船舶拖帶情形下的操縱性試驗(yàn)研究

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(海軍工程大學(xué) 船舶與動(dòng)力學(xué)院，武漢 430033)

因海洋運(yùn)輸、科考及勘測(cè)業(yè)的需要，船舶拖帶作業(yè)越來越頻繁，研究拖帶對(duì)船舶操縱性能的影響，探索和開發(fā)操縱性優(yōu)良的拖帶船型具有重要的應(yīng)用價(jià)值。迄今為止國內(nèi)還沒有關(guān)于拖帶對(duì)船舶操縱性能影響方面的試驗(yàn)研究見諸報(bào)告，也沒有能夠比較準(zhǔn)確地用于預(yù)報(bào)拖帶情形下船舶操縱性能的理論方法。而模型試驗(yàn)相對(duì)簡(jiǎn)單、科學(xué)、可靠并且能夠檢驗(yàn)理論分析的正確性。為此，制作自航船模，在檢驗(yàn)其操縱性能的基礎(chǔ)上分別對(duì)比進(jìn)行了未拖帶與在不同拖纜長(zhǎng)度下拖帶的相關(guān)操縱性試驗(yàn)，研究單船雙側(cè)拖帶操作對(duì)船舶操縱性能的影響。

1 拖帶運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象

自航模拖帶兩拖帶物進(jìn)行直航運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩拖纜分開一定的角度，并隨著船模航速的增加，拖纜所拖帶的拖帶物逐漸“外漂”，拖纜間張開的角度增大。在進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)內(nèi)側(cè)拖纜滯后而外側(cè)拖纜向內(nèi)回旋，兩拖帶物間距離減小，兩拖纜逐漸靠近；同時(shí)自航模的漂角與未拖帶時(shí)相比變小，船模轉(zhuǎn)首同未拖帶時(shí)相比變得相對(duì)困難；自航模航速降低，在船首轉(zhuǎn)過角度接近90°時(shí)，內(nèi)側(cè)拖纜失效。

在拖帶操作時(shí)，船體除了受到流體作用于自身的力和力矩外，還受到拖纜施加于船體的力和力矩。直航時(shí)由于采用單船雙側(cè)拖帶系統(tǒng)，拖纜對(duì)船舶的作用僅相當(dāng)于增加船模航行的阻力；回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于兩側(cè)拖纜作用力的不對(duì)稱，船體受到拖纜施加力矩的作用，回轉(zhuǎn)性能發(fā)生改變。

2 基本運(yùn)動(dòng)方程

2.1 基本假設(shè)

船舶航行在無限深廣水域，自由液面為靜水面。視船體為剛體，忽略船的縱搖及升沉[1]。

2.2 坐標(biāo)系

圖2 坐標(biāo)

2.3 基本公式

在以上基礎(chǔ)上建立船舶拖帶操縱運(yùn)動(dòng)基本公式[1]。

假定α1、α2及ψ分別為拖纜1和拖纜2在定坐標(biāo)系中與X0軸夾角及船舶航向角。

因此船在拖帶時(shí)，其操縱性能受到拖纜拉力及力矩的影響，且這種影響與拖纜拉力大小及其與船航向所夾角度有關(guān)。

如圖2所示，若在拖纜拉力一定時(shí)進(jìn)行回轉(zhuǎn)試驗(yàn)，則因(α1-ψ)↑,YT1↑,XT1↓而(α2-ψ)↓,YT2↓,XT2↑，因而產(chǎn)生一個(gè)與回轉(zhuǎn)方向相反的力矩，阻礙船舶的回轉(zhuǎn)。

