3 000噸級(jí)海上巡視船耐波性分析

劉 巍蔣如宏黃嬡翔

（1.上海交通大學(xué) 上海200030 ；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

3 000噸級(jí)海上巡視船耐波性分析

劉 巍1,2蔣如宏1黃嬡翔2

（1.上海交通大學(xué) 上海200030 ；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

以3 000噸級(jí)巡視船為研究對(duì)象，運(yùn)用三維水動(dòng)力理論對(duì)其耐波性能進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。文中除了給出零航速時(shí)船體垂蕩、橫搖、縱搖與參考點(diǎn)垂向運(yùn)動(dòng)的傳遞函數(shù)（RAO），還進(jìn)一步進(jìn)行短期預(yù)報(bào)，給出航速為0 kn、13 kn、15 kn與18 kn時(shí)船體橫搖、垂蕩、縱搖與參考點(diǎn)垂向加速度的有義值，并與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：水動(dòng)力預(yù)報(bào)值與模型實(shí)驗(yàn)值的趨勢(shì)基本一致。

耐波性能；巡視船；水動(dòng)力分析；模型試驗(yàn)

引 言

海上巡視船可在海上連續(xù)巡航、全天候執(zhí)法，具備正當(dāng)防衛(wèi)能力和航速較高的技術(shù)特點(diǎn)，從執(zhí)行任務(wù)的性質(zhì)和可配備武器的特點(diǎn)看，應(yīng)歸屬為準(zhǔn)軍用船型。

我國海上巡視船的巡航范圍主要包括黃海、渤海、東海和南海等海域。這些海域全年出現(xiàn)惡劣海況的概率較高，這對(duì)執(zhí)行任務(wù)的巡視船的耐波性提出了較高要求。如果船舶的耐波性不佳，輕則影響巡航任務(wù)的順利執(zhí)行，重則會(huì)影響船舶的航行安全，因此該類船舶的耐波性能設(shè)計(jì)尤為重要。

1 基本計(jì)算原理

1.1 水動(dòng)力分析

本文水動(dòng)力分析將采用法國船級(jí)社開發(fā)的HydroSTAR軟件［1-3］，它基于三維繞輻射勢(shì)流理論的計(jì)算程序，并綜合考慮一階和二階問題。在數(shù)值分析中，一階問題采用基于Kelvin源勢(shì)法，二階問題采用Molin法。流場(chǎng)的求解則基于頻域方法進(jìn)行。

規(guī)則波的定義為：

參考點(diǎn)取重心處時(shí)，上式可表達(dá)為：

船體在波浪作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)可以表達(dá)為：

1.2 譜分析

前文介紹的計(jì)算方法僅限于規(guī)則波中（即獲得船體運(yùn)動(dòng)的傳遞函數(shù)），而實(shí)際海況是不規(guī)則且隨機(jī)的，譜分析可給出特定不規(guī)則海況下船體的響應(yīng)。船體在波浪作用下的響應(yīng)譜矩可表達(dá)為：

式中：為譜密度函數(shù)，本文采用ITTC雙參數(shù)譜［4］。

船體在不規(guī)則波中的統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)一般采用短期預(yù)報(bào)方法。短期指在某海況下的一段時(shí)間（一般為3小時(shí)。在此期間，假定船體的裝載、航速、浪向以及海況條件均不變化。大量的實(shí)踐表明，船體運(yùn)動(dòng)幅值的短期響應(yīng)服從Rayleigh分布。該分布只有方差一個(gè)參數(shù)，即

進(jìn)而可得到船體運(yùn)動(dòng)短期預(yù)報(bào)的各種統(tǒng)計(jì)值，包括均值和有義值等。其中單幅均值：?jiǎn)畏辛x值：

2 水動(dòng)力計(jì)算與結(jié)果分析

2.1 計(jì)算模型

目標(biāo)船型的主要參數(shù)如表1所示。

表1 目標(biāo)船型主要參數(shù)

水動(dòng)力計(jì)算模型包含濕表面模型與質(zhì)量模型。濕表面模型表征船體在水下的部分，而質(zhì)量模型表征船體質(zhì)量在船體的分布情況。由于本文僅研究船體的運(yùn)動(dòng)特性，質(zhì)量模型可以簡(jiǎn)化，僅考慮質(zhì)量的大小、質(zhì)心位置與相關(guān)的質(zhì)量慣性半徑。本船橫搖慣性半徑取0.38B［4］，水動(dòng)力濕表面采用HydroStar的HSMSH模塊生成，模型見圖1。

圖1 濕表面模型

入射波角頻率范圍為0.05 ～ 2.0 rad / s，取53個(gè)頻率點(diǎn)；浪向?yàn)?°～360°（浪向?yàn)榇w與波浪的夾角），間隔為15°；此外，還需要定義入射海況和水深等參數(shù)。橫搖運(yùn)動(dòng)臨界阻尼系數(shù)取5%。

