深V型船零速橫搖改善措施

董潤鵬，董文才，姚朝幫

海軍工程大學(xué) 艦船工程系，湖北 武漢430033

深V型船零速橫搖改善措施

董潤鵬，董文才，姚朝幫

海軍工程大學(xué) 艦船工程系，湖北 武漢430033

針對千噸級深V型船在高海況下其零速橫搖幅值較大的問題，在拖曳水池中開展靜水阻力、橫搖衰減模型試驗。通過求解非線性橫搖方程，預(yù)報規(guī)則波中的橫搖響應(yīng)，采用雙參數(shù)譜預(yù)報實船在4，5級海況下的零速橫搖幅值。同時，對比分析舭龍骨長度、寬度、安裝位置以及連續(xù)性對阻力、橫搖阻尼系數(shù)及橫搖幅值的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：在巡航速度至最大航速范圍內(nèi)，可獲得阻力增值不超過4.5%，正橫浪零速橫搖幅值減小25%以上的舭龍骨設(shè)計方案，可為千噸級深V型船在錨泊狀態(tài)下減少橫搖幅值提供技術(shù)支撐。

深V型船；舭龍骨；模型試驗；橫搖衰減試驗

0 引 言

深V型船出現(xiàn)于上世紀(jì)40年代，早期被用做快艇和小型軍用快艇［1］。隨著研究的深入和船型的改進優(yōu)化，上世紀(jì)90年代，深V型船的應(yīng)用開始實現(xiàn)大型化，被廣泛應(yīng)用于高速渡船、游船以及高性能軍用艦船的設(shè)計中［2-4］。

與常規(guī)圓舭型船相比，同噸位的深V型船具有良好的耐波性能，但靜水阻力有所增加。因此，近年來研究人員對深V型船的研究主要集中在減阻方面［5-9］，對深V型船耐波性的研究主要集中在減縱搖［10-12］和對橫搖阻尼的預(yù)報方面［13-14］，而有關(guān)深V型船零速橫搖方面的研究則較少。

目前發(fā)現(xiàn)，已投入使用的千噸級深V型船在4級和5級海況的錨泊狀態(tài)下，橫搖幅值較大，影響了其整體任務(wù)要求。因此，有必要針對深V型船零速橫搖改善措施開展研究?？紤]到深V型船優(yōu)良的耐波性能，以及減搖措施有可能對阻力產(chǎn)生的影響，本文將重點研究不同位置、不同寬度和連續(xù)性不同的舭龍骨方案對深V型船的阻力和零速橫搖幅值的影響規(guī)律，綜合協(xié)調(diào)舭龍骨對阻力和橫搖的影響，以解決加設(shè)舭龍骨后在改善橫搖與引起阻力增加間的矛盾，希望獲得千噸級深V型船橫搖降低25%以上，阻力增加不超過5%的舭龍骨方案。

1 試驗介紹

1.1 試驗?zāi)Ｐ?/p>

試驗?zāi)Ｐ蜑槟成頥型船全附體模型，如圖1所示。試驗?zāi)Ｐ桶ㄝS系、舵、減搖鰭和艉板，表1所示為試驗?zāi)Ｐ偷闹饕獏?shù)。

圖1 全附體試驗?zāi)Ｐ虵ig.1 Profile lines of test model with full appendages

表1 模型參數(shù)Tab.1 Parameters of test model

1.2 舭龍骨方案

共設(shè)計了5種舭龍骨方案，均安裝于5～15站，并改變不同方案舭龍骨的寬度、距折角線的位置以及連續(xù)性，具體參數(shù)如表2所示。舭龍骨的安裝示意圖如圖2所示，其中粗體部分為舭龍骨。圖2（a）中：α，β為舭龍骨的定位角，5種舭龍骨方案的定位角相同，α=41°，β=28°；b為舭龍骨寬度；s為舭龍骨距折角線的距離。圖2（b）為舭龍骨縱向安裝位置。

表2 舭龍骨的參數(shù)Tab.2 Parameters of bilge keels

圖2 舭龍骨安裝位置Fig.2 Location of bilge keels

1.3 測量設(shè)備

試驗在某研究所高速拖曳水池里完成，試驗水池長510 m，寬6.5 m，水深5 m。阻力的測量采用BLR-1型拉力傳感器，量程為0～40 kgf，精度為0.2%?？v搖的測量采用TC-11A型垂直陀螺儀，測量誤差小于0.1°。

1.4 試驗內(nèi)容

開展了無舭龍骨和5組加裝舭龍骨方案的阻力試驗，航速Fr=0.16～0.51，共10個速度。

開展了無舭龍骨和5組加裝舭龍骨方案的橫搖衰減試驗，初始角度為±5°，±10°，±15°和±20°，共8個初始橫傾角。

1.5 橫搖衰減試驗的數(shù)據(jù)處理

對橫搖衰減試驗得到的實測曲線進行光順和中心化處理，之后，采用峰值處理方法獲得橫搖阻尼特性曲線［13］。曲線光順處理和峰值處理后線性擬合出的曲線分別如圖3、圖4所示。

