多槳船附體對(duì)橫搖運(yùn)動(dòng)的影響研究

王建方，王文全

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011）

多槳船附體對(duì)橫搖運(yùn)動(dòng)的影響研究

王建方，王文全

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011）

多槳船一般會(huì)安裝更多的附體，這些附體突出于裸船體表面，必將對(duì)耐波性能產(chǎn)生影響。以某一多槳船為研究對(duì)象，開展了船模在安裝5個(gè)不同附體組合情況下多個(gè)航速的靜水橫搖自由衰減試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)測(cè)試結(jié)果分析，獲得了不同附體方案橫搖阻尼系數(shù)的量化結(jié)果。并以此為數(shù)據(jù)輸入，采用耐波性三維理論計(jì)算軟件預(yù)報(bào)不規(guī)則波中該多槳船的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，并選取橫浪下的橫搖運(yùn)動(dòng)，重點(diǎn)分析不同附體方案對(duì)多槳船橫搖運(yùn)動(dòng)的影響。該研究可為多槳船耐波性線性理論預(yù)報(bào)中橫搖阻尼系數(shù)的選取以及附體的初步設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

多槳船；附體；耐波性；船模試驗(yàn)；橫搖運(yùn)動(dòng)

0　引 言

一般來(lái)說(shuō)，將裸船體外承擔(dān)一定功能的附屬體稱為附體，如舭龍骨、軸包套、呆木、舵、軸支架、螺旋槳和減搖鰭等，這些附體有的是為改善運(yùn)動(dòng)性能加裝的，如呆木、減搖鰭；有些是推進(jìn)必需的，如螺旋槳，因此附體的加裝各有側(cè)重點(diǎn)［1］。在附體設(shè)計(jì)中，人們更多地關(guān)注加裝附體對(duì)綜合航行性能的影響，如快速性能［2］，或者是某個(gè)附體對(duì)某一性能的機(jī)理性影響［3］，比如呆木的加裝更多地關(guān)注其對(duì)操縱性能的影響，而很少關(guān)注其對(duì)耐波性的影響。

船舶的耐波性能一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)之一。近百年來(lái)，造船設(shè)計(jì)師開拓創(chuàng)新，在摸索耐波性預(yù)報(bào)方法的同時(shí)，結(jié)合工程實(shí)際需求致力于解決各類耐波性問(wèn)題，如不同船型的耐波性研究［4］、耐波性輸入?yún)?shù)（包括重心位置、慣性矩等）的影響研究等。

目前，盡管許多耐波性理論預(yù)報(bào)方法漸趨成熟，但線性理論以其計(jì)算效率高、準(zhǔn)確度可接受成為耐波性預(yù)報(bào)的首選方法之一。在線性理論預(yù)報(bào)中，橫搖阻尼系數(shù)是影響多浪向下船舶橫搖運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)精度的要素之一，不同的船型其橫搖阻尼系數(shù)各有差異［5］。一般情況下，初步計(jì)算時(shí)會(huì)采用一些通用的經(jīng)驗(yàn)公式，但其精度有待考核，而工程應(yīng)用中會(huì)較多地借助于船模試驗(yàn)。這對(duì)單槳船是如此，對(duì)多槳船的耐波性研究同樣非常重要，特別是多槳船附體眾多，其附體到底會(huì)對(duì)耐波性特別是橫搖運(yùn)動(dòng)帶來(lái)多大的影響，利用船模試驗(yàn)較系統(tǒng)地分析其影響范圍及量值的研究目前相對(duì)較少，本文針對(duì)某一特定多槳船型，通過(guò)開展不同附體方案的橫搖自由衰減試驗(yàn)，結(jié)合不規(guī)則波理論預(yù)報(bào)，為多槳船耐波性預(yù)報(bào)中橫搖阻尼系數(shù)的確定提供技術(shù)參考。

1　多槳船模主尺度參數(shù)及附體方案

某多槳船模設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)3.63m，寬約0.47m，吃水約0.12m，排水量≈127kg，常規(guī)船型，4軸4槳推進(jìn)，具有確定的重心高及慣性矩。其附體包括舭龍骨、軸包套、呆木、舵和軸支架等。

為了研究附體的影響效應(yīng)，針對(duì)5個(gè)附體方案開展研究工作，附體方案見表1。

表1　附體方案

2　靜水中橫搖自由衰減試驗(yàn)