2.2 運(yùn)動(dòng)響應(yīng)傳遞函數(shù)

為了便于結(jié)果分析，本文僅給出0°～180°（間隔為30°）的傳遞函數(shù)分析結(jié)果。

下頁圖2-圖4給出零航速時(shí)船體重心處垂蕩幅值、橫搖幅值與縱搖幅值的響應(yīng)傳遞函數(shù)，圖5給出船體第19站垂向加速度的響應(yīng)傳遞函數(shù)。

圖2 垂蕩幅值響應(yīng)傳遞函數(shù)

圖4 縱搖幅值響應(yīng)傳遞函數(shù)

圖5 第19站垂向加速度的響應(yīng)傳遞函數(shù)

圖3 橫搖幅值響應(yīng)傳遞函數(shù)

由此可見：

① 當(dāng)波浪圓頻率趨向于0 rad / s（即波長(zhǎng)趨向無限大時(shí)），此時(shí)船體的位置可以看成位于波峰或者波谷，那么船體的垂蕩幅值為1 m，橫搖幅值和縱搖幅值趨向于0°，參考點(diǎn)的垂向加速度趨向于0 m/s2。

② 當(dāng)波浪的圓頻率趨向于2 rad / s（即波長(zhǎng)趨向約15 m時(shí)），此時(shí)波長(zhǎng)小于2倍船寬，波浪不具備使船體產(chǎn)生很大橫搖的擾動(dòng)力矩，因此船體橫搖幅值很小；波長(zhǎng)與船長(zhǎng)的比值小于0.2，垂蕩幅值、縱搖幅值和參考點(diǎn)的垂向加速度都非常緩和；如果波浪的圓頻率繼續(xù)增大，波長(zhǎng)繼續(xù)變小，那么以上參數(shù)均趨于0。

③ 當(dāng)波浪圓頻率在某個(gè)范圍內(nèi)時(shí)，以上參數(shù)均出現(xiàn)峰值區(qū)域（如橫搖），其峰值對(duì)應(yīng)的波浪圓頻率在0.6 ～ 0.7 rad / s，軟件計(jì)算出的橫搖固有周期為9.77 s，固有周期與波浪周期接近，產(chǎn)生共振。

由計(jì)算結(jié)果可以得出：

① 浪向?yàn)?0°，波浪的固有頻率在0.85 ～1.2 rad / s時(shí)，垂蕩幅值較大，最大值為1.20 °/m，對(duì)應(yīng)的頻率為1.1 rad / s，浪向?yàn)?0°。

② 浪向?yàn)?0°～120°，波浪的固有頻率在0.58 ～0.7 rad / s時(shí)，橫搖幅值較大。最大值為16.67 °/m，對(duì)應(yīng)的頻率為0.65 rad / s，浪向?yàn)?0°。

③ 浪向?yàn)?0°，縱搖幅值較小。其余浪向在特定的頻率段均有較大的響應(yīng)值，且各浪向的最大響應(yīng)值接近。最大值為2.58 °/m，對(duì)應(yīng)的頻率為1.05 rad / s，浪向?yàn)?0°。

④ 浪向?yàn)?0°～120°，波浪的固有頻率在1.0 ～1.3 rad / s時(shí)，第19站垂向加速度的幅值較大。最大值為2.71 m/s2/m，對(duì)應(yīng)的頻率為1.15 rad / s，浪向?yàn)?20°。

2.3 短期預(yù)報(bào)

圖6 -圖9列出了零航速不同浪向下的橫搖有義值、垂蕩有義值、縱搖有義值與第19站垂向加速度有義值。

船體橫搖有義值在各浪向下的趨勢(shì)基本是一致的。浪向角為30°時(shí)，橫搖有義值的變化趨勢(shì)較為緩和；浪向角大于45°時(shí)，橫搖有義值的峰值已經(jīng)較大，其中60°～ 90°浪向下的橫搖有義值基本重合。實(shí)船海上運(yùn)行時(shí)，盡量把浪向角控制在30°以內(nèi)，有利于降低船體的橫搖運(yùn)動(dòng)［5］。

船體垂蕩有義值隨著浪向角的增大而增大。在所研究的波浪平均跨零周期范圍內(nèi)，浪向?yàn)?°與30°時(shí)，垂蕩有義值與波浪的平均跨零周期基本成線性關(guān)系。浪向?yàn)?0°，平均跨零周期大于5.5 s時(shí)，垂蕩有義值穩(wěn)定在峰值區(qū)域。

浪向角為0°、30°與60°時(shí)，船體縱搖有義值的最大值接近，只不過最大值對(duì)應(yīng)的的波浪周期有些變化。浪向角為90°時(shí)，縱搖較小。

