考慮長(zhǎng)周期涌浪影響散貨船運(yùn)動(dòng)響應(yīng)研究*

李龍浩 支遠(yuǎn)哲 嚴(yán)慶新 關(guān)宏旭

(武漢理工大學(xué)航運(yùn)學(xué)院1) 武漢 430063) (內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2) 武漢 430063)(中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司3) 上海 200120)

0 引 言

大型散貨船進(jìn)出港時(shí)遭遇長(zhǎng)周期涌浪侵襲，會(huì)導(dǎo)致垂向運(yùn)動(dòng)的異常增大，涌浪頻率與船舶航行振動(dòng)頻率接近而產(chǎn)生共振，極易發(fā)生中拱、中垂、螺旋槳空轉(zhuǎn)等危險(xiǎn)現(xiàn)象[1]，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致船舶觸底，損壞車(chē)舵.

有關(guān)波浪造成的船舶下沉量的研究是屬于流體動(dòng)力學(xué)方面的范疇，通過(guò)船池物模試驗(yàn)獲取船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù).馮鐵城等[2]借助43艘船模在規(guī)則波中進(jìn)行迎浪自航試驗(yàn),通過(guò)回歸分析將有義縱搖幅值、有義垂蕩幅值表示為主尺度及航速的多項(xiàng)式；黃宣軍等[3]通過(guò)觀測(cè)打樁船模型在規(guī)則波涌浪條件下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)波浪周期接近船舶自振周期或錨泊系統(tǒng)自振周期時(shí)，船舶運(yùn)動(dòng)量明顯增大.物理模型所得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)更精準(zhǔn)，但耗費(fèi)的時(shí)間和費(fèi)用較高，相對(duì)而言數(shù)值模擬所需要的成本更小[4].隨著計(jì)算機(jī)水平的發(fā)展，學(xué)者們開(kāi)始借助計(jì)算機(jī)仿真軟件計(jì)算船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，Kim等[5]借助WASIM軟件對(duì)兩艘船舶的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行求解，并與線性方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比；Feng等[6]通過(guò)分離入射波和散射波改進(jìn)了傳統(tǒng)完全非線性勢(shì)流理論以提高計(jì)算效率，并采用這一方法對(duì)并列駁船間的水動(dòng)力共振問(wèn)題進(jìn)行研究；Hannan等[7]基于完全非線性水波理論，借助數(shù)值模擬的方法研究了海上起重駁船的有效工作載荷和非線性運(yùn)動(dòng)特性；Jiang等[8]采用數(shù)值模擬的方法研究了波浪作用下并排異形箱體的波浪載荷；楊波等[9]基于流體力學(xué)的方法，給出船舶在波浪中運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬方式，求取垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)幅值算子，并驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的精確性；謝海波等[10]借助SESAM軟件計(jì)算了錨泊船在波浪中的下沉量，給出了波高小于2.5 m的風(fēng)浪環(huán)境中，錨泊船的下沉幅值與船舶吃水的關(guān)系；楊玥等[11]利用BV船級(jí)社的HydroSTAR軟件計(jì)算了FPSO在雙方向風(fēng)浪及涌浪作用下的運(yùn)動(dòng)及載荷響應(yīng)與浪向的變化特點(diǎn)，并進(jìn)行了譜峰周期和航道水深的敏感性分析.

以上研究中并未對(duì)波浪的詳細(xì)要素諸如波周期、船浪向角和航道水深進(jìn)行系統(tǒng)的分析和敏感性分析，本文借助經(jīng)挪威船級(jí)社認(rèn)證的NT PRO-5000船舶仿真模擬軟件對(duì)船舶在規(guī)則波涌浪作用下散貨船橫搖幅值、縱搖幅值和垂向運(yùn)動(dòng)幅值進(jìn)行了研究.

1 基本參數(shù)及計(jì)算模型

1.1 基本參數(shù)

目標(biāo)散貨船主尺度見(jiàn)表1.

表1 散貨船主尺度

1.2 水動(dòng)力參數(shù)

散貨船橫搖周期為

(1)

散貨船縱搖周期為

(2)

式中：L為船長(zhǎng)；Cp為縱搖周期系數(shù)，這里取0.6.

