新型海上風(fēng)電維護船的橫搖運動分析

董能超，陳 悅，朱佳歡，余洋喆

(江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212003)

新型海上風(fēng)電維護船的橫搖運動分析

董能超，陳 悅，朱佳歡，余洋喆

(江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212003)

以從事海上風(fēng)電場維護的某新型雙體船的船模為試驗對象，考慮維護船工作海域一般為近海，選取較小傾角進行靜水橫搖衰減試驗，得出船模隨時間變化而變化的六自由度數(shù)值及衰減曲線。通過求取減幅曲線和阻尼系數(shù)以及船模的橫搖周期，對比普通相似船的經(jīng)驗數(shù)值，得到該雙體船在靜水橫搖方面優(yōu)良性良，也體現(xiàn)了船型設(shè)計的合理性，為以后海上風(fēng)電維護船的船型設(shè)計提供一些參考。

風(fēng)能；雙體船；橫搖；船模試驗

0 引言

由于海上風(fēng)電場主要集中在近海，因此海上風(fēng)電場的維護船應(yīng)具有快速性、可操作性和耐波性等優(yōu)點，而雙體船能較好的滿足上述要求。

對于快速性和耐波性有較高要求的雙體船，通常采用穿浪型雙體船和小水線面型雙體船。所謂小水線面雙體船，是由潛沒在水中的魚類狀下體、高于水面的平臺(上體)和穿越水面連接上下體的支柱三部分組成。其優(yōu)點是水線面面積小，受波浪干擾力較小，具有優(yōu)越的耐波性；穿浪型雙體船是從高速雙體船發(fā)展而來，具有良好的適航性。

作為海上風(fēng)電場的維護船，如采用小水線面型雙體船，則艙室設(shè)備布置困難；如采用穿浪型雙體船，建造難度大、造價高。為此，考慮維護船性能需要，擬采用長球首球尾船型。

1 雙體維護船的實驗?zāi)Ｐ秃蛯嶒瀮?nèi)容

雙體船水動力分析的方法主要有數(shù)值模擬和模型試驗2種,本文采用模型試驗法進行分析。

1.1 實驗?zāi)Ｐ?/p>

本次實驗選用按照設(shè)計圖紙制作的一艘新型雙體船作為實驗?zāi)Ｐ?，實體圖如圖1所示。

其主尺度參數(shù)：

船長

2.10 m

垂線間長

1.90 m

型寬

0.78 m

型深

0.21 m

設(shè)計吃水

0.11 m

片體寬度

0.21 m

中心距離

0.57 m

方形系數(shù)

0.4

圖1 新型雙體船的實體模型

1.2 實驗內(nèi)容

實驗內(nèi)容為新型海上風(fēng)電場維護船(新型雙體船)的靜水橫搖實驗。

(1)船模放入水中添加壓載使船模吃水達到設(shè)計吃水。

(2)將船模放在遠離岸壁的水池中，對橫蕩、縱蕩和首搖加以約束。

(3)擺放好實驗設(shè)備，將傳感器固定在船模上，調(diào)整設(shè)備視角和軟件初始坐標(biāo)。

(4)船模初始角度7°，記錄實驗數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)處理

船模橫傾初始角為7°，減幅曲線為曲線，故不能按線性關(guān)系處理。

假定船模初始傾角為ΦA(chǔ)0進行自由橫搖，第n次橫搖幅值為ΦA(chǔ)n，相隔半個周期下一個幅值為ΦA(chǔ)(n+1)，則相鄰二次幅值差為:

ΔΦA(chǔ)=ΦA(chǔ)n-ΦA(chǔ)(n+1)

(1)

相鄰二次的平均幅值為：

ΦA(chǔ)m=0.5(ΦA(chǔ)n+ΦA(chǔ)(n+1))

(2)

