月池水動(dòng)力特性及其對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)的影響研究

鄒 康，桂滿海，羅 良

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203）

月池水動(dòng)力特性及其對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)的影響研究

鄒 康，桂滿海，羅 良

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203）

針對(duì)某深水多功能水下工程船，運(yùn)用模型試驗(yàn)方法開展月池的水動(dòng)力特性及其對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)的影響研究。研究結(jié)果表明，該船的月池對(duì)外界波浪具有較好的屏蔽作用，月池內(nèi)波面相對(duì)升高與船外相比明顯降低，但其對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)的影響有限。此外，從月池內(nèi)波面相對(duì)升高的響應(yīng)譜來看，月池內(nèi)水體的振蕩具有明顯的雙峰特性，而月池自激振蕩對(duì)月池內(nèi)相對(duì)波面升高的影響非常顯著。從能量的角度對(duì)自激振蕩的影響程度進(jìn)行定量分析，研究成果有助于定量分析月池的振蕩特性并為該類月池的設(shè)計(jì)提供參考。

月池；水動(dòng)力特性；船舶運(yùn)動(dòng)；模型試驗(yàn)

0 引 言

對(duì)于大多數(shù)水下作業(yè)工程船而言，為便于開展水下作業(yè)及保護(hù)相關(guān)作業(yè)設(shè)備和人員的安全，往往會(huì)在船體上開設(shè)若干個(gè)月池。設(shè)計(jì)合理的月池通常能有效屏蔽外部波浪的作用，降低月池內(nèi)波面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使作業(yè)設(shè)備和人員出入水更加安全。月池內(nèi)水體的運(yùn)動(dòng)一般有活塞運(yùn)動(dòng)和晃蕩運(yùn)動(dòng)2種形式，其中：活塞運(yùn)動(dòng)在月池深度方向上進(jìn)行；晃蕩運(yùn)動(dòng)在月池水平方向上[1]進(jìn)行，通常在水平尺寸較大的長(zhǎng)月池中較為顯著。月池運(yùn)動(dòng)的固有頻率主要受船舶吃水、月池尺寸及阻尼等因素的影響。

目前，研究月池水動(dòng)力特性的方法主要有模型試驗(yàn)、理論研究和數(shù)值計(jì)算等。

1) 在模型試驗(yàn)方面：FUKDA[1]通過試驗(yàn)研究月池內(nèi)流體的運(yùn)動(dòng)方式，同時(shí)將試驗(yàn)與理論相結(jié)合提出一個(gè)計(jì)算月池垂向活塞運(yùn)動(dòng)固有頻率的經(jīng)驗(yàn)公式，該公式至今仍被廣泛采用；KAWABE等[2]基于模型試驗(yàn)和理論方法研究鉆井船在波浪條件下的月池內(nèi)波面升高，通過在月池壁面上引入人工阻尼來考慮黏性阻尼的影響，計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果的吻合度較好；VEER等[3]采用模型試驗(yàn)方法研究月池對(duì)阻力的影響，指出晃蕩運(yùn)動(dòng)對(duì)月池阻力的影響程度與活塞運(yùn)動(dòng)相同；姚熊亮等[4]研究不同來流下月池內(nèi)的振蕩特性，指出月池內(nèi)部同時(shí)存在月池固有振蕩和流體動(dòng)力振蕩。

2) 在理論研究方面：FALTINSEN[5]通過將月池內(nèi)的流體活塞運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為一維振蕩系統(tǒng)，得到月池流體活塞運(yùn)動(dòng)固有周期計(jì)算公式，表明該固有周期與吃水相關(guān)；MOLIN[6]基于勢(shì)流理論推導(dǎo)二維月池和三維月池內(nèi)活塞運(yùn)動(dòng)的固有頻率。

3) 在數(shù)值計(jì)算方面：CHEN[7]基于三維勢(shì)流理論求解設(shè)有月池船舶的水動(dòng)力及運(yùn)動(dòng)問題，并通過在月池內(nèi)自由面條件中引入耗散項(xiàng)來考慮流動(dòng)的耗散性；ALSGAARD[8]通過基于RANS方程的計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法研究二維月池內(nèi)的活塞運(yùn)動(dòng)，并將其與模型試驗(yàn)相比較，二者的吻合度較好；孫采微等[9]基于CFD方法進(jìn)行設(shè)有月池船舶的運(yùn)動(dòng)計(jì)算。

這里針對(duì)某深水多功能水下工程船，通過模型試驗(yàn)開展月池的水動(dòng)力特性及其對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)的影響研究，并從能量的角度對(duì)自激振蕩的影響程度進(jìn)行定量分析。研究成果有助于定量分析月池的振蕩特性并為此類月池的設(shè)計(jì)提供參考。

