全回轉(zhuǎn)槳船靜水及風浪中模型試驗對比分析

吳興亞，高霄鵬

(海軍工程大學 艦船工程系，武漢 430033)

全回轉(zhuǎn)槳船靜水及風浪中模型試驗對比分析

吳興亞，高霄鵬

(海軍工程大學 艦船工程系，武漢 430033)

針對全回轉(zhuǎn)槳船型及其在風浪中操縱性能分析規(guī)程的不完備性，以某全回轉(zhuǎn)槳船模為研究對象，在湖泊中開展回轉(zhuǎn)、Z形以及航向穩(wěn)定性的風浪大尺度自航模試驗，并與靜水中的試驗結(jié)果進行對比，分析總結(jié)全回轉(zhuǎn)槳船舶在靜水及風浪中的操縱性能，為風浪中船舶操縱試驗規(guī)程的建立提供依據(jù)。

全回轉(zhuǎn)槳；操縱性；風浪；自航模試驗

隨著航運業(yè)的發(fā)展，對于船舶的操縱性要求越來越高。目前，一般采用基于特征參數(shù)的回歸公式或數(shù)據(jù)庫[1]的方法、自航模試驗[2]方法,以及基于數(shù)學模型的數(shù)值計算[3]方法對船舶初始設計階段的操縱性進行研究預報。試驗研究作為預報船舶操縱性最為可靠的方法，可以驗證理論計算以及數(shù)值仿真結(jié)果的正確性，已經(jīng)得到廣泛的應用[4]。

區(qū)別于常規(guī)的推進裝置，作為槳舵合一的全回轉(zhuǎn)推進器，可以繞軸線作360°回轉(zhuǎn)，能夠獲取各個方向上的最大推力，使船舶擁有異常靈敏的操縱性，能夠?qū)崿F(xiàn)船舶的原地回轉(zhuǎn)、橫向移動、緊急后退，以及在微速范圍內(nèi)進行操舵等特殊駕駛操作[5]。同時，由于全回轉(zhuǎn)推進裝置的靈活性，導致全回轉(zhuǎn)槳船舶操縱機動性強的同時航行穩(wěn)定性較差[6]，而目前國內(nèi)外學者對于全回轉(zhuǎn)槳船舶操縱性的試驗研究[7-10]大部分是基于靜水環(huán)境，對于其風浪中[11]的操縱性能的探究相對較少，同時，對于風浪中船舶操縱性能分析標準，目前尚無相應的規(guī)程規(guī)范可參照。鑒于此，針對某全回轉(zhuǎn)槳船模，進行在風浪中的大尺度自航模試驗，并與靜水中操縱性試驗結(jié)果相比較，探究其在風浪中的操縱特性。

1 自航模試驗

1.1 試驗模型

計算對象是一艘全回轉(zhuǎn)槳推進民用打撈船背景的玻璃鋼船模，船模的量綱—的量化主要參數(shù)見表1。所用推進裝置為1對吊艙式全回轉(zhuǎn)對轉(zhuǎn)槳，槳的主要幾何參數(shù)見表2[1]。

表1 船模量綱一的量化主要參數(shù)

表2 螺旋槳主要幾何參數(shù)

1.2 試驗測量系統(tǒng)

自航模測控系統(tǒng)全部由計算機完成對船模的操控及運動參數(shù)的采集。自航模控制系統(tǒng)由岸上基地操縱系統(tǒng)、船載執(zhí)行系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，其中采用GPS定位系統(tǒng)記錄船舶軌跡，標稱平面橢圓誤差為2 cm；采用慣導系統(tǒng)測量模型的相關運動參數(shù)；采用超聲波式浪高儀測定試驗現(xiàn)場的浪高、流速；采用YGY-FSXY1風速風向儀測量試驗現(xiàn)場風速風向。數(shù)據(jù)傳輸采用無線通訊設備，將記錄數(shù)據(jù)及時傳回岸基控制系統(tǒng)，主要采集數(shù)據(jù)參數(shù)包括：傾角、航速、航向、坐標位置、三軸加速度、三軸角速度、舵機的轉(zhuǎn)舵時間和轉(zhuǎn)舵的角度、主推電機轉(zhuǎn)速、主機的運行工況等。