圖6 零航速不同浪向下的橫搖有義值

圖8 零航速不同浪向下的縱搖有義值

圖9 零航速不同浪向下的第19站垂向加速度有義值

圖7 零航速不同浪向下的垂蕩有義值

第19站的參考點(diǎn)選在中縱剖面上，因此參考點(diǎn)的垂向運(yùn)動(dòng)主要是船體垂蕩和縱搖的合成作用。浪向角為0°、30°與60°時(shí)，參考點(diǎn)垂向加速度有義值隨著浪向角的增大而增大。浪向角為90°，波浪的平均跨零周期小于6s時(shí)，有義值僅次于60°浪向角時(shí)的有義值；波浪平均周期大于6s時(shí)，其有義值與0°和30°浪向角時(shí)的有義值相當(dāng)。因此將浪向角控制在30°以內(nèi)有利于降低參考點(diǎn)的垂向加速度。

圖10 -圖12給出了迎浪不同航速下的垂蕩有義值、縱搖有義值與第19站垂向加速度有義值。

圖10 迎浪時(shí)各航速下垂蕩有義值

圖11 迎浪時(shí)各航速下縱搖有義值

圖12 迎浪時(shí)各航速下第19站垂向加速度有義值

波浪的平均跨零周期小于6s時(shí)，船體在13 kn、15 kn與18 kn的垂蕩有義值基本重合；當(dāng)周期大于6s時(shí)，垂蕩有義值的差別開始增大，但是總體趨勢(shì)仍保持一致，并且18 kn航速時(shí)的垂蕩有義最大。船體零航速迎浪時(shí)的垂蕩有義值接近于一條直線，當(dāng)波浪的平均跨零周期小于4.5 s時(shí)，零航速的預(yù)報(bào)值比其余三個(gè)航速下的預(yù)報(bào)值大；當(dāng)周期大于4.5 s時(shí)，則比其余三個(gè)航速下的預(yù)報(bào)值小。波浪平均跨零周期在7.5 s附近時(shí)，零航速預(yù)報(bào)值與其他三個(gè)航速預(yù)報(bào)值的差值最大；周期繼續(xù)增大時(shí)，差值開始減小。

各航速下的縱搖有義值整體趨勢(shì)保持一致，但是船體零速縱搖有義值與其他三個(gè)航速下的有義值差別稍大。波浪平均跨零周期小于5.5 s時(shí)，零速縱搖有義值偏大；當(dāng)平均跨零周期大于5.5 s時(shí)，零速縱搖有義值偏小。

波浪平均跨零周期小于6s，航速為13 kn、15 kn或18 kn時(shí)，第19站垂向加速度有義值基本重合；當(dāng)平均跨零周期大于6s時(shí)，加速度有義值的差別開始增大，但是整體趨勢(shì)仍保持一致。零速垂向加速度有義值與其余三個(gè)航速下有義值的差別較大。當(dāng)波浪的平均跨零周期小于4 s時(shí)，零航速下的有義值比其余三個(gè)航速下的有義值大；當(dāng)周期大于4 s時(shí)，則比其余三個(gè)航速下的有義值小。波浪平均跨零周期在7 s附近時(shí)，零航速有義值與其他三個(gè)航速有義值的差值最大；周期繼續(xù)增大時(shí)，差值開始減小。

3 數(shù)值計(jì)算與模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3.1 模型試驗(yàn)與短期預(yù)報(bào)

船模試驗(yàn)縮尺比為1∶32，模型的主尺度見表2。

表2 目標(biāo)船型主要參數(shù)

模型試驗(yàn)使用的主要儀器有陀螺儀、三自由度適航儀、浪高儀和加速度計(jì)。

試驗(yàn)在本院拖曳水池進(jìn)行。

（1）模型試驗(yàn)的主要內(nèi)容

靜水中橫搖自由衰減試驗(yàn)，記錄衰減曲線和橫搖周期；零航速橫浪規(guī)則波試驗(yàn)，測(cè)量波浪幅值、波浪周期和橫搖幅值；迎浪的規(guī)則波試驗(yàn)，測(cè)量波浪幅值、波浪周期、縱搖幅值、重心處垂蕩幅值、19站處垂向加速度幅值。

對(duì)每次試驗(yàn)，取12個(gè)不同的波長(zhǎng)，分別造出波高約為0.05 m的規(guī)則波，記錄下各物理量的時(shí)間序列并計(jì)算出其幅值大小，由此得到各物理量的幅值響應(yīng)算子。

（2）短期預(yù)報(bào)

