300t級(jí)執(zhí)法船耐波性研究

毛斌峰　徐文珊　朱仁傳　陳亮亮

摘 要：針對(duì)細(xì)長(zhǎng)體船，研究了耐波性預(yù)報(bào)方法。基于二維切片理論和三維勢(shì)流理論方法，計(jì)算得出傳遞函數(shù)，采用譜分析法對(duì)耐波性進(jìn)行了短期預(yù)報(bào)。以某300 t級(jí)執(zhí)法船為例，進(jìn)行了計(jì)算并與船模試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，得到的結(jié)論對(duì)高速海洋執(zhí)法船的耐波性研究提供了重要參考，也為細(xì)長(zhǎng)體船耐波性的評(píng)估提供了一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：細(xì)長(zhǎng)體；耐波性；切片理論；三維勢(shì)流理論；短期預(yù)報(bào)

中圖分類號(hào)：P751 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：The seakeeping analysis of a slender ship is presented in this paper. The analysis is carried out based on strip theory and 3D potential theory. Transfer functions of motions are obtained and the short term predictions of motion responses based on wave spectra and transfer functions are also presented. A case study of 300 t class coastguard ship is carried out and the results from it are compared with those from the model test. The outcomecould be a reference to the seakeeping analysis of high speed coastguard ship and other ofslender ships.

Key words：Slender ship；Seakeeping； Strip theory；3D potential theory；Short-Term Prediction

1 概述

船舶耐波性是研究船舶在波浪中的橫搖、縱搖、垂蕩、首搖、橫蕩、縱蕩運(yùn)動(dòng)性能，以及特殊部位的位移、運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)加速度、甲板上浪、首部砰擊、螺旋槳出水次數(shù)等相關(guān)聯(lián)問題的一個(gè)分支。劇烈的搖蕩運(yùn)動(dòng)、砰擊、飛車對(duì)船舶產(chǎn)生一系列有害的影響， 包括對(duì)人員工作效率、安全性和船體結(jié)構(gòu)、各種裝備的影響等 。

大量事實(shí)證明，在靜水中航行性能優(yōu)良的船舶，在波浪中的航行性能并不一定優(yōu)良。對(duì)公務(wù)執(zhí)法船來說，在波浪中航行應(yīng)具有良好的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)， 為武器裝備、電子裝備及各類探測(cè)設(shè)備提供一個(gè)良好的穩(wěn)定平臺(tái)， 這對(duì)提高執(zhí)法能力起著至關(guān)重要的作用。

當(dāng)前耐波性預(yù)報(bào)方法一般有理論計(jì)算、船模試驗(yàn)以及實(shí)船試驗(yàn)三種。實(shí)船試驗(yàn)因受多方條件的制約不常采用，而船模試驗(yàn)有時(shí)也會(huì)受到項(xiàng)目時(shí)間和經(jīng)費(fèi)的制約而不優(yōu)先選用，因此尋求可靠實(shí)用的理論預(yù)報(bào)方法是解決以上問題的關(guān)鍵。

二維切片法和三維勢(shì)流理論是目前耐波性預(yù)報(bào)廣泛采用的方法：切片法具有計(jì)算快捷、對(duì)船型適用性好等優(yōu)點(diǎn)，在船舶工程界得到廣泛的應(yīng)用，且特別適用于細(xì)長(zhǎng)體在一定波浪頻率下的運(yùn)動(dòng)；對(duì)于通常的船舶及海洋平臺(tái)，一般波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于特征尺度，流體黏性的影響相對(duì)較小，對(duì)于運(yùn)動(dòng)和載荷的計(jì)算可以忽略，因此基于此假定的勢(shì)流理論在數(shù)值計(jì)算中得到了廣泛應(yīng)用。

本文以某300 t級(jí)執(zhí)法船為例，在低航速、中航速、高航速下比較兩種方法對(duì)耐波性預(yù)報(bào)方面的異同，通過分析得出運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)幅算子，并將預(yù)報(bào)結(jié)果與模型試驗(yàn)值進(jìn)行比較，采用譜分析法對(duì)耐波性進(jìn)行短期預(yù)報(bào)。給出了高速細(xì)長(zhǎng)體船耐波性直接計(jì)算的一般步驟和方法，為海洋執(zhí)法船耐波性評(píng)估提供一定的借鑒。

2 計(jì)算理論

工程界針對(duì)船體細(xì)長(zhǎng)體的特點(diǎn)，將三維問題簡(jiǎn)化為二維問題，認(rèn)為船體是細(xì)長(zhǎng)的，流場(chǎng)沿縱向變化不大，可近似認(rèn)為是二維的，將船體沿船長(zhǎng)方向分成若干段，船舶流場(chǎng)的求解在各橫剖面內(nèi)進(jìn)行，求得各剖面的值后，再沿長(zhǎng)度方向積分，此即為切片理論。

三維勢(shì)流理論，通常假定船舶所處的流體是均勻不可壓縮和無粘無旋的理想流體。流場(chǎng)勢(shì)函數(shù)應(yīng)滿足Laplace 方程、邊界條件、物面條件和初始條件。根據(jù) Laplace方程和邊界條件可以求解出速度勢(shì)。

通常情況下，海面上的隨機(jī)不規(guī)則波浪可以通過規(guī)則波疊加而成，因此首先計(jì)算船舶在規(guī)則波中的波浪載荷響應(yīng)的傳遞函數(shù)，然后采用譜分析法和概率統(tǒng)計(jì)法，結(jié)合船舶航線海區(qū)的海浪譜，即可完成波浪載荷的短期預(yù)報(bào)。