3 試驗(yàn)對(duì)象和設(shè)備

3.1 自航模要素

自航模為雙舵、雙槳、帶軸支架木質(zhì)船模，表面光滑，無舭龍骨和減搖鰭。

船模長(zhǎng)3.72 m，水線寬0.567 m，重136.5 kg，吃水138.9 mm，縱搖周期2.56 s，橫搖周期16.20 s。

3.2 螺旋槳槳模要素

試驗(yàn)采用機(jī)翼型螺旋槳，該槳的主要特征及參數(shù)如下：

直徑 105 mm； 側(cè)斜 39.11°

葉數(shù) 5； 縱斜 非線性

螺距比 1.4； 螺距分布 非線性

盤面比 0.75； 旋向 內(nèi)旋

轂徑比 0.33； 材料 巴氏合金

3.3 舵模型要素

舵模剖面形式為NACA0015，安裝位置為舵軸向船中內(nèi)偏11 mm。

3.4 拖帶要素

拖帶物為漂浮于水面的特制小浮體，拖纜拉力為28 N。

3.5 試驗(yàn)設(shè)備

船模遙控設(shè)備FP-T8SGA-P；數(shù)據(jù)遙測(cè)設(shè)備YCF-3C；數(shù)據(jù)采集設(shè)備DH-5932；數(shù)據(jù)測(cè)量設(shè)備為航向陀螺C-12、YT-3；操舵設(shè)備為MD3-2舵機(jī)。

4 試驗(yàn)內(nèi)容

1) 回轉(zhuǎn)操縱性試驗(yàn)。在未拖帶時(shí)進(jìn)行高速(v=2.18 m/s)和低速(v=1.46 m/s)的回轉(zhuǎn)試驗(yàn)及在拖纜長(zhǎng)分別為10、20、30 m時(shí)進(jìn)行低速(v=1.46 m/s)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)，舵角分別為±10°、±15°、±20°、±25°、±30°、±35°(受條件限制±5°的回轉(zhuǎn)無法進(jìn)行)。

2) Z形操縱試驗(yàn)。在未拖帶情形下進(jìn)行高速(v=2.18 m/s)和低速(v=1.46 m/s)的Z形操縱試驗(yàn)及在拖纜長(zhǎng)度分別為20、30 m時(shí)進(jìn)行低速(v=1.46 m/s)的Z形操縱性試驗(yàn)，舵角分別為±10°、±20°，試驗(yàn)過程記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

3) 航向穩(wěn)定性試驗(yàn)。在未拖帶情形下進(jìn)行低速(v=1.46 m/s),舵角為±15°的航向穩(wěn)定性試驗(yàn)，試驗(yàn)過程記錄數(shù)據(jù)并繪制出首向角隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線圖。

4) 保持航跡能力操縱性試驗(yàn)。在未拖帶情形下進(jìn)行舵角為±15°的回直操縱性試驗(yàn)和在拖纜長(zhǎng)為20 m時(shí)進(jìn)行兩次零度舵角的直航試驗(yàn)，航速均為v=1.46 m/s[3]。

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

5.1 回轉(zhuǎn)性能試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

相對(duì)回轉(zhuǎn)直徑對(duì)比試驗(yàn)曲線見圖3。

圖3 相對(duì)回轉(zhuǎn)直徑對(duì)比曲

由圖3知，未拖帶時(shí)，當(dāng)船以35°舵角高速進(jìn)行回轉(zhuǎn)時(shí)相對(duì)回轉(zhuǎn)直徑約為3.0，以低速回轉(zhuǎn)時(shí)約為2.8，由Davidson 所提出的船舶在最小相對(duì)回轉(zhuǎn)直徑約為3.0時(shí)回轉(zhuǎn)性，能優(yōu)良的結(jié)論可知[4]，該船具有良好的操縱回轉(zhuǎn)性能。拖帶時(shí)船的相對(duì)回轉(zhuǎn)直徑與未拖帶時(shí)相比有明顯變化，當(dāng)船以小舵角低速進(jìn)行回轉(zhuǎn)時(shí)，相對(duì)回轉(zhuǎn)直徑幾乎增大一倍，而在大舵角時(shí)也增大了約50%，顯然拖帶使得船舶回轉(zhuǎn)性能惡化。

同時(shí)，由圖3可知回轉(zhuǎn)速度及拖纜長(zhǎng)度對(duì)回轉(zhuǎn)性能的影響不大，原因有：

1) 自航模操舵回轉(zhuǎn)時(shí)，由于拖纜拉力的作用，產(chǎn)生了一個(gè)與回轉(zhuǎn)方向相反的回轉(zhuǎn)力矩，該力矩阻礙了船舶的回轉(zhuǎn)，使得船舶航行時(shí)的漂角減小，回轉(zhuǎn)半徑增大。

2) 改變拖纜長(zhǎng)度，在自航?；剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中并未改變拖纜拉力的大小及拉力的方向，而且拖纜拉力一定，所以拖纜長(zhǎng)度對(duì)回轉(zhuǎn)性能的影響不大。

