和位置会在航行过程中导致不同的纵倾，通过对流场进行数值模拟和模型试验研究，寻找能达到特定纵倾角度的多功能尾翼方案，从而使船舶能达到预期的航行纵倾。
36.当船体在水中欲产生垂荡时，会在多功能尾翼上下表面产生与垂荡趋势方向相反的压力差，从而达到减少垂荡幅度的作用。同样，当船体在水中欲产生纵摇或横摇时，都会产生与运动趋势相反的力矩，从而减弱纵摇或横摇。特别是对于减弱纵摇有十分明显的效果。
附图说明
37.图1为本发明的翼板和支架整体结构示意图。
38.图2为本发明的多功能尾翼主视图。
39.图3为本发明船尾的多功能尾翼仰视图。
40.图4为本发明的单独一块多功能尾翼仰视图。
41.图5为本发明的多功能尾翼主视图用于体现后掠角。
42.其中：1、船体；2、中支架；3、侧支架；4、翼板；5、吸力面；6、随边；7、压力面；8、导边；
43.401、平行翼；402、后掠翼。
具体实施方式
44.下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
45.如图1-图5所示，本实施例的用于中高速船舶的多功能尾翼，安装于船尾处，沿背离船体1斜向水下方向延伸；包括从船体1上引出的支架、连接在支架上的翼板4，
46.支架包括：
47.中支架2，从船尾引出，且以船体1的纵剖面对称设置，
48.侧支架3，位于中支架2两侧，且与中支架2平行设置，
49.翼板4包括：
50.平行翼401，连接在中支架2背离船体1一侧，
51.后掠翼402，位于平行翼401两侧且与侧支架3相连。
52.翼板4面向水下的一侧为压力面7，侧支架3的末端超出翼板4的压力面7设置。
53.在平行翼401外侧，船体1的导边8沿随边6方向后掠，与随边6形成恒定的后掠角α，α的范围为0-60
°
。
54.翼板4的压力面7与水平面之间形成攻角β，β的范围为0-15
°
。
55.船体1导边8与随边6的距离定义为翼板4的弦长d，翼板4的展长为l1，平行翼401的展长为l2，后掠翼402的展长定为l3，l1、l2、l3满足如下关系：
56.l1＝l2+2
×
l3，
57.l1、l2小于船舶型宽，l3小于1/2的船舶型宽，d的范围为1/400船舶总长-1/30船舶总长。
58.本实施例的用于中高速船舶的多功能尾翼，安装于船尾处，沿背离船体1斜向水下方向延伸；包括从船体1上引出的支架、连接在支架上的翼板4，
59.支架采用从船体1上引出的中支架2，中支架2位于船体1纵剖面上，中支架2两侧对称设置有侧支架3，
60.翼板4包括与中支架2相连的平行翼401、位于平行翼401的翼稍两端且与侧支架3相连的后掠翼402。
61.本实施例的用于中高速船舶的多功能尾翼，安装于船尾处，沿背离船体1斜向水下方向延伸；包括从船体1上引出的支架、连接在支架上的翼板4，
62.支架采用两个中支架2，两个中支架2以船体1纵剖面为基准对称设置，
63.翼板4采用两个平行翼401，分别与两个中支架2相连。
64.本实施例的用于中高速船舶的多功能尾翼，安装于船尾处，沿背离船体1斜向水下
方向延伸；包括从船体1上引出的支架、连接在支架上的翼板4，
65.支架采用两个侧支架3，两个侧支架3以船体1纵剖面为基准对称设置，
66.翼板4采用两个后掠翼402，分别与两个侧支架3相连。
67.本实施例的中高速船舶多功能尾翼的设计方法，采用计算流体力学数值计算方法，先模拟船舶周围流场，并计算设计航速下，船舶所受的总阻力和船舶带有各尺寸多功能尾翼时的总阻力，选取总阻力最小的方案。