在有義波高為Hs、平均跨零周期為T2的不規(guī)則波中，零速橫搖的方差可由下積分得到：

橫搖的有義值則為二倍的均方差：

由此換算到不規(guī)則波的橫搖有義值。垂蕩、縱搖與垂向加速度有義值的換算與橫搖有義值的換算類似。

3.2 短期預(yù)報(bào)結(jié)果對(duì)比

目標(biāo)船型零航速橫搖固有周期的預(yù)報(bào)值為9.77 s，模型試驗(yàn)值為10.75 s，兩者相差約10%。

圖13為船體重心處零速橫搖有義值的結(jié)果對(duì)比。水動(dòng)力預(yù)報(bào)曲線與模型試驗(yàn)曲線的形狀和趨勢(shì)非常吻合，預(yù)報(bào)結(jié)果比模型試驗(yàn)結(jié)果稍大些。

圖13 數(shù)值計(jì)算與模型試驗(yàn)的橫搖有義值對(duì)比

圖14為船體迎浪、航速為13 kn的垂蕩有義值的結(jié)果對(duì)比。波浪的平均跨零周期在6s以下時(shí)，水動(dòng)力預(yù)報(bào)結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果吻合較好；在6s以上時(shí)，兩者的差距開始增大，水動(dòng)力預(yù)報(bào)的結(jié)果較大。

圖14 數(shù)值計(jì)算與模型試驗(yàn)的垂蕩有義值對(duì)比

圖15為船體為船體迎浪、航速為13 kn的縱搖有義值的結(jié)果對(duì)比?？梢钥闯鏊畡?dòng)力預(yù)報(bào)值與模型試驗(yàn)值大致趨勢(shì)保持一致。當(dāng)波浪平均跨零周期小于8.5 s時(shí)，模型試驗(yàn)結(jié)果稍大；當(dāng)周期大于8.5 s時(shí)，水動(dòng)力分析結(jié)果稍大。

圖15 數(shù)值計(jì)算與模型試驗(yàn)的縱搖有義值對(duì)比

下頁圖16為船體迎浪、航速為13 kn、第19站垂向加速度有義值的結(jié)果對(duì)比。在各航速下，水動(dòng)力預(yù)報(bào)值與試驗(yàn)值的趨勢(shì)都是保持一致的。

限于篇幅，目標(biāo)船型的航速為15 kn與18 kn時(shí)模型試驗(yàn)與數(shù)值分析結(jié)果的對(duì)比此處不再贅述。

圖16 數(shù)值計(jì)算與模型試驗(yàn)的第19站垂向加速度有義值對(duì)比

4 結(jié) 論

本文采用基于三維頻域勢(shì)流理論的水動(dòng)力軟件HydroStar，對(duì)某3 000 t海上巡視船的耐波性能進(jìn)行分析。零航速時(shí)，將浪向角控制在30°以內(nèi)有利于降低船體的橫搖、垂蕩和參考點(diǎn)的加速度；縱搖僅在橫浪時(shí)較小，其余浪向下均會(huì)出現(xiàn)較大峰值。迎浪航行時(shí)，適當(dāng)降低航速，有利于降低船體垂蕩以及參考點(diǎn)的加速度，但對(duì)縱搖的影響不太明顯。

此外，本文對(duì)比了數(shù)值分析與模型試驗(yàn)的結(jié)果。水動(dòng)力預(yù)報(bào)值與模型試驗(yàn)值的趨勢(shì)基本一致，除了垂蕩在部分周期的差值稍大，其余預(yù)報(bào)值與模型試驗(yàn)值的匹配性均較高。

［1］ HSMSH，User’s and Example Manual［M］. Bureau Veritas，2011.

［2］ Hydrostar for Experts，User Manual［M］ . Bureau Veritas，2011.

［3］ Starspec，Hydorstar User Guide［M］ . Bureau Veritas，2011.

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

［5］ 劉宇辰，任毅，蔡新功．三體船橫搖運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)研究［J］.船舶，2011（2）：20-23．

Seakeeping performance of 3 000 t off shore patrol vessel

LIU Wei1,2JIANG Ru-hong1HUANG Ai-xiang2
(1. Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030, China;2. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

This paper carries out the seakeeping performance of a 3 000 t patrol vessel by the three-dimensional hydrodynamic theory. In addition to the response amplitude operators of heave, roll, pitch and vertical motion of reference points at zero speed, it also show their signifi cant value at 0 kn, 13 kn, 15 kn and 18 kn, and compares with the model test results. It shows that the results of hydrodynamic prediction is in accordance with those of the model tests.

seakeeping performance; patrol vessel; hydrodynamic analysis; model test

U661.32

A

1001-9855（2014）05-0024-07

2013-06-05 ；

2014-08-20

劉 ?。?980-），男，工程師，研究方向：船舶設(shè)計(jì)與研究工作。

蔣如宏（1972-），男，副教授，研究方向：船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)建造方面的研究。

黃嬡翔（1983-），女，工程師，研究方向：船舶研究與管理工作。