1.3 試驗內(nèi)容

試驗在某開闊水域中進行，湖泊水深為15～20 m，試驗現(xiàn)場湖底目標處的流速為0.75 m/s，湖面浪高為11.5 cm，風速為1.0～1.4 m/s，滿足自航模試驗在蒲氏二級風以下的國標要求。

1.3.1 回轉(zhuǎn)操縱性試驗

回轉(zhuǎn)試驗中，船模航速為2 m/s，試驗范圍從右滿舵(35°舵角)至左滿舵間選取±35°、±30°、±25°、±20°、±15° 10個舵角。試驗中實時記錄船模的運動軌跡和艏向角，測定穩(wěn)定回轉(zhuǎn)中的戰(zhàn)術直徑、橫傾角等參數(shù)，記錄試驗過程中航速的變化、回轉(zhuǎn)角速度，以及回轉(zhuǎn)周期等數(shù)據(jù)，同時實時監(jiān)測記錄試驗現(xiàn)場的波浪環(huán)境。

1.3.2 Z形操縱性試驗

Z形操縱試驗中，試驗在船模航速2 m/s，舵角為±10°、±20°下進行。試驗中連續(xù)記錄航速、舵角及艏向角隨時間的變化，以及實時監(jiān)測記錄現(xiàn)場的波浪環(huán)境。

1.3.3 航向穩(wěn)定性試驗

在V=2 m/s下進行風浪中的航向穩(wěn)定性試驗，當船舶直航加速操舵至穩(wěn)定回轉(zhuǎn)后，操舵回零，記錄艏向角及舵角，檢測船模剩余角速度。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 回轉(zhuǎn)試驗分析

圖1、圖2為風浪及靜水中船舶回轉(zhuǎn)運動過程中的軌跡時歷曲線。由圖2可見，風浪對船舶回轉(zhuǎn)產(chǎn)生了顯著影響，使船模在回轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生了一個較為明顯的漂移量，使回轉(zhuǎn)軌跡線呈一明顯的螺旋線形狀，而靜水中的回轉(zhuǎn)效果較為理想。

圖3為風浪及靜水中戰(zhàn)術直徑對比曲線，根據(jù)《艦船通用規(guī)范》，水面艦船的回轉(zhuǎn)能力可以以無因次戰(zhàn)術直徑的值來衡準。如圖5所示，在靜水及風浪環(huán)境中，隨著所操舵角的增大，戰(zhàn)術直徑均不斷減小，而風浪中各執(zhí)行舵角下的戰(zhàn)術直徑比靜水中增大44%～52%，但均滿足規(guī)范中滿舵回轉(zhuǎn)時無因次戰(zhàn)術直徑不大于4.5的要求。結(jié)果表明風浪中全回轉(zhuǎn)槳船的回轉(zhuǎn)性能減低明顯。

圖4為風浪及靜水中速降對比曲線，可以看出速降系數(shù)隨著執(zhí)行舵角的增大而減小，風浪中速降系數(shù)較靜水中增大約8.6%～21.3%，說明風浪中船舶回轉(zhuǎn)時航速較靜水中大，而在滿舵(35°)回轉(zhuǎn)時速降均在50%以下，即均可以在緊急情況下有著較好的緊急避讓效果，風浪中的旋回性能相對較差[12]。

圖5、圖6為靜水和風浪中的橫傾角，以及最大橫傾角對比曲線。與常規(guī)推進船舶不同，全回轉(zhuǎn)槳船舶的橫傾角隨著操舵角的增大而減小，靜水中的減小趨勢較風浪中明顯；而最大橫傾角隨著操舵角的增大不斷增大，且風浪中增幅較大。表明全回轉(zhuǎn)槳船舶風浪中回轉(zhuǎn)初始階段受橫向力矩較大，風險較靜水中較高，而穩(wěn)定回轉(zhuǎn)中穩(wěn)性較好。

圖7為約4級海況不同航速下回轉(zhuǎn)漂移量與操舵角的關系曲線，隨著所操舵角的增大，船舶的回轉(zhuǎn)漂移量不斷減小，同時可以看出風浪中船舶的回轉(zhuǎn)漂移量相對較大，表明風浪對回轉(zhuǎn)性能產(chǎn)生的較大影響，大大降低了船舶的回轉(zhuǎn)性能。