68.本实施例的中高速船舶多功能尾翼的设计方法，采用快速性模型试验方法，在拖曳水池中进行模型试验，分别对带有多功能尾翼的船模、不带多功能尾翼的船模进行阻力模型试验，选取总阻力最小的模型方案。
69.本发明的具体结构及原理如下：
70.如图1-图2所示，本发明的一个实施方案中，翼板4沿船舶的中纵剖面对称设置。且安装于舵后方、船艉下方或后方，由中支架2和侧支架3与船艉相连。侧支架3与尾翼的翼稍相连，侧支架3的末端稍稍超出压力面7，以利于消除多功能尾翼的稍涡。一般的下表面为压力面7，上表面为吸力面5，如图2所示。
71.结合参考图3，导边8在翼板4的船艏方向，随边6在船艉方向。一般情况下，导边8比随边6低。在对称面截得的剖面上，导边8与随边6的距离定义为多功能尾翼的弦长d；随边6垂直于船舶的中纵剖面，其长度l1即为多功能尾翼的展长。后掠翼402的展长定为l3。在尾翼中间部分，导边8垂直于船舶的中纵剖面，定义这一段为多功能尾翼的平行翼401，平行翼401的展长定义为l2；
72.在离开中纵剖面一定距离l2/2，即平行翼401外侧，导边8会向随边6方向后掠，并与随边6成一恒定的夹角α，定义这一段为多功能尾翼的后掠翼402，夹角α为后掠角，多功能尾翼压力面7与水平面的夹角，即尾翼的攻角定义为β。
73.在流场中，尾翼的压力面7与吸力面5之间会形成压力差，当存在该攻角时，压力差就会有向前的分量，其大小为δp
×
sinβ，该分量使得船舶在航行中产生了向前的推力。p为pressure,表示尾翼的表面压力，δp为压力面和吸力面的压力差。
74.平行翼401、后掠翼402和翼板4整体长度的关系满足下式：
75.l1＝l2+2
×
l3。
76.各角度尺寸范围如下表：
77.[0078][0079]
作为本发明的其中一个实施方式，翼板4全部由平行翼401构成，这时，没有后掠翼402，则此时l3＝0。
[0080]
作为本发明的另一种实施方式，翼板4由两个后掠翼402构成，这时，没有平行翼401，则此时l2＝0。
[0081]
当多功能尾翼的总展长l1较短或后掠翼402展长l3较短或无后掠翼402时，可只由两个侧支架3或两个中支架2与船艉相连。
[0082]
因此本多功能尾翼的支架组合方式有如下4种：
[0083]
2个中支架2+2个侧支架3，此时具有2个平行翼4012个后掠翼402；
[0084]
1个中支架2+2个侧支架3，此时具有2个平行翼4012个后掠翼402；
[0085]
2个中支架2，此时具有2个平行翼401；
[0086]
2个侧支架3，此时具有2个后掠翼402。
[0087]
多功能尾翼的特征尺寸、角度和具体安装位置视船舶的流场、设计航速，预先通过数值计算或模型试验确定。确定方法有如下两种：
[0088]
数值计算方法：采用计算流体力学方法，模拟船舶周围流场，并计算设计航速下船舶所受的总阻力和船舶带不同特征尺寸的多功能尾翼时的总阻力，选取总阻力最小的方案；
[0089]
模型试验方法：在拖曳水池中进行模型试验，分别对带与不带多功能尾翼的方案进行阻力模型试验，寻找最小总阻力的多功能尾翼方案。)，以达到最佳的节能或安全舒适效果。
[0090]
本发明采用多功能尾翼，能够在航行中改善船艉兴波；降低全船阻力；改善耐波性，进而提升船员和乘客的乘船体验。
[0091]
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

技术特征：