圖3 實測曲線的光順Fig.3 Smooth of the measured curves

圖4 無因次橫搖衰減系數(shù)曲線Fig.4 Non-dimensional roll decay coefficient curve

2 試驗結(jié)果分析

2.1 舭龍骨對阻力的影響

2.1.1 安裝位置的影響

方案1、方案2距折角線的位置分別為0.01Bwl和0.03Bwl，均是寬度為0.03Bwl、長度為0.5Lwl的連續(xù)型舭龍骨，其阻力試驗結(jié)果對比如圖5所示。圖中為增阻率，η=（Rtn-Rt0）/Rt0，其中Rt0為無舭龍骨的模型阻力，Rtn為方案n的模型阻力；Rt為模型阻力；W為模型總重。

圖5 舭龍骨安裝位置對阻力的影響Fig.5 Resistances at different locations of bilge keel

由圖5可看出，相比于無舭龍骨方案，加裝舭龍骨后，阻力有所增加，其中方案2的阻力略小于方案1。當(dāng)Fr=0.16～0.51，舭龍骨距折角線的距離為0.01Bwl～0.03Bwl時，阻力增值均不超過6%。

2.1.2 舭龍骨寬度對阻力的影響

方案1、方案4和方案5的舭龍骨寬度分別為0.03Bwl，0.04Bwl和0.05Bwl，均是長度為0.5Lwl、距折角線距離為0.01Bwl的連續(xù)型舭龍骨，其阻力試驗結(jié)果對比如圖6所示。

圖6 舭龍骨寬度對阻力的影響Fig.6 Resistances with different width of bilge keel

由圖6可知，隨著舭龍骨寬度的增加，船體阻力隨之增加。當(dāng)Fr=0.179時，加裝寬度為0.05Bwl舭龍骨的船模阻力的增值率甚至接近于10%。隨著Fr的增大，增阻率逐漸減小。這是由于低速時，船體阻力主要為摩擦阻力，寬度越大的舭龍骨其濕表面積越大，摩擦阻力也越高。隨著航速的增加，興波阻力占總阻力的比重增加，摩擦阻力占總阻力的比例逐漸減小。因由濕表面積增加而引起的阻力增值在總阻力中的比重逐漸下降，故增阻率得以降低。

2.1.3 舭龍骨連續(xù)形式的影響

方案1和方案3的舭龍骨寬度均為0.03Bwl，距折角線的距離均為0.01Bwl。其中方案1為連續(xù)型舭龍骨，長度為0.5Lwl，方案3的舭龍骨在減搖鰭處間斷，長度為0.45Lwl，其阻力試驗結(jié)果對比如圖7所示。

圖7 舭龍骨連續(xù)性對阻力的影響Fig.7 Resistances with different continuity of bilge keel

由圖7可知，在減搖鰭處，不連續(xù)舭龍骨的增阻率較連續(xù)舭龍骨的增阻率要高，這是因為縱向不連續(xù)的舭龍骨對流體的擾動增加了船模的總阻力。

2.1.4 阻力對比

對于該深V型船，速度Fr=0.32～0.47時的增阻率如表3所示。由表3可知，在該速度區(qū)間下，方案1、方案2、方案3和方案4的增阻率均不超過5%，方案1與方案2的增阻率均不超過4.5%。

表3 不同航速下各舭龍骨方案的增阻率Tab.3 Resistance addition rate at different speed in different cases

2.2 舭龍骨對橫搖阻尼的影響

2.2.1 安裝位置對橫搖阻尼特性的影響

圖8所示為距折角線不同位置的舭龍骨橫搖阻尼曲線。由圖可知，距折角線位置越近，橫搖阻尼越大，減搖效果便越好。對深V船型來說，從理論上講，安裝在折角線處的減搖效果最好，但同時還需考慮工程上的安裝要求，不能距折角線過近。

圖8 舭龍骨安裝位置對橫搖阻尼的影響Fig.8 Roll dampings at different locations of bilge keel

2.2.2 舭龍骨寬度對橫搖阻尼特性的影響

圖9所示為不同寬度舭龍骨擬合出的橫搖阻尼曲線。由圖可知，舭龍骨越寬，對船體來說產(chǎn)生的突變就越大，渦旋阻尼增加越多，船舶的橫搖幅值也就越小。

圖9 舭龍骨寬度對橫搖阻尼的影響Fig.9 Roll dampings with different width of bilge keel

2.2.3 舭龍骨的連續(xù)形式對橫搖阻尼特性的影響

圖10所示為連續(xù)型不同舭龍骨的橫搖阻尼曲線。在實際工程應(yīng)用中，一般為避免干擾減搖鰭工作，舭龍骨均采用分段式以錯開減搖鰭，因此對舭龍骨的連續(xù)性進行了探究。結(jié)果表明，連續(xù)性舭龍骨的減搖效果較優(yōu)，不過其與間斷式舭龍骨之間的差距不大。

