水線面大開(kāi)口船舶阻力和耐波性試驗(yàn)研究

祝啟波 付金麗 曾江易

摘? ? 要：本文通過(guò)模型試驗(yàn)，對(duì)某水線面大開(kāi)口船舶在開(kāi)口開(kāi)啟和封閉狀態(tài)下對(duì)船舶阻力和耐波性能的影響進(jìn)行研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：水線面大開(kāi)口會(huì)產(chǎn)生較大的阻力增值，低航速下對(duì)船舶阻力的影響更為明顯;同時(shí)，開(kāi)口的存在會(huì)大幅度影響船舶在橫搖方面的性能。

關(guān)鍵詞：開(kāi)口;模型試驗(yàn);阻力;耐波性

中圖分類號(hào)：U661.31 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Resistance and Seakeeping Model Test of Ship with Notch

ZHU Qibo， FU Jinli， ZENG Jiangyi

（ Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250 ）

Abstract： The resistance and seakeeping performance of a ship with notch in midship are studied in this paper. The model test is carried out to analyze the effects of open and closed notches on ship resistance and seakeeping performance. The test results show that the notch of waterplane will produce a large increase of resistance， the effect of the notch on the resistance is more obvious at low speed， and the existence of the notch will greatly affect the wave resistance of the ship in rolling.

Key words： Notch; Model test; Resistance; Seakeeping

1? ? 引言

近年來(lái)，為滿足特定的作業(yè)需要，一些船舶設(shè)有大型開(kāi)口，這些大開(kāi)口垂直貫穿船體底部與主甲板，其相應(yīng)水線面呈現(xiàn)大開(kāi)口狀況。開(kāi)口的存在會(huì)直接影響到船舶的各項(xiàng)性能，例如：阻力方面，開(kāi)口會(huì)使外部流場(chǎng)在開(kāi)口處形成一個(gè)半封閉的水域，在船舶行駛過(guò)程中，這部分水流的一部分流向船底，另一部分則被壁面反射造成波面升高，耗散能量，從而使得船舶的阻力增加;耐波性方面，相對(duì)于船底，開(kāi)口類似于一個(gè)有自由液面的陷落式腔體，開(kāi)口中的流體存在沿開(kāi)口深度方向的固有振蕩現(xiàn)象（稱為活塞現(xiàn)象）。在來(lái)流條件下，開(kāi)口內(nèi)流體的晃蕩和活塞運(yùn)動(dòng)，對(duì)船舶耐波性能產(chǎn)生影響。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于水線面開(kāi)口對(duì)船舶性能影響的研究非常有限，大多采用試驗(yàn)和數(shù)值模擬兩種方法進(jìn)行研究。劉厚恕[1]以某自航鏈斗船為對(duì)象開(kāi)展試驗(yàn)研究，結(jié)果表明水線面開(kāi)口尺寸對(duì)于船體阻力有一定的影響;VEER等[2]采用模型試驗(yàn)方法研究月池對(duì)阻力的影響，指出晃蕩運(yùn)動(dòng)對(duì)月池阻力的影響程度與活塞運(yùn)動(dòng)相同;姚熊亮等[3]基于EMD法對(duì)圓形月池在均勻來(lái)流條件下的流激振蕩特性進(jìn)行研究;鄒康等[4]運(yùn)用模型試驗(yàn)方法對(duì)某深水多功能水下工程船的月池水動(dòng)力性能進(jìn)行研究，分析月池對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)的影響;石珣[5]對(duì)首尾開(kāi)口的絞吸挖泥船進(jìn)行阻力研究，得到低航速下首尾水線面大開(kāi)口對(duì)船體阻力性能的影響;潘放等[6]采用CFD方法對(duì)一深拖母船的阻力進(jìn)行研究，分析不同開(kāi)口類型的影響以及減小阻力的方法，結(jié)果表明通過(guò)設(shè)置遮蔽擋板可以使得開(kāi)口阻力顯著減少。