1 研究對(duì)象

研究對(duì)象為某深水多功能水下工程船。該船垂線間長(zhǎng)、船寬及吃水分別為152m，32m和8.5m；船舯前后共設(shè)置有3個(gè)月池（包括1個(gè)工作月池和2個(gè)潛水月池）；月池內(nèi)四周雙層底以上均設(shè)置有孔型格柵結(jié)構(gòu)（見圖1）。工作月池格柵所圍尺寸為8.4m×7.0m，鋼圍壁所圍尺寸為11.2m×9.8m；潛水月池格柵所圍尺寸為4.2m×4.3m，鋼圍壁所圍尺寸為5.6m×6.3m。

模型試驗(yàn)在零航速及不規(guī)則波條件下進(jìn)行，有義波高為3.0m（有義波幅為1.5m），譜峰周期為11.0s，波浪譜形式為JONSWAP譜，γ值取3.3。試驗(yàn)測(cè)量月池全開和關(guān)閉狀態(tài)下船舶的運(yùn)動(dòng)及月池內(nèi)波面的相對(duì)升高。圖2～圖4分別為橫浪模型試驗(yàn)、工作月池模型和潛水月池模型。

圖1 月池布置示意

圖2 橫浪模型試驗(yàn)

圖3 工作月池模型

圖4 潛水月池模型

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 月池對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)的影響分析

圖5～圖7分別為不同浪向下月池開啟和關(guān)閉狀態(tài)下的垂蕩、縱搖及橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)單幅有義值模型試驗(yàn)結(jié)果比較，其中橫坐標(biāo)為浪向。從圖5～圖7中可看出：就本船而言，月池對(duì)垂蕩運(yùn)動(dòng)和縱搖運(yùn)動(dòng)的影響較小，在月池開啟和關(guān)閉狀態(tài)下垂蕩與縱搖運(yùn)動(dòng)的差別均＜3%；月池對(duì)橫搖運(yùn)動(dòng)的影響略大，在月池開啟狀態(tài)下橫搖值有所增大，橫浪90°時(shí)最大，約增加10%，原因可能是在船舶重心高度不變、月池開啟狀態(tài)下同時(shí)改變了船舶的初穩(wěn)性高和橫搖慣量值，繼而改變了橫搖特性；但總體上就本船來說，月池的存在對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)的影響非常有限。

2.2 月池對(duì)外界波浪的屏蔽作用分析

圖8為工作月池內(nèi)相對(duì)波面升高響應(yīng)的單幅有義值，其中橫坐標(biāo)為浪向。從圖8中可看出：月池內(nèi)波面升高的最大值發(fā)生在隨浪和艉斜浪處，約0.95m：最小值發(fā)生在艏斜浪處，約0.75m；而外界波浪的有義波幅為1.5m。由此可見，該工作月池對(duì)外界波浪的屏蔽作用明顯，波面運(yùn)動(dòng)幅度減少量最大達(dá)50%左右。

圖6 縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)單幅有義值對(duì)比

圖5 垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)單幅有義值對(duì)比

圖7 橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)單幅有義值對(duì)比

圖8 工作月池內(nèi)相對(duì)波面升高響應(yīng)的單幅有義值

2.3 月池內(nèi)相對(duì)波面升高運(yùn)動(dòng)時(shí)歷分析

為研究月池內(nèi)波面運(yùn)動(dòng)特性和頻率成分，對(duì)月池內(nèi)相對(duì)波面升高運(yùn)動(dòng)時(shí)歷進(jìn)行譜分析。圖9～圖11分別為不同浪向下工作月池和左/右舷潛水月池內(nèi)相對(duì)波面升高的響應(yīng)譜。從圖9～圖11中不難發(fā)現(xiàn)，月池內(nèi)相對(duì)波面升高響應(yīng)譜具有明顯的雙峰特性，其中：低頻峰值頻率約為0.57rad/s（對(duì)應(yīng)周期約為11s），對(duì)應(yīng)外界波浪的譜峰頻率（強(qiáng)迫振蕩成分）；高頻峰值頻率約為0.85rad/s，對(duì)應(yīng)工作月池和潛水月池的固有頻率（自激振蕩成分）。

由文獻(xiàn)[1]可知月池垂向活塞運(yùn)動(dòng)固有頻率計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式為

式(1)中：d為吃水，m；g為重力加速度，m/s2；A為月池截面積，m2。計(jì)算得到工作月池和潛水月池的固有頻率分別為0.87rad/s及0.95rad/s。由此可見：對(duì)于工作月池，通過模型試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)公式得到的固有頻率較為吻合；而對(duì)于潛水月池，兩者有一定的差別；總體而言，模型試驗(yàn)值均小于經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值。造成該差別的原因可能是月池內(nèi)設(shè)置的孔型阻尼格柵會(huì)增加月池內(nèi)流體振蕩的阻尼，而經(jīng)驗(yàn)公式未考慮孔型格柵的阻尼影響，從而會(huì)降低無(wú)阻尼振蕩運(yùn)動(dòng)的固有頻率，使經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的月池固有頻率值偏大。

