受損船水動力性能研究現狀

邱云明

(1.鎮江船艇學院，江蘇鎮江212003;2.武漢理工大學 交通學院，湖北武漢430063)

0 引言

由于船舶海難事故造成巨大損失，促使人們不斷對船舶性能——結構強度、穩性、操縱性、耐波性研究，以期逐漸加深對受損船破艙進水及其航行中復雜動態行為的理解，進而研究出受損船的傾覆沉沒的機理，同時探究出受損船傾覆的影響因素、水動力的計算方法及其殘存準則。由于船舶碰撞受損后，其水動力性能會發生急劇的變化，因此對受損船水動力性能——動穩性、操縱性、耐波性的研究已成為船舶水動力學研究的一個重要課題。

近十幾年來，計算流體力學 (Computational Fluid Dynamics，CFD)技術和實驗流體動力學(Experimental Fluid Dynamics，EFD)技術在船舶水動力學學科得到成功的應用，為采用數值和實驗的手段研究船舶水動力相關問題提供了新的有效工具，也大大促進了對受損船的穩性、操縱性、耐波性的研究。其中國內外在破艙穩性研究成果較多，研究方法比較先進、成熟，并且已形成一系列穩性衡準規則及計算方法。在破艙穩性研究上，目前采用確定性方法占主流，但隨著計算機發展和計算方法完善，概率性方法將會取代確定性方法。受損船破艙穩性的現狀及其研究很多，本文主要對受損船操縱性、耐波性方面的水動力研究進展進行綜述。

1 受損船水動力研究現狀

1.1 國外研究現狀

1.1.1 研究內容

目前，國外在受損船操縱性、耐波性方面的水動力研究內容主要有:

1)受損船舶動力模型

采用非線性船舶六自由度運動的耐波性模型，同時考慮船舶漂移以及運動姿態、質心、外界擾動等隨時間變化的因素。

2)水進入及流出模型

考慮在惡劣海況中多個分艙進水及水的晃蕩情況，從而研究對受損殘存能力的影響。

3)破艙進水與船舶運動的相互影響

船舶破艙進水和船舶運動密切相關，進水 (包括進水量和進水艙的位置)影響運動，運動影響進水，建立相應的數學模型進行研究。

4)進水過程的模擬

實際受損船舶的進水是一個十分復雜的過程，它包括非水密艙室的浸透崩潰、進水時的空氣壓力等。由IMO SLF46/INF.3.2003可知:隨著受損船舶進水時間的變化，破艙進水過程可分為瞬時進水過程(transient flooding phase)、漸進過程 (progressive flooding phase)、穩定過程 (steady state phase)3個主要階段。特別在瞬時進水過程中，破艙進水對船舶水動力影響很大。Spanos［1］指出瞬態進水具有強非線性水動力特性，破損開口形狀對其影響很大。進水過程的模擬通常采用準靜態方法，即假設水的表面水平，進水的影響取決于受損開口形狀、艙內水深、諧搖、進水與船舶動力相互影響產生的附加效應。

上述研究，著重解決以下4個關鍵問題:

1)受損船傾覆的機理;

2)船舶的運動響應及其受損船的水動力大小;

3)船艙內積水及其與船體相互作用的特性;

4)進艙水流通過破損口流入與流出過程。

1.1.2 受損船數值計算數學模型

船舶在波浪上的運動方程可以在頻域和時域的范圍內求解。研究受損船的耐波性也通常用到以下模型［2］:

1)非線性的橫蕩-垂蕩-橫搖 (sway-heaveroll)耦合運動方程;

2)六自由度的非線性時域運動;

3)二維切片理論、三維面元法解決船體水動力;

4)帶有記憶效應三維勢流理論解決船體水動力;

5)N-S方程的搖蕩模型或淺水方程簡化的動態模型解決內部水動力。

1.1.3 模型試驗

近年來，基于SOLAS 90及IMO-14決議提出的模型試驗方法，土耳其、荷蘭、英國、韓國、日本等國對受損船進行了大量試驗研究。主要研究內容有:破艙船舶的抗傾覆能力;舷側受損的主要影響因素;內部艙壁結構形式對受損穩性影響等。對于滾裝船還重點開展了不同受損位置不同海況下的船舶運動、甲板上浪以及受損開口形狀對進水速率的影響等方面的研究。

土耳其的 Emin Korkut和英國的 Mehmet Atlar［3］對滾裝船模分別在完好狀態和受損狀態，在規則波的3個不同波來向 (180°，90°，45°)、不同波頻率、不同受損位置、不同波高變化對船模運動的影響做了試驗。

荷蘭的 Lionel Palazzi 和 Jan de Kat［4］(2004)為研究受損護衛艦的運動，在靜水和波浪中針對不同波高和波周期做了一些試驗，比較了不同狀態下的試驗和仿真。做試驗時，考慮進水艙室內空氣對瞬時進水和瞬時橫搖的影響，并評估了艙內氣流在船模運動中的重要性。