2.2 Z形操縱試驗分析

圖8、圖9為風浪中Z形操縱試驗的時歷曲線和艏向角曲線，如表3所列，風浪中船模運動的超越角和航向穩(wěn)定性指數(shù)T′均小于靜水中的數(shù)值，表明該船在風浪中的應舵性優(yōu)于靜水中；靜水中K′較大，表明靜水中船舶的回轉(zhuǎn)能力優(yōu)于風浪中；靜水中的無因次初轉(zhuǎn)期較小，表明船舶在靜水中的初始回轉(zhuǎn)性能較優(yōu)；風浪中船舶的轉(zhuǎn)艏性能指數(shù)P值大于靜水中，對于全回轉(zhuǎn)槳船型，轉(zhuǎn)艏指數(shù)必須與表示穩(wěn)定性的指數(shù)聯(lián)合應用才能全面反映其操縱性能。

試驗工況超越角/(°)無因次初轉(zhuǎn)期K'T'P靜水7.81.831.881.270.51風浪6.82.001.670.910.70

2.3 航向穩(wěn)定性試驗

圖10為回舵過程中舵角、艏向角隨時間的變化曲線，由圖可知，隨著舵角回0，船模的艏向角不斷減小趨近于0，且試驗中最終的剩余角速度小于1°/s，達到了規(guī)范中的航向穩(wěn)定性要求，表明該全回轉(zhuǎn)槳船風浪中的航向穩(wěn)定性相對較好。

3 結(jié)論

1)回轉(zhuǎn)試驗中，風浪中船模軌跡呈明顯螺旋線，產(chǎn)生了回轉(zhuǎn)漂移量，其各執(zhí)行舵角下的戰(zhàn)術直徑較靜水中增大44%～52%，速降系數(shù)增大8.6%～21.3%，表明風浪中船舶回轉(zhuǎn)性能較靜水中減低明顯，旋回性能變差，但在緊急情況下依然有著緊急避讓效果。

2)回轉(zhuǎn)試驗中，船舶最大橫傾角在靜水及風浪中皆遵循隨舵角增大而不斷增大的規(guī)律，風浪中增幅較大，而靜橫傾角隨著舵角的增大而不斷減小，靜水中減幅較大，表明風浪中船模受橫向力矩較大，面臨風險較高，但穩(wěn)定回轉(zhuǎn)中穩(wěn)性較好。

3)Z形試驗中，通過對船模性能指數(shù)K′、T′以及P的計算分析表明，船舶在風浪中的應舵性高于靜水中，而在靜水中的回轉(zhuǎn)能力較強，初始回轉(zhuǎn)性能較優(yōu)。

4)本文以某全回轉(zhuǎn)對轉(zhuǎn)雙槳大尺度船模為對象，對比研究其靜水及風浪中的操縱特性，相較前人研究的常規(guī)推進船型，有著較為相異的操縱特性規(guī)律。該研究可為今后全回轉(zhuǎn)槳船舶操縱性能的船模試驗以及仿真預報提供參考依據(jù)，對改善全回轉(zhuǎn)槳船的實際操縱具參考意義，同時可為風浪中全回轉(zhuǎn)船舶操縱規(guī)程的建立提供依據(jù)。

5)針對全回轉(zhuǎn)槳船在不同航行工況下機動靈活但缺乏較高穩(wěn)定性的特點，下一步擬建立該型船舶在風浪中的低頻操縱運動方程，進行船舶的保向舵角計算，深入研究不同風浪等級、不同航速下全回轉(zhuǎn)槳船舶的保向性能以及航向穩(wěn)定性。

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Comparative Analysis on Model Test in Static Water and Waves for Full-revolving Propeller Boat

WU Xing-ya, GAO Xiao-peng

(Dept. of Naval Architecture Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Based on the incompleteness of analytical procedures for maneuverability, a full-revolving propeller boat was taken as the research object, the free-running model tests were carried out in the lakes and waves, including circle test, the zigzag test and course stability test. The testing results were compared with that of static water test to explore the maneuvering performance of the full-revolving propeller boat in the static water and waves, and provide the basis to establish the ship maneuverability test procedures in storm.

full-revolving propeller; maneuverability; waves; free-running model test

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.02.014

2016-07-18

吳興亞(1992—)，男，碩士生

U661.33

A

1671-7953(2017)02-0062-04

修回日期：2016-08-04

研究方向:船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設計制造