2.1 規(guī)則波中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

2.1.1 切片法

對(duì)于細(xì)長(zhǎng)船體的小幅運(yùn)動(dòng)，把三維流動(dòng)簡(jiǎn)化成繞各橫截面的平面運(yùn)動(dòng)，按二維流動(dòng)求得各橫截面遭受的流體作用力后，沿船長(zhǎng)方向積分求得船體上的總的流體作用力。

2.2 不規(guī)則波中的運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)

確定了運(yùn)動(dòng)響應(yīng)函數(shù)后，即可采用譜分析法預(yù)報(bào)船舶在不規(guī)則波中的運(yùn)動(dòng)。

要對(duì)船舶進(jìn)行響應(yīng)統(tǒng)計(jì)分析，首先要確定波浪譜。目前國(guó)際上廣泛采用的波浪譜有 P-M譜、ITTC譜、 JONSWAP 譜，其中 JONSWAP 譜形狀陡而尖，適用于風(fēng)程被限定的海域。300 t級(jí)執(zhí)法船主要航行于沿海海域，采用ITTC推薦的JONSWAP波浪譜，對(duì)各個(gè)海況下的船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分別進(jìn)行計(jì)算。

JONSWAP譜密度函數(shù)為：

3 模型試驗(yàn)

試驗(yàn)在華中科技大學(xué)船模拖曳水池進(jìn)行，水池尺度為：長(zhǎng)×寬×深 = 175× 6×4（m）。

3.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑榭s尺比1：15的木質(zhì)模型，表面打磨、拋光。

3.2 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)航速為低、中、高航速（實(shí)船V=10 kn、18 kn、28 kn）；浪向?yàn)?80°頂浪、 135°首斜浪、90°橫浪以及45°尾斜浪，測(cè)試參數(shù)有橫搖、縱搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，以及首部10站、重心處和尾部0.5站的垂向加速度。

4 計(jì)算結(jié)果比較及分析

為了與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，數(shù)值計(jì)算中選取與試驗(yàn)工況相對(duì)應(yīng)的參數(shù)。分別使用切片法和三維勢(shì)流理論法對(duì) 300 t級(jí)執(zhí)法船在低、中、高航速（Fn = 0.229、 Fn = 0.412、Fn= 0.641） 條件下迎浪航行時(shí)的垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了預(yù)報(bào)，并分別對(duì)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)RAO 與水池實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。比較結(jié)果見圖2至圖13，圖中STF-表示切片法計(jì)算結(jié)果，3D PT-表示三維勢(shì)流理論計(jì)算結(jié)果， Exp-表示模型試驗(yàn)結(jié)果。

4.1 運(yùn)動(dòng)響應(yīng)比較

4.2 耐波性短期預(yù)報(bào)結(jié)果比較

迎浪縱搖、垂蕩預(yù)報(bào)結(jié)果比較，見圖8至圖13。

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

由圖2～7及圖8～13比較曲線可以看：

（1）切片法計(jì)算的縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)與試驗(yàn)值在高、中、低速段吻合度均很好，且在高速段吻合度更高；

（2）三維勢(shì)流理論計(jì)算縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)較切片法和實(shí)驗(yàn)值趨勢(shì)基本一致，但結(jié)果較切片法和試驗(yàn)值偏大；

（3）垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)在低、中、高航速時(shí)，預(yù)報(bào)結(jié)果與試驗(yàn)值基本對(duì)應(yīng)，高速段吻合度優(yōu)于低速段；

（4）切片法預(yù)報(bào)縱搖運(yùn)動(dòng)，在6級(jí)海況下較接近實(shí)驗(yàn)值，垂蕩運(yùn)動(dòng)在5級(jí)海況以下較接近實(shí)驗(yàn)值，但6級(jí)海況預(yù)報(bào)結(jié)果誤差偏大。

由此可知，切片法在各速度段均較三維勢(shì)流理論法精度要高。

5 結(jié)語

本文利用切片法和三維勢(shì)流理論法分別對(duì) 300 t級(jí)執(zhí)法船迎浪航行時(shí)，不同航速下的縱搖運(yùn)動(dòng)和垂蕩的幅值響應(yīng)進(jìn)行了計(jì)算， 并將計(jì)算結(jié)果與模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果表明 ： 在高、中、低速條件下，切片法在精度上滿足預(yù)報(bào)要求，在高航速條件下（Fn達(dá)到0.64），預(yù)報(bào)結(jié)果與試驗(yàn)值相比偏差較低，計(jì)算結(jié)果更為滿意。縱搖及垂蕩運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)值在高達(dá)5～6級(jí)海況下，均較接近試驗(yàn)值，故切片法可以應(yīng)用于高速船的耐波性預(yù)報(bào)。

參考文獻(xiàn)

[1]劉應(yīng)中，繆國(guó)平.船舶在波浪上的運(yùn)動(dòng)理論. [M].上海交通大學(xué)

出版社， 1986.

[2]盛振邦，劉應(yīng)中.船舶原理.[M].上海交通大學(xué)出版社，2004.

[3]張鳳偉，匡曉峰，范亞麗.三維勢(shì)流理論與切片法預(yù)報(bào)耐波性的數(shù)

值比較[C].第十三屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議暨第二十六屆全國(guó)水

動(dòng)力學(xué)研討會(huì)文集.

[4]董文才，左文鏘，吳曉光.水面艦船耐波性指標(biāo)及對(duì)Seakeeper軟

件的評(píng)價(jià)[J].中國(guó)艦船研究，2006（4）.

[5]馬山，宋競(jìng)正，段文洋.二維半理論與切片法的數(shù)值比較研究[J].船

舶力學(xué)， 2004，8.

[6]吳小平，400000 DWT 超大型礦砂船耐波性分析[J].上海造船，

2009 （4）.