本文以某船舯大開(kāi)口船舶為研究對(duì)象，對(duì)水線面大開(kāi)口的船舶阻力和耐波性進(jìn)行試驗(yàn)研究。通過(guò)對(duì)比研究的方式（對(duì)比開(kāi)口封閉和開(kāi)啟的試驗(yàn)結(jié)果），討論水線面大開(kāi)口對(duì)船舶阻力和耐波性的影響，為后續(xù)類似船舶的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)提供參考。

2? ? 研究對(duì)象

本文的研究對(duì)象為某船舯大開(kāi)口船舶，其主尺度如下：

該船于船舯設(shè)有一尺寸為8 m×4 m×4.2 m的矩形開(kāi)口（見(jiàn)圖1），開(kāi)口四周封閉，底部安裝非水密液壓保形門（雙開(kāi)），開(kāi)口頂部位于水線面以上（見(jiàn)圖2）。

3? ?試驗(yàn)工況

本文模型試驗(yàn)在荊門中國(guó)特種飛行器研究所高速水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室拖曳水池進(jìn)行，模型縮尺比為1：18，拖車最大速度為2.2 m/s。為研究水線面大開(kāi)口對(duì)目標(biāo)船性能的影響，試驗(yàn)需要測(cè)量船體開(kāi)口底部在封閉和開(kāi)啟兩種狀態(tài)下的船舶運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)時(shí)，先用蓋板將開(kāi)口底部封閉，測(cè)量各工況下的試驗(yàn)結(jié)果;然后將蓋板取下，測(cè)量開(kāi)口開(kāi)啟后的各工況試驗(yàn)結(jié)果。

模型試驗(yàn)分為靜水試驗(yàn)與規(guī)則波耐波性試驗(yàn)（見(jiàn)圖3、圖4），試驗(yàn)的具體工況如表1、表2所示。

4? ? 試驗(yàn)結(jié)果比較與分析

（1）靜水阻力試驗(yàn)結(jié)果比較

模型總阻力增加百分?jǐn)?shù)△Rm定義，如下：

（1）

式中：Rm1、Rm0——分別為船舯開(kāi)口開(kāi)啟和封閉時(shí)的模型總阻力。

圖5給出了船舶靜水阻力試驗(yàn)結(jié)果。圖中橫坐標(biāo)為傅汝德數(shù)Fr，縱坐標(biāo)為模型總阻力Rm;圖6為船舯開(kāi)口開(kāi)啟后的模型總阻力增加百分?jǐn)?shù)曲線。

從圖5的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，船舯水線面大開(kāi)口會(huì)產(chǎn)生較大的阻力增值，原因可能是中部開(kāi)口使得水線面的幾何形狀變化，水流一部分流向船底，一部分則被壁面反射，造成開(kāi)口內(nèi)自由液面的晃蕩和漩渦產(chǎn)生，耗散了能量，增加了船體阻力。

從圖6可以看出，隨著傅汝德數(shù)Fr的增加，模型總阻力增加百分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)：在Fr=0.27時(shí)，總阻力增加百分?jǐn)?shù)為74%;Fr=0.41時(shí)，總阻力增加百分?jǐn)?shù)為36%。可見(jiàn)在較低Fr時(shí)開(kāi)口對(duì)船舶總阻力的影響更為明顯。

圖7、圖8分別為靜水條件下開(kāi)口封閉和開(kāi)啟狀態(tài)的船模垂蕩及縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值試驗(yàn)結(jié)果。

由圖7、圖8可以看出：船舯開(kāi)口對(duì)船舶垂蕩運(yùn)動(dòng)的影響較小，開(kāi)口封閉和開(kāi)啟狀態(tài)下船模垂蕩運(yùn)動(dòng)的差別小于5%;開(kāi)口對(duì)縱搖運(yùn)動(dòng)的影響略大，高Fr數(shù)時(shí)曲線產(chǎn)生較為明顯的差值，但由于其在數(shù)值上量級(jí)較小可認(rèn)為二者差別不大，即開(kāi)口的存在對(duì)船舶縱搖運(yùn)動(dòng)的影響非常有限。