1.一种用于中高速船舶的多功能尾翼，其特征在于：安装于船尾处，沿背离船体(1)斜向水下方向延伸；包括从船体(1)上引出的支架、连接在支架上的翼板(4)，所述支架包括：中支架(2)，从船尾引出，且以船体(1)的纵剖面对称设置，侧支架(3)，位于中支架(2)两侧，且与中支架(2)平行设置，所述翼板(4)包括：平行翼(401)，连接在中支架(2)背离船体(1)一侧，后掠翼(402)，位于平行翼(401)两侧且与侧支架(3)相连。2.如权利要求1所述的用于中高速船舶的多功能尾翼，其特征在于：翼板(4)面向水下的一侧为压力面(7)，侧支架(3)的末端超出翼板(4)的压力面(7)设置。3.如权利要求1所述的用于中高速船舶的多功能尾翼，其特征在于：在平行翼(401)外侧，船体(1)的导边(8)沿随边(6)方向后掠，与随边(6)形成恒定的后掠角α，α的范围为0-60
°
。4.如权利要求3所述的用于中高速船舶的多功能尾翼，其特征在于：翼板(4)的压力面(7)与水平面之间形成攻角β，β的范围为0-15
°
。5.如权利要求1所述的用于中高速船舶的多功能尾翼，其特征在于：船体(1)导边(8)与随边(6)的距离定义为翼板(4)的弦长d，翼板(4)的展长为l1，平行翼(401)的展长为l2，后掠翼(402)的展长定为l3，l1、l2、l3满足如下关系：l1＝l2+2
×
l3，l1、l2小于船舶型宽，l3小于1/2的船舶型宽，d的范围为1/400船舶总长-1/30船舶总长。6.一种用于中高速船舶的多功能尾翼，其特征在于：安装于船尾处，沿背离船体(1)斜向水下方向延伸；包括从船体(1)上引出的支架、连接在支架上的翼板(4)，支架采用从船体(1)上引出的中支架(2)，中支架(2)位于船体(1)纵剖面上，中支架(2)两侧对称设置有侧支架(3)，翼板(4)包括与中支架(2)相连的平行翼(401)、位于平行翼(401)的翼稍两端且与侧支架(3)相连的后掠翼(402)。7.一种用于中高速船舶的多功能尾翼，其特征在于：安装于船尾处，沿背离船体(1)斜向水下方向延伸；包括从船体(1)上引出的支架、连接在支架上的翼板(4)，支架采用两个中支架(2)，两个中支架(2)以船体(1)纵剖面为基准对称设置，翼板(4)采用两个平行翼(401)，分别与两个中支架(2)相连。8.一种用于中高速船舶的多功能尾翼，其特征在于：安装于船尾处，沿背离船体(1)斜向水下方向延伸；包括从船体(1)上引出的支架、连接在支架上的翼板(4)，支架采用两个侧支架(3)，两个侧支架(3)以船体(1)纵剖面为基准对称设置，翼板(4)采用两个后掠翼(402)，分别与两个侧支架(3)相连。9.一种权利要求1所述的中高速船舶多功能尾翼的设计方法，其特征在于，采用计算流体力学数值计算方法，先模拟船舶周围流场，并计算设计航速下，船舶所受的总阻力和船舶带有各尺寸多功能尾翼时的总阻力，选取总阻力最小的方案。10.一种权利要求1所述的中高速船舶多功能尾翼的设计方法，其特征在于，采用快速
性模型试验方法，在拖曳水池中进行模型试验，分别对带有多功能尾翼的船模、不带多功能尾翼的船模进行阻力模型试验，选取总阻力最小的模型方案。

技术总结
本发明涉及一种用于中高速船舶的多功能尾翼及其设计方法及其设计方法；多功能尾翼安装于船尾处，沿背离船体斜向水下方向延伸；包括从船体上引出的支架、连接在支架上的翼板，通过在船尾设置多功能尾翼，从而降低船舶的阻力，达到船舶的节能的效果，从而降低船舶的EEDI，并提高船舶航运过程中的经济性能；减轻船舶航行过程中的横摇、纵摇和垂荡，从而提升船舶安全性能，并提升船员和乘客的舒适性。并提升船员和乘客的舒适性。并提升船员和乘客的舒适性。


技术研发人员：苏甲 邹姝妍 陈京普 胡世良 万熠璟
受保护的技术使用者：中国船舶科学研究中心
技术研发日：2022.12.02
技术公布日：2023/5/24