采用理論方法確定橫搖阻尼系數(shù)尚有困難，最可靠的方法仍是由實(shí)船或船模試驗(yàn)確定。對(duì)表1的5個(gè)附體方案開展了4個(gè)航速（弗勞德數(shù)Fr=0，0.174，0.231，0.289）下的靜水橫搖自由衰減試驗(yàn)。其船模采用玻璃鋼制成，有完整的甲板、船體外型以及相應(yīng)的附體，如舭龍骨、呆木、軸支架、軸包套等。

通過(guò)船模橫搖自由衰減試驗(yàn)，可獲得各附體方案在不同航速下的橫搖衰減曲線。由衰減曲線求得消滅曲線，從而求得消滅系數(shù)a與b；同時(shí)，通過(guò)衰減曲線還可求得橫搖固有周期與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。其中，不同附體方案其消滅系數(shù)a與b的變化見圖1。

圖1的船模試驗(yàn)數(shù)值結(jié)果表明，在各種附體狀態(tài)下，有航速時(shí)的消滅系數(shù)比零航速時(shí)要大幅增加。一般情況下，航速越高阻尼系數(shù)越大。在增加了舭龍骨后（方案2），船體的消滅系數(shù)相對(duì)于方案1會(huì)大幅增加，在低航速時(shí)，消滅系數(shù)a增加了約一倍，而消滅系數(shù)b增幅達(dá)數(shù)倍；在高航速時(shí)，消滅系數(shù)a增加了約50%，而消滅系數(shù)b增加了約3倍。在增加了舵后（方案3），與方案2相比，消滅系數(shù)a有所增加，但增幅并不明顯；對(duì)于消滅系數(shù)b，低航速時(shí)方案3有所增加，而在高航速時(shí)有所減小。在增加了軸包套后（方案4和方案5），相對(duì)于方案3，消滅系數(shù)a略有下降，而消滅系數(shù)b略有增加，這些差異主要是軸包套和船體間產(chǎn)生的流體動(dòng)力干擾造成的。通過(guò)綜合考察各種附體對(duì)橫搖阻尼的貢獻(xiàn)，研究表明，舭龍骨的貢獻(xiàn)是最大的，而軸包套長(zhǎng)短所帶來(lái)的影響相對(duì)較小。

圖1　靜水橫搖阻尼消滅系數(shù)

3　不規(guī)則波中附體對(duì)橫搖運(yùn)動(dòng)的影響分析

為進(jìn)一步研究不同附體方案對(duì)橫搖運(yùn)動(dòng)的影響，采用船級(jí)社開發(fā)的三維頻域理論預(yù)報(bào)軟件［6］，以船模試驗(yàn)獲得的橫搖阻尼系數(shù)為輸入，開展了不規(guī)則波中實(shí)船（與船模的尺度比≈78）在不同附體方案下的橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)預(yù)報(bào)。為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，考慮到橫浪下船舶一般具有相對(duì)較大的橫搖運(yùn)動(dòng)，因此選擇橫浪作為典型工況。計(jì)算中不規(guī)則波采用ITTC雙參數(shù)譜，并考慮了3個(gè)海況級(jí)別：四級(jí)、五級(jí)及六級(jí)，H1/3=2.5m、4.0m與6.0m，海浪特征周期分別對(duì)應(yīng)為6.2s、6.8s與8.7s。不同附體方案相對(duì)方案2的橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)結(jié)果見表2。

由理論計(jì)算結(jié)果可知，由于不同附體方案其橫搖阻尼系數(shù)各有差異，因此橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)也存在一定的變化。在四級(jí)、五級(jí)海況下各附體方案在同一航速下的差異相對(duì)較小，最大僅為1.7%。在六級(jí)海況下差異較顯著，特別是方案1相比方案2增大約12.50% ～ 46.5%，對(duì)比船模試驗(yàn)中橫搖阻尼系數(shù)的變化規(guī)律，很明顯兩者結(jié)果保持一致，因此在5種附體方案中，舭龍骨對(duì)橫搖運(yùn)動(dòng)改善帶來(lái)的貢獻(xiàn)最大。

對(duì)于不同的軸包套方案，六級(jí)海況下短包套方案對(duì)改善橫搖運(yùn)動(dòng)相對(duì)更有利，相比方案2在Fr=0.174時(shí)可改善約3%；而長(zhǎng)包套方案在某些航速下反而加劇了橫搖運(yùn)動(dòng)，如在六級(jí)海況、Fr=0.174時(shí)，相比方案2橫搖運(yùn)動(dòng)增加約6.4%。