以ΦA(chǔ)m為橫坐標(biāo)，ΔΦA(chǔ)為縱坐標(biāo)即可繪制出減幅曲線。

設(shè)衰減關(guān)系目標(biāo)函數(shù)為:

(3)

式中：m、n為衰減次數(shù)；a、b為線性回歸系數(shù)。

用最小二乘回歸分析法求得，衰減系數(shù)μ可表示為：

(4)

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 減幅曲線

根據(jù)實驗所得船模的衰減曲線用excel表格法繪制出船模的減幅曲線，如圖2所示。由衰減曲線可以算出船模橫搖周期TΦ=1.05 s。

圖2 實驗所得衰減曲線

由衰減曲線量取峰值點值，計算繪制減幅曲線。半個周期的幅值平均值及最小幅值見表1，減幅曲線如圖3所示。表1中，ΦA(chǔ)i和ΦA(chǔ)(i+1)分別是半個周期中的第1和第2個峰值，ΦA(chǔ)m為半個周期幅值的平均值，ΔΦ為半個周期中的第2個峰值。

3.2 衰減系數(shù)

應(yīng)用最小二乘回歸法求出a和b。因X坐標(biāo)取與計算值重合坐標(biāo)，誤差主要來自Y，方程

(5)

表1 半個周期的幅值平均值及最小幅值計算

圖3 減幅曲線

對a和b分別求偏導(dǎo)數(shù)，并令其等于零, 從而解得：

a=0.065，b=0.018 2。

ΦA(chǔ)m=8.425,對應(yīng)衰減系數(shù)μ=0.069。

無因次衰減系數(shù)μ是表征橫搖性能重要參數(shù)，自由橫搖的衰減隨衰減系數(shù)的增大而加快，且船舶在規(guī)則波中的頻率響應(yīng)函數(shù)會越小。從實驗數(shù)據(jù)處理得出，本船衰減系數(shù)在初始角為7°時達到0.069，比已發(fā)表資料中表明的無舭龍骨船的0.035～0.05高出至少38%，充分表明了該新型雙體維護船在橫搖性能方面的優(yōu)良性。

4 結(jié)論

通過對某海上風(fēng)電維護船的船模進行靜水橫搖試驗，選取初始角為7°，得到了船模自由衰減的曲線，并利用所得到的衰減曲線計算得出船模的減幅曲線和衰減系數(shù)。對比現(xiàn)有發(fā)表的資料船的衰減系數(shù)，得出了這種新型雙體船在橫搖方面具有的優(yōu)良性，從而為類似船型設(shè)計提供一些參考。

[1] 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.

[2] 趙智萍，周江華，倪海鷗，包雄關(guān).雙體船及其衍生船型[J].水運工程,2002,(11)：17-19.

[3] 鄭明.兩型最新的小水線面雙體船[J].國防工業(yè)技術(shù)經(jīng)濟信息,1999,(8):16-20.

[4] 宋國華.雙體船的總體性能設(shè)計[J].船舶,1998,7(2):29-32.

[5] 趙群，柴福莉.海上風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].機電工程，2009,(12):10-12.

[6] 盛萬安，程貫一.橫搖非線性方程的研究[J].水動力學(xué)研究與進展，1993,(2):152-158.

[7] 姚迪，盧曉平，王毅.三體船橫搖模型試驗及其特性分析[J].中國艦船研究,2010,(4):6-11.

[8] JCG/Z 010-96，船舶傾斜試驗與靜水橫搖試驗實施指南[S].

[9] 彭英聲.船舶非線性橫搖阻尼試驗測定[J].海軍工程學(xué)院學(xué)報，1982，(2):10-28.

2013-11-27

董能超(1991-)，男，本科，主要從事船舶與海洋結(jié)構(gòu)物性能研究；陳悅(1979-)，女，講師，主要從事船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計制造；朱佳歡(1992-)，男，本科，船舶與海洋工程專業(yè)；余洋喆(1992-)，女，本科，船舶與海洋工程專業(yè)。

U661.73

A