相對(duì)縱距和相對(duì)橫距的對(duì)比曲線見圖4、5。

圖4 相對(duì)縱距對(duì)比曲線

圖5 相對(duì)橫距對(duì)比曲

由圖4、5可知，拖帶使得相對(duì)回轉(zhuǎn)縱距和相對(duì)橫距發(fā)生較大的改變，變化趨勢(shì)與相對(duì)回轉(zhuǎn)直徑的相同，即在小舵角時(shí)增加約1倍，而在大舵角時(shí)也增加了約50%。拖帶長(zhǎng)度對(duì)相對(duì)縱距和相對(duì)橫距的影響不大，在大舵角時(shí)基本相當(dāng)，并相互交錯(cuò)。

5.2 轉(zhuǎn)首特性結(jié)果分析

為了更好表示船舶對(duì)舵作用的應(yīng)答性，將其從執(zhí)行操舵點(diǎn)起至回轉(zhuǎn)圈中心的距離，稱為進(jìn)程R′，R′=v(T+t1/2)=S3-R0。式中：S3、R0分別為回轉(zhuǎn)縱距和定?；剞D(zhuǎn)半徑。R′越小則應(yīng)答性越好。若用操舵來改變船的航向，則R′可代表在原航向上，由轉(zhuǎn)舵瞬時(shí)的重心位置直至新、舊航向交點(diǎn)之距離。當(dāng)R′/L<1時(shí)，船具有很好的應(yīng)答性[4]。

由圖6知，不論是拖帶還是未拖帶，該船均有良好的應(yīng)答性。

圖6 相對(duì)進(jìn)程對(duì)比曲

5.3 Z形操縱試驗(yàn)結(jié)果分析

以低速進(jìn)行Z形試驗(yàn)所得結(jié)果見表1。

經(jīng)驗(yàn)表明，一般壓載船和油船K′為0.7～1.3、T′為0.4～1.1時(shí)，具有較好的操縱性[4]，顯然未拖帶時(shí)K′、T′均在上述范圍內(nèi)，可知該船操縱性良好；而在拖帶時(shí)K′、T′均減小，其中K′減小了20%～50%，而T′改變不太明顯。

表1 Z形操縱試驗(yàn)性能指數(shù)

5.4 轉(zhuǎn)首性能結(jié)果分析

5.5 保持航跡能力試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖7、圖8知，自航模以低速v=1.46 m/s進(jìn)行±15°舵角的回直試驗(yàn)，最終都能達(dá)到直航，顯然其具有零舵角穩(wěn)定直航能力。

圖7 自航模低速右15°回直曲線

圖8 自航模低速左15°回直曲

由圖9可知，自航模以v=1.46 m/s、零度舵角及拖帶20 m航行歷時(shí)約40 s、行程60 m(約16倍船長(zhǎng))，僅偏航8°。考慮到自航模拖帶回轉(zhuǎn)時(shí)，兩拖帶物不可能做到完全相同，而且拖帶開始時(shí)兩拖纜與船模航向所成角度不一樣，由此造成小角度偏斜，仍可認(rèn)為其保持航跡能力很好[6]。

圖9 20 m拖帶低速直航航向角變化曲

6 結(jié)論

1) 該船自航模具有良好的回轉(zhuǎn)性能，滿足相對(duì)回轉(zhuǎn)半徑小于3.5的要求且直線穩(wěn)定性能、轉(zhuǎn)首性能、應(yīng)舵性能均良好。

2) 拖帶使船回轉(zhuǎn)性能惡化，在小舵角使相對(duì)回轉(zhuǎn)半徑、相對(duì)橫距和相對(duì)縱距值增加了近1倍，而在大舵角時(shí)也近50%。

3) 在拖帶情形下，該船自航模仍具有直線運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。

4) 除必須緊急回轉(zhuǎn)外，不允許作大舵角(大于15°)、長(zhǎng)時(shí)間回轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)。

[1] 樂美龍.船舶操縱性預(yù)報(bào)與港航操縱運(yùn)動(dòng)仿真[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2004.

[2] 李殿璞.船舶運(yùn)動(dòng)與建模[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，1999.

[3] 郝亞平.船舶性能試驗(yàn)技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1988.

[4] 吳秀恒.船舶操縱性與耐波性[M].北京：人民交通出版社，1999.

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

[6] 范尚雍.船舶操縱性[D].武漢：海軍工程大學(xué)，2004: 120-124.