表2　不同附體方案的橫搖運(yùn)動(dòng)比較

4　結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)開展橫搖自由衰減船模試驗(yàn)，結(jié)合橫浪不規(guī)則波下的橫搖響應(yīng)運(yùn)動(dòng)的理論預(yù)報(bào)，以船模試驗(yàn)獲得的橫搖阻尼系數(shù)為輸入，研究了不同附體方案對(duì)橫搖阻尼以及橫搖運(yùn)動(dòng)的影響，計(jì)算表明：

1） 在低海況（如四級(jí)、五級(jí)）下，不同附體方案對(duì)橫搖的影響相對(duì)較小，低于2%。因此在多槳船耐波性預(yù)報(bào)時(shí)，若多槳船航行實(shí)際海況較小，則可以忽略附體對(duì)橫搖的影響效應(yīng)；在橫搖阻尼系數(shù)確定時(shí)，可不考慮附體的影響。類似本文介紹的船型，其消滅系數(shù)a和b可取不同航速下方案1（加裝呆木）的數(shù)值；

2） 在中高海況（如六級(jí)）下，不同附體方案對(duì)橫搖的影響相對(duì)較大，在5個(gè)附體方案中舭龍骨加裝帶來(lái)的影響最為顯著，最大情況可改善橫搖50%左右，因此若多槳船航行實(shí)際海況較高，則理論預(yù)報(bào)時(shí)橫搖阻尼系數(shù)取值建議考慮附體的影響，尤其是必須考慮舭龍骨的加裝，否則將嚴(yán)重影響耐波性理論的預(yù)報(bào)精度。類似本文介紹的船型，其消滅系數(shù)a、b至少需采用方案2（加裝舭龍骨）的數(shù)值；

3） 在中高海況（如六級(jí)）下，兩種軸包套方案中方案4（加裝短包套）更利于改善橫搖運(yùn)動(dòng)，但改善幅值不大，最大約3%左右。因此在工程設(shè)計(jì)中，建議軸包套可按實(shí)際需求如軸系的安裝、對(duì)阻力的影響等進(jìn)行設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上可考慮改變軸包套尺度以適度改善多槳船的耐波性能。

［1］ 沈海龍，蔡昊鵬，蘇玉民. 肥大型船整流附體的性能研究［J］. 船舶力學(xué)，2012， 16 （4）： 359-367.

［2］ 馮 毅. 多槳船附體阻力的預(yù)報(bào)方法［J］. 船舶，2010， 21 （2）： 15-19.

［3］ 何德明，李遠(yuǎn)林. 船舶前置導(dǎo)流管流態(tài)的數(shù)值計(jì)算與分析［J］. 船舶工程，2004， 26 （4）： 22-25.

［4］ 許 勇，董文才. 一種高速雙體船耐波性的快速預(yù)報(bào)方法［J］. 船舶力學(xué)，2014 （6）： 644-661.

［5］ 潘徐杰. 海洋工程輔助船橫搖阻尼及舭部形狀優(yōu)化研究［J］. 船舶與海洋工程，2013， 29 （4）： 23-28.

［6］ 姜宗玉. 船舶在波浪線性運(yùn)動(dòng)的三維頻域計(jì)算技術(shù)研究［D］. 大連：大連理工大學(xué)，2008.

Study on the Influence of Appendages of a M ulti-screw Ship on Roll M otions

WANG Jian-fang， WANG Wen-quan

（Marine Design & Research Institute of China， Shanghai 200011）

Multi-screw ships usually have more appendages which extrude outside the bare hull and inevitably influence the ship seakeeping performance. This study carries out free roll decay tests on a multi-screw ship w ith five different appendage combinations under different ship speeds in calm water， and obtains quantitative results of the roll damping coefficients corresponding to different appendage schemes by analyzing the test data. When these data are taken as input，the motion responses of the multi-screw ship in irregular waves could be predicted w ith a 3D seakeeping theoretical computation software， and the roll motions in beam waves could be selected to analyze the influence of each appendage scheme on ship roll motions. The study provides reference for the determ ination of roll damping coefficients of the multi-screw ship seakeeping prediction， as well as for the preliminary design of appendages.

multi-screw ship； appendage； seakeeping； model test； roll motion

U661.32

A

2095-4069 （2016） 02-0001-03

10.14056/j.cnki.naoe.2016.02.001

2015-06-01

王建方，女，高級(jí)工程師，1977年生。2005年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)流體力學(xué)專業(yè)，現(xiàn)從事船舶總體設(shè)計(jì)工作。