韓國的Dongkon Lee等［5］(2007)在36m ×4m×1.5m的試驗池里，分別針對滾裝船的機艙底受損、邊艙受損、船首門受損 (bow visor damage)3種受損，在規則波和不規則波時不同波高和波向的海況下進行了試驗。

日本Kunihiro Hoshino等專家學者對受損船模在靜水和波浪中進行了拖航試驗，主要測出受損船在不同速度和運動姿態下的阻力等［6］。

1.1.4 數值模擬

近十幾年來，國外重視受損船水動力數值模擬研究，其中，歐洲國家對受損滾裝船 (RO-RO)的研究較多，并且大多是研究瞬時進水過程的水動力問題。

英國的 Vassalos［2］(1997)等人對1艘艙室破損、航速為0的滾裝船在隨機波浪中的橫搖、垂蕩和橫蕩三自由度運動進行了數學模擬，并且考慮在隨機波浪下瞬間破艙進水、甲板積水以及縱傾等，研究了破艙長度、破艙位置、干舷高度等對破艙穩性的影響，并提出了“穩性邊界曲線”。該曲線反映船舶傾覆臨界狀態，在曲線內表明船舶安全，否則就會傾覆。Dracos.Vassalos和 L.Letizia［8］(1998)評估了受損滾裝船的殘存能力，分析了進水影響參數，提出甲板上浪是影響殘存的重要參數。Sevense和Vassalos［9］(1998)假設在船低速、海水平靜的條件下，運用似穩態方法模擬船舶運動情況，得出了船舶運動幅度隨破艙進水量增加而減小。Vassalos和Jasionowski［10］(2002)為研究受損船水動力，對客滾裝船在受損和完好狀態下做了一系列模型試驗和數值計算。在數值計算時，忽略垂蕩運動，考慮到艙室受損對橫搖運動影響，其水動力的數值計算結果與試驗值基本吻合，研究結果進一步揭示艙室進水晃蕩、進出水對水動力的影響。G.E.Hearn和D.Lafforgue［11］(2008)等人根據受損船統計，構建了受損模型，考慮破艙內自由液面的影響，構建了船舶運動方程，運用Matthew軟件進行數值計算。

德國的Chang［12］(1999)單獨對涌入船艙室的水進行運動模擬，再根據坐標系的轉換關系和試驗系數，將艙室內部水的運動與船體運動聯系起來，得到內部水對船舶運動的影響。T.A.Santos和C.Guedes Soares［9］(2000)運用六自由度時域方法計算了滾裝船在不對稱破損時瞬時進水和靜水中的穩性，著重研究了滾裝船的橫向非對稱進水以及船艙受損范圍、雙層底的橫向進水、船舶重心高度和邊艙的設置對橫向非對稱進水的影響等，最后得出了滾裝船艙室破損，在靜水中橫向非對稱進水也可能傾覆的結論。

葡萄牙的 T.A.Santos和 C.Guedes Soares等［7］(2009)運用時域方法數值模擬了航行中受損客渡船波浪中的運動與艙室水對運動的影響，討論在不規則波中機艙受損的RO-RO客渡船的殘存率隨參數如海況、船舶重心垂向位置、橫搖阻尼力矩、流量系數、主甲板高度、初橫傾角及主甲板雙殼體的變 化 情 況。T.A.Santos 和 C.Guedes Soares［13］(2008)運用時域理論構建受損船運動方程，將艙內進水視為淺水運動，流體的運動近似為一個質點的運動，流體質量的重心假定為此質點，并用連續性方程構建艙內水的運動方程，模擬受損船橫搖運動衰減曲線，計算受損時的艙內水作用力以及艙內水自由液面的運動情況，并與試驗進行比較。

荷蘭的 Lionel Palazzi 和 Jan de Kat［4］(2002)在研究受損護衛艦的水動力性能時，考慮到進水的初始階段艙內空氣對破損進水的影響，在靜水和波浪中針對不同波高和波周期進行試驗和數值模擬，數值模擬主要模擬壓縮空氣的彈性效應，考慮了空氣對受損船運動的影響。

芬蘭的 Pekka Ruponen，Tom Sundell和 Markku Larmela［14］(2007)基于修正的 Bernoulli方程和壓力修正方法模擬破艙進水漸進過程，并用試驗驗證，證明其模型的適用性。