圖9 不同浪向工作月池波面升高響應(yīng)譜

圖10 不同浪向左舷潛水月池波面升高響應(yīng)譜

此外，從圖9～圖11中還可看出，不同浪向下月池內(nèi)強(qiáng)迫振蕩成分和自激振蕩成分所占的比例不盡相同。以工作月池為例，橫浪90°時(shí)自激振蕩成分比強(qiáng)迫振蕩多，而頂浪180°和順浪0°時(shí)強(qiáng)迫振蕩成分較多。具體來說，若以頻率0.7rad/s作為強(qiáng)迫振蕩和自激振蕩的區(qū)分點(diǎn)，則不同浪向下工作月池中強(qiáng)迫振蕩能量和自激振蕩能量占總能量的百分?jǐn)?shù)見表1。從表1中可看出，浪向從隨浪0°變化至頂浪180°的過程中，自激振蕩能量百分?jǐn)?shù)先增大后減小，橫浪時(shí)最大（達(dá)到67%），頂浪時(shí)最?。?8%）。

因此，在設(shè)計(jì)月池過程中，在滿足布置和強(qiáng)度等要求的同時(shí)，還要根據(jù)作業(yè)海況的特點(diǎn)合理設(shè)計(jì)月池相關(guān)參數(shù)，盡量避免發(fā)生共振。同時(shí)，可在月池作業(yè)過程中選擇合理的浪向，以便進(jìn)一步降低月池內(nèi)的振蕩。

圖11 不同浪向右舷潛水月池波面升高響應(yīng)譜

表1 不同浪向下工作月池中強(qiáng)迫振蕩能量和自激振蕩能量占總能量的百分?jǐn)?shù)

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)某深水多功能水下工程船，運(yùn)用模型試驗(yàn)方法開展月池的水動(dòng)力特性及其對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)的影響研究，可得到以下結(jié)論：

1) 就研究對(duì)象而言，月池對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)的影響非常有限，對(duì)垂蕩運(yùn)動(dòng)和縱搖運(yùn)動(dòng)的影響≤3%；

2) 月池對(duì)外界波浪具有較好的屏蔽作用，工作月池對(duì)外界波浪的屏蔽作用最大達(dá)到50%左右；

3) 月池內(nèi)水體的振蕩具有明顯的雙峰特性，而月池自激振蕩對(duì)月池內(nèi)相對(duì)波面升高的影響非常顯著，自激振蕩能量成分最多可達(dá)67%；

4) 從月池共振頻率來看，模型試驗(yàn)結(jié)果較經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值小，原因可能是經(jīng)驗(yàn)公式未考慮孔型格柵的阻尼影響，而孔型格柵的設(shè)置會(huì)增加月池內(nèi)流體振蕩的阻尼，從而降低無(wú)阻尼振蕩運(yùn)動(dòng)的固有頻率；

5) 研究成果有助于定量分析月池的振蕩特性并為該類月池的設(shè)計(jì)和作業(yè)等提供參考。

[1] FUKUDA K. Behavior of water in vertical well with bottom opening of ship, and its effect on ship motions [J]. Journal of the Society of Naval Architects of Japan, 1977, 141: 107-122.

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[3] VEER R V, THOLEN H J. Added resistance of moonpools in calm water [C]. 27th OMAE, 2008: 130-139.

[4] 姚熊亮，康莊. 圓形月池流激振蕩實(shí)驗(yàn)研究[J]. 力學(xué)學(xué)報(bào)，2007, 39 (3): 333-342.

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Study on Moonpool Hydrodynamics and Its Effect upon Ship Motions

ZOU Kang，GUI Man-hai，LUO Liang

（Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute, Shanghai 201203, China）

This paper studies the moonpool hydrodynamics and its effect on ship motions through the model test of a deepwater multi-purpose subsea construction vessel. The result shows that the moonpool has a good ability to keep out the outside waves. It has only limited the effect on the ship motions but the wave elevations inside the moonpool are clearly reduced when compared with those outside the ship. Moreover, the response spectrum of wave elevation inside the moonpool has an obvious double-peak feature, and the self-oscillation of the moonpool influences significantly on the wave elevation inside. The level of the self-oscillation influence is studied quantitatively from the energy point of view.The result is useful for the quantitative analysis of the moonpool oscillation characteristics and could provide references for the design of this type of moonpools.

moonpool; hydrodynamic characteristic; ship motion; model test

U661.1

A

2095-4069 (2017) 05-0059-05

10.14056/j.cnki.naoe.2017.05.011

2016-04-13

鄒康，男，高級(jí)工程師，碩士，1982年生。2009年畢業(yè)于江蘇科技大學(xué)船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造專業(yè)，現(xiàn)從事船舶與海洋工程水動(dòng)力學(xué)研究。