（2）規(guī)則波耐波性試驗(yàn)結(jié)果比較

對(duì)船舯開(kāi)口開(kāi)啟和封閉狀態(tài)的模型進(jìn)行迎浪規(guī)則波試驗(yàn)，測(cè)量模型總阻力、縱搖、垂蕩、首部0站、船舯理論重心位置和尾部19站的加速度。試驗(yàn)波高取55 mm、波長(zhǎng)范圍為2～6 m。圖9-14給出了各測(cè)量值的試驗(yàn)結(jié)果的比較。

由圖9可以看出：船舯開(kāi)口開(kāi)啟和封閉狀態(tài)的模型總阻力相差較大，開(kāi)口開(kāi)啟狀態(tài)下船舶14 kn時(shí)其總阻力增加百分?jǐn)?shù)的最大值達(dá)到76%（對(duì)應(yīng)λ為4 m）、最小值約為52%（對(duì)應(yīng)λ為6 m），而靜水14 kn時(shí)的總阻力增加百分?jǐn)?shù)僅為38%。

由圖10、圖11可以看出：船舯開(kāi)口對(duì)于在規(guī)則波中垂蕩及縱搖運(yùn)動(dòng)的影響較小，開(kāi)口封閉和開(kāi)啟狀態(tài)下垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)的差別不大;由圖12～圖14可以看出：當(dāng)λ<3 m時(shí)，各曲線相差不大;當(dāng)λ>3 m時(shí)，開(kāi)口使得在首部、舯部及尾部加速度得到較大的抑制，首部加速度峰值減小了54%、船舯減小了43%、船尾減小了32%。

（3）實(shí)船在不規(guī)則波中的耐波性能預(yù)報(bào)

根據(jù)規(guī)則波的試驗(yàn)結(jié)果，預(yù)報(bào)了某船舯大開(kāi)口船舶在不規(guī)則波中的耐波性能，海浪譜采用IITC和ISSC先后推薦的雙參數(shù)譜，其一般形式為：

（2）

式中：ζWβ為三一平均波高;T1為譜峰周期;ω為波頻。

實(shí)船海況為4級(jí)、有義波高2.50 m、譜峰周期6.79s，預(yù)報(bào)結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可以看出：開(kāi)口的存在對(duì)于船舶在不規(guī)則波中的耐波性有一定的抑制作用，改善了船舶的耐波性能。

（4）靜水橫搖衰減試驗(yàn)

對(duì)開(kāi)口開(kāi)啟和封閉狀態(tài)的模型進(jìn)行靜水自由橫搖衰減試驗(yàn)（見(jiàn)圖15、圖16）。

根據(jù)橫搖衰減試驗(yàn)曲線計(jì)算的無(wú)因此衰減系數(shù)結(jié)果（見(jiàn)表4）表明：水線面大開(kāi)口使得船舶橫搖阻尼有所減小，橫搖固有周期也減小，波浪中橫搖運(yùn)動(dòng)加劇，影響本船在該方向上的耐波性能。

5? ?結(jié)論

通過(guò)對(duì)水線面大開(kāi)口船舶的阻力和耐波性模型試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

（1）船舶水線面大開(kāi)口會(huì)產(chǎn)生較大的阻力增值，其原因?yàn)殚_(kāi)口使得該處水線面形狀發(fā)生變化，水流一部分流向船底，一部分則被壁面反射，造成開(kāi)口內(nèi)自由液面的晃蕩和漩渦產(chǎn)生，耗散了能量，從而增加船體阻力;在較低航速時(shí)，水線面大開(kāi)口對(duì)船舶總阻力的影響更為明顯;

（2）船舶水線面大開(kāi)口使船舶在波浪中的阻力增值進(jìn)一步加大，可以通過(guò)在開(kāi)口處增加蓋板的方式來(lái)減小阻力;

（3）船舶水線面大開(kāi)口對(duì)于船舶在波浪中縱向運(yùn)動(dòng)的影響非常有限;水線面大開(kāi)口使得船舶橫搖阻尼和固有周期減小，波浪中橫搖運(yùn)動(dòng)加劇。因此，通過(guò)相關(guān)措施減小開(kāi)口對(duì)于船舶橫搖運(yùn)動(dòng)的影響是改善水線面大開(kāi)口船舶耐波性的關(guān)鍵。

參考文獻(xiàn)

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