希臘的D.Papanikolaou和G.Zaraphonitis(2000)基于SOLAS95規則，運用“塊質量”概念，考慮“晃蕩效應”，計算客滾裝船的破艙穩性，探究受損船在波浪中傾覆的機理，并與試驗做了比較。D.Papanikolaou［15］等人(2000)模擬破艙滾裝船傾覆過程，對甲板進水進行了研究。在模擬艙內水與船體的相互作用時，最簡單方法只考慮進艙水的靜水力影響，即假定艙內的進水以靜水力方式分布(即其自由液面總是水平的)。Papanikoaou［16］(2002)提出的另一種更先進方法是考慮進水與船體間的相對運動及其水動力的相互作用，艙內進水的液面可以不是水平的，并運用RANS求解器進行數值計算，并與試驗值做比較和驗證。

韓國的Dongkon Lee［17］針對受損船受損穩性等指標，研制了穩性專家決策和受損船殘存性評估系統。2006年又根據確定性方法，研制基于知識的受損船穩性控制系統，通過控制船舶穩性提高安全性。Dongkon Lee，S.Y.Hong 和 G.J.Lee［5］(2007)構建時域理論模型，預報受損船舶運動和破艙進水效應，并進行了試驗驗證。

日本對受損船的漂移阻力研究較多。Kambisseri Roby和HamanoTetsuya等人 (1998)探討一種能確保船舶受損后具有生命力的新方法，指出破艙開口的大小 決 定 受 損 程 度 等 結 論。Hoshino［7］，Hara Shoichi［18-19］等人基于典型受損船的阻力數據模擬漂移阻力;Hoshino［7］等人2004年采用約束型船模試驗和數值模擬法研究了KVLCC船8種受損情況的漂移阻力。

為了在受損船研究上取得更好的成果，相關國家開展了合作研究。2001年希臘、英國、日本、荷蘭、德國5個國家聯合研究受損客滾裝船在波浪中傾覆機理。其中，3個國家采用切片理論法，另2個國家運用三維面元法，主要研究在規則波和非規則波中的完整船和受損船的首搖、橫搖、縱搖情況，模型試驗結果與數值模擬結果吻合度普遍不好［20］。

國外上述文獻大多針對受損的滾裝船等船型，采用數值模擬和試驗相結合的方法對其受損船的動穩性、耐波性內容進行研究較多。對受損船水動力進行數值計算時主要采用運用切片理論、三維面元法等解決船體水動力以及運用六自由度的非線性時域運動計算受損船運動響應，大多屬于勢流理論。由于粘性流方法應用到船舶水動力計算中，提高了船舶水動力特別是操縱水動力的數值預報精度。船舶粘性流CFD方法在獲得操縱運動船舶繞流場的流動細節和預報操縱運動船體水動力方面顯示出強大的能力。自20世紀末以來，通過求解RANS方程來求取船舶操縱運動水動力的方法取得一定成就［21］。2008年在丹麥哥本哈根舉行了一次以檢驗和驗證各種操縱模擬方法為目的的國際研討會 (Workshop on Verification and Validation of Ship Maneuvering Simulation Methods，SIMMAN 2008)。此次會議以KVLCC1/2，KCS，DTMB5415等4種船型為研究對象，通過與自由自航模試驗數據等進行比較來驗證當前最新的船舶操縱性預報方法。這些最新報道表明，目前最先進的船舶粘性流CFD技術已能成功模擬指定船舶操縱運動如Z形操縱運動、首搖和回轉等運動［22-23］。盡管粘性流方法求解完整船水動力計算應用廣泛，但應用于受損船水動力數值模擬仍少見。

總之，國外在受損船水動力的研究主要集中在受損的破艙穩性和耐波性研究上，而對受損船的操縱性研究較少，特別是受損船操縱運動粘性水動力研究更少，并且大多數值模擬的結果與試驗結果吻合度不是很理想。

1.2 國內研究現狀

國內有許多學者對船舶水動力的研究主要集中在完整船水動力研究上，并且較多應用CFD方法研究，且取得一系列成就，但總體上還遠遠落后國際先進水平［21］。對受損船水動力研究較少，主要集中在破艙穩性研究上，且基本與國際上研究保持同步。