圖10 舭龍骨連續(xù)性對橫搖阻尼的影響Fig.10 Roll dampings with different continuity of bilge keel

3 零速橫搖幅值預(yù)報

采用單自由度非線性橫搖運動方程［15］和實測橫搖阻尼曲線對規(guī)則波中的正橫浪進行預(yù)報，橫搖運動方程及解如式（1）和式（2）所示。橫搖阻尼曲線采用1.5節(jié)的方法求出，不同方案的橫搖阻尼曲線如表4所示。預(yù)報出的不同頻率入射波下的船體橫搖運動響應(yīng)曲線如圖11所示，圖中橫坐標(biāo)為波長與船長比，縱坐標(biāo)為橫搖幅值與波幅比。

式中：νθ為橫搖圓頻率，其中Tθ為橫搖周期；ω為自然頻率；ωe為遭遇頻率；α0為波傾角幅值；θa為橫搖角的幅值。

從圖11中可以看出，在1≤λ/Lwl≤2.5時，加裝舭龍骨后，規(guī)則波中正橫浪的橫搖幅值明顯降低。相比于無舭龍骨方案，在峰值處，方案5的減搖幅值可達(dá)到50.5%。

表4 不同方案無因次橫搖衰減系數(shù)Tab.4 Non-dimension roll decay coefficients in different cases

圖11 規(guī)則波中正橫浪橫搖曲線Fig.11 Roll curves in the regular waves

采用ITTC雙參數(shù)譜及譜分析法對不規(guī)則波下的船舶橫搖進行預(yù)報，其中雙參數(shù)譜如式（3）所示，預(yù)報得出的在4級和5級海況下（有義波高為2.5～4 m）的正橫浪零速橫搖幅值分別如表5和表6所示。表中：θa(1/3)為有義幅值；ηa為橫搖減幅，其中 (θa(1/3))0為無舭龍骨時的有義幅值；(θa(1/3))i為方案1～5的有義幅值。

表5 4級海況下正橫浪零速橫搖幅值Tab.5 Roll amplitude with zero speed in sea state 4

表6 5級海況下正橫浪零速橫搖幅值Tab.6 Roll amplitude with zero speed at in sea state 5

由表5和表6可以看出，方案1與方案3在4級和5級海況下的橫搖減幅可達(dá)23%以上，方案4和方案5甚至可以達(dá)到33%以上。

4 結(jié) 論

深V型船加裝舭龍骨后，會引起阻力增加，橫搖阻尼增大，零速橫搖幅值減小。其阻力增值和橫搖減幅與舭龍骨的寬度、連續(xù)性以及安裝位置密切相關(guān)。

1）舭龍骨寬度對深V型船的阻力和橫搖影響較大，寬度越寬，增阻率越高，減搖效果越好。

2）舭龍骨距離折角線越近，阻力增值越大，減搖效果便越好，當(dāng)距折角線的距離為0.01Bwl～0.03Bwl時，由舭龍骨引起的阻力對深V型船的影響較小。

3）本文所研究的千噸級排水型深V型船在巡航速度至最大航速范圍內(nèi)，可以獲得阻力增值不超過4.5%、正橫浪橫搖幅值減少25%的舭龍骨方案。

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［責(zé)任編輯：盧圣芳］

Method of reducing the roll amplitude of a deep-vee hull at zero speed

DONG Runpeng，DONG Wencai，YAO Chaobang
Department of Naval Architecture Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China

A series of resistance and roll decay model tests are conducted in order to solve the large roll amplitude problem of one kiloton deep-vee ship with zero speed under rough sea condition.The roll re?sponse in regular waves is first obtained by solving the nonlinear roll motion equation,and the roll ampli?tude of the full scale hull in seaway is then predicted in the ITTC wave spectrum.The influences of length, width,location,and continuity of blige keel on resistance,roll damping,and roll amplitude are studied,re?spectively.The results indicate that incorporating a kind of bilge keel can reduce the rolling amplitude at zero speed by 25%and control the drag addition within 4.5%from cruising speed to maximum speed. These tests provide technical support to reduce the roll amplitude of kiloton deep-vee hull under the moor?ing state in seaway.

deep-vee ship；bilge keel；model test；roll decay test

U661.1

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2015.06.003

http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20151110.1025.006.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

董潤鵬，董文才，姚朝幫.深V型船零速橫搖改善措施［J］.中國艦船研究，2015，10（6）：15-20. DONG Runpeng，DONG Wencai，YAO Chaobang.Method of reducing the roll amplitude of a deep-vee hull at zero speed［J］.Chinese Journal of Ship Research，2015，10（6）：15-20.

2015-06-10 < class="emphasis_bold"> 網(wǎng)絡(luò)出版時間：

時間：2015-11-10 10:25

董潤鵬，男，1990年生，碩士生。研究方向：船舶流體力學(xué)。E-mail：dongxiaopeng1990@163.com董文才（通信作者），男，1967年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：高性能船水動力性能，艦船波浪中運動性能，水面、水下航行器減阻技術(shù)。E-mail：haigongdwc@163.com