散貨船垂蕩周期為

(3)

船體各固有搖蕩周期見(jiàn)表2.

表2 散貨船固有搖蕩周期 單位：s

經(jīng)過(guò)軟件計(jì)算得到最大橫搖角φ和縱搖角θ，對(duì)應(yīng)的橫搖幅值Sφ和縱搖幅值Sθ為

(4)

(5)

2 計(jì)算工況

2.1 海況

計(jì)算中的波浪要素組成包含短周期風(fēng)浪和長(zhǎng)周期涌浪，短周期波浪采用JONSWAP波譜模擬隨機(jī)波環(huán)境中的海浪，長(zhǎng)周期涌浪采用規(guī)則波疊加的方式模擬隨機(jī)波環(huán)境，風(fēng)浪和涌浪的參數(shù)見(jiàn)表3.

2.2 海況環(huán)境組合

考慮到散貨船水下結(jié)構(gòu)對(duì)稱，因此試驗(yàn)將涌浪方向規(guī)定為0°～180°，30°為間隔(0°為迎浪方向，180°為順浪方向)，波周期為5，25 s，并將該環(huán)境參數(shù)進(jìn)行組合，研究中還包含了對(duì)譜峰周期上下波動(dòng)10%的局部敏感性分析，通過(guò)對(duì)海況設(shè)置的譜峰周期和航道水深參數(shù)進(jìn)行分析，得到敏感性系數(shù)的大小(見(jiàn)式(1))，可以在實(shí)際應(yīng)用中忽略敏感性系數(shù)很小的因素，而重點(diǎn)考慮敏感性系數(shù)較大的參數(shù)，故增加了波周期為4.5，5.5，22.5，27.5 s，航道水深為10.7和13.0 m的環(huán)境組合，總共105種環(huán)境組合.

敏感性系數(shù)表示為

(6)

式中：R為試驗(yàn)輸出值；H為試驗(yàn)參數(shù)值；ΔR和ΔH分別為R和H的變化量.

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 計(jì)算結(jié)果

通過(guò)計(jì)算得到在不同海況環(huán)境中散貨船垂向運(yùn)動(dòng)幅值時(shí)歷曲線和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值(見(jiàn)表4)，由于存在淺水效應(yīng)，相同工況環(huán)境中水深為11.9 m船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)較深水條件更為劇烈，限于篇幅，文中只列出了散貨船樣本模型在25 s涌浪條件中，船艏迎浪的橫搖角幅值、縱搖角幅值和垂向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)歷曲線圖，見(jiàn)圖1.

表4 不同工況散貨船運(yùn)動(dòng)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果

圖1 水深11.7 m，波浪周期25 s船首迎浪船體運(yùn)動(dòng)時(shí)歷

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)表3和圖1可知：

1) 在指定的環(huán)境工況組合中，波周期5 s的船體垂向運(yùn)動(dòng)幅值最大為1.51 m，發(fā)生在浪向角180°時(shí)船艉附近，縱搖引起的垂向運(yùn)動(dòng)幅值大于橫搖；波周期25 s船體垂向運(yùn)動(dòng)幅值最大為2.14 m，發(fā)生在浪向角0°船艏附近，縱搖運(yùn)動(dòng)顯著為1.64 m.

2) 相同水深和浪向角的工況下，長(zhǎng)周期涌浪對(duì)散貨船的影響更為明顯，其中縱搖所引起的船體下沉幅值大于橫搖，主要原因在于雖然橫搖角度較大，但由于船舶設(shè)計(jì)為細(xì)長(zhǎng)體，船長(zhǎng)遠(yuǎn)大于船寬，且船體型線剖面呈曲線狀，進(jìn)一步降低橫搖運(yùn)動(dòng)所造成的船體下沉幅值.