國內對于受損船操縱性、耐波性方面及其相關內容的研究主要有:天津大學的紀凱、董艷秋［24］于1998年在研究滾裝船橫搖運動的基礎上，考慮進水與氣流耦合，利用修正的伯努利方程建立破艙模型，重點研究艙內水和艙內氣流的耦合對橫搖運動的影響。無錫702研究所的高秋新［25］2001年應用RANS方程進行了受損船舶的進水模擬，使用流體體積法(Volume of Fluid，VOF)、兩方程湍流模型，給出了系列60以及受損Burgundy船的CFD模擬計算結果。哈爾濱工程大學的溫保華、聶武［26］2003年采用線性切片理論和多極展開法求解非對稱剖面的二維輻射和繞射流場，計算了受損船體非正浮狀態條件下的波浪載荷。華南理工大學的李遠林［27］2004年選用實際在航貨船船型，運用理論和模型試驗相結合的方法確定非線性橫搖運動方程各系數，研究了隨機波浪和隨機風中船舶的受損問題。哈爾濱工程大學的吳明遠［28］2007年運用MSC.PATRAN軟件實現受損船濕表面的劃分，應用面元法、伯努利方程等理論計算了三維受損船船體表面的脈動壓力響應和剖面載荷響應，對受損船波浪載荷極值分布給出短期預報。海軍工程大學的浦金云、張緯康［29］等2007年根據拉格朗日方程建立了具有淹水艙的艦船橫搖運動二自由度微分方程，并在此基礎上用Melnikov方法對某實船受損進水后的橫搖運動進行了非線性分析。天津大學的郭顯杰［30］2007年利用勢流理論計算了1艘破艙船舶在規則斜浪中的運動響應。大連海事大學的趙為平、郭晨［31］2008年在對船舶對稱破艙分析的基礎上，采用槽型水艙理論建立了船舶破艙后橫搖的數學模型，并對不同破艙水位和流動阻尼情況下的船舶橫搖特性作了分析，給出了船舶破艙情況下系統的絕對穩定條件。武漢理工大學劉祖源教授及其領導的小組于2007～2011年對受損船水動力性能進行研究，主要運用船舶穩性理論、船舶粘性流CFD技術、勢流理論等分別研究了某油船船模破艙進水前后的浮態、操縱性、耐波性，探討了受損船舶的水動力學行為，分析了受損船舶水動力性能的變化情況［32-33］。

2 國內外研究現狀分析

縱觀受損船水動力的國內外研究現狀，可以看出:

1)受損船水動力研究國外領先。國內外在受損船的動穩性上研究水平基本相當，但在操縱性和耐波性研究方面水平相差很大，國外特別是歐洲國家走在前面。我國受損船水動力研究水平和國際先進水平相比還有相當大的差距。

2)受損船的操縱性研究很少。目前國外主要研究受損船的耐波性，對操縱性的研究遠不如對受損船的破艙穩性、耐波性等性能的研究。IMO“船舶操縱性暫行標準”(Interim Standards for Ship Maneuverability)和“船舶操縱性標準” (Standards for Ship Maneuverability)的頒布實施，使造船界對船舶操縱性越來越重視［28］。對完整船舶的操縱水動力取得了很大的進展，但對受損船操縱性研究極少。

3)試驗與數值研究結果吻合度不好。國外在受損船水動力研究方面大多采用模型試驗和數值模擬相結合的方法，有的僅用試驗研究，但由于破艙進水及船舶運動的復雜性，數值模擬的結果與部分船模試驗結果吻合度較差。

4)CFD技術成為船舶水動力研究的有效手段。隨著計算機科學技術的飛速發展及各種數值方法的成功開發和應用，CFD這一流動和熱傳輸問題的數值研究方法不斷發展，功能日趨強大，使基于CFD的數值計算方法逐漸成為和試驗方法并駕齊驅的重要研究方法。CFD為船舶水動力研究開辟一條新途徑，并和模型試驗方法相輔相成，在船舶 (包括受損船)水動力性能分析、預報和優化的工程實際應用中已發揮著越來越重要的作用。基于CFD預報船舶操縱性方法的優劣程度，可以根據預報的準確性和經濟性來評判。國際拖曳水池會議 (International towing tank conference，ITTC)操縱性技術委員會對目前各種操縱預報方法的有效性和經濟性作了最新評估，基于RANS方程的粘性流方法、約束模試驗的預報精度都較高，二者的經濟性不相上下。但基于RANS粘性流方法具有自航模試驗法無法比擬的優點，可以修改模型參數和設置環境因素，且基本可以準確捕捉復雜流動形態 (如舭渦等)，方便獲得流場的信息。

因此，隨著計算機能力的不斷增強，逐步成熟的CFD方法為受損船舶水動力的計算提供更為有效的手段;并且RANS方法對船舶操縱運動水動力粘性數值模擬也將變得容易，也是其他模型試驗無法企及的。

盡管基于CFD和EFD方法研究受損船水動力已得到重視，但由于受損船的復雜流場、破艙進水方式及艙內水流動，都是非線性的，難以建立數學模型，給理論研究帶來困難，受損船水動力特別是操縱水動力的研究仍然存在許多困難及有待探索的地方。

3 結語

受損船水動力性能研究成為船舶工程領域一個重要的前沿研究課題，目前國內對此研究不多，希望投入更多經費，繼續有計劃、有組織地開展對受損船動穩性、操縱性、耐波性的深入研究。我們借鑒國外先進的研究成果，走自主創新之路，使受損船水動力研究盡快趕上世界先進水平，進一步完善受損船的破艙穩性規范，積極探索受損船的破艙操縱性、破艙耐波性方面規范的研制，為船舶的優化設計提供參考，為把我國建設成為世界第一造船大國、造船強國提供更多的技術支撐。

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