3) 對(duì)于兩種不同周期的波浪，船體橫搖角度最大位置均出現(xiàn)在浪向90°橫浪處，其中短周期風(fēng)浪所引起的船體橫搖較大，是因?yàn)轱L(fēng)浪短周期5 s更迫近船舶橫搖固有周期.而縱搖角幅值最大位置均出現(xiàn)在首尾迎浪處，長(zhǎng)周期涌浪所引起的船體縱搖較大，是由于涌浪長(zhǎng)周期25 s更迫近船體縱搖固有周期的二倍周期造成的.

4 環(huán)境條件參數(shù)敏感性分析

以基準(zhǔn)環(huán)境條件作用下散貨船樣本的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)作為標(biāo)準(zhǔn)，選取浪向角0°進(jìn)行敏感性分析.基準(zhǔn)環(huán)境條件參數(shù)見(jiàn)表5.

表5 基準(zhǔn)環(huán)境條件參數(shù)

4.1 譜峰周期敏感性分析

基準(zhǔn)環(huán)境條件參數(shù)中風(fēng)浪和涌浪的譜峰周期分別為5和25 s，分別將其±10%進(jìn)行了船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)計(jì)算，獲取橫搖幅值、縱搖幅值和垂向運(yùn)動(dòng)幅值的變化，并獲取其響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)差隨波周期的變化，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6.

表6 譜峰周期敏感性分析結(jié)果

由表6可知：散貨船樣本的橫搖、縱搖和垂向運(yùn)動(dòng)均對(duì)譜峰周期較為敏感，且樣本固有橫搖周期10.7 s，固有縱搖周期8.9 s，固有垂蕩周期為6.7 s，因此擴(kuò)大涌浪周期范圍后，當(dāng)涌浪周期朝迫近其運(yùn)動(dòng)固有周期變化時(shí)，其運(yùn)動(dòng)響應(yīng)迅速增大；反之則相應(yīng)減小，如5 s附近減小波周期，橫搖、縱搖和垂向運(yùn)動(dòng)相應(yīng)減小，而25 s附近，增大波周期，橫搖、縱搖和垂向運(yùn)動(dòng)反而增大.

4.2 航道水深敏感性分析

基準(zhǔn)環(huán)境參數(shù)中水深為11.9 m，分別計(jì)算在涌浪周期25 s時(shí)航道水深±10%的船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)變化量和響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)差隨航道水深，結(jié)果見(jiàn)表7.

表7 航道水深敏感性分析結(jié)果

由表7可知：散貨船樣本在不同水深條件下的橫搖、縱搖和垂向運(yùn)動(dòng)對(duì)于水深敏感性較小，由于淺水效應(yīng)的存在，水深較淺時(shí)其運(yùn)動(dòng)相應(yīng)反而增大，且隨著水深的增加，其運(yùn)動(dòng)響應(yīng)迅速降低.

綜合譜峰周期和航道水深敏感性分析的計(jì)算結(jié)果可知，散貨船運(yùn)動(dòng)響應(yīng)對(duì)于涌浪周期的變化較為敏感，在進(jìn)出港航道水深設(shè)計(jì)的計(jì)算和分析時(shí)，需要結(jié)果散貨船運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的譜峰周期環(huán)境參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，才能得到較為可靠的計(jì)算結(jié)果，確保設(shè)計(jì)船型進(jìn)出港航行的安全.

5 結(jié) 論

1) 散貨船樣本模型在橫浪中橫搖角較大，縱浪中縱搖角較大，但是船體下沉數(shù)值主要取決于縱搖運(yùn)動(dòng)，涌浪環(huán)境中散貨船的最大垂向運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)在波向角0°和180°附近的船艏和船艉，建議船舶進(jìn)出港航行時(shí)宜避開(kāi)船艏迎浪和船艉順浪，以免船體下沉異常，造成觸底事故.

2) 涌浪的譜峰周期敏感性對(duì)散貨船的船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)影響較大，而對(duì)水深的影響較小，在進(jìn)行涌浪載荷分析和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析時(shí)，應(yīng)結(jié)合船體固有搖蕩周期對(duì)涌浪周期進(jìn)行敏感性分析，同時(shí)建議船舶進(jìn)出港應(yīng)避開(kāi)諧搖周期和固有周期的倍頻周期，以免船體產(chǎn)生諧搖，引發(fā)船體觸底事故.