沿海風(fēng)浪環(huán)境下大尺度船模耐波性試驗(yàn)研究

郭 京，孫樹(shù)政，任慧龍

(1．中國(guó)人民解放軍92941部隊(duì)，遼寧葫蘆島12500;2．哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001)

0 引言

在自然環(huán)境下開(kāi)展大尺度船模物理仿真試驗(yàn)已經(jīng)成為一種趨勢(shì)，近幾屆ITTC報(bào)告中對(duì)該試驗(yàn)技術(shù)做了介紹［1－3］。由于該試驗(yàn)是在真實(shí)的自然海域海況下實(shí)施的，因此遭遇的海浪環(huán)境是三維非線性實(shí)際海浪，模型尺寸不再受試驗(yàn)場(chǎng)地的影響，可以大幅降低模型尺度效應(yīng)的影響，模型的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)也更加接近實(shí)船在實(shí)際海浪環(huán)境下的非線性運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。

本文根據(jù)模型尺寸及實(shí)際海浪環(huán)境下模型試驗(yàn)的需要，選擇在沿海風(fēng)浪環(huán)境下開(kāi)展試驗(yàn)研究。首先對(duì)中國(guó)多地沿海海域的海浪環(huán)境進(jìn)行測(cè)量分析，掌握沿海海浪環(huán)境的基本特征和規(guī)律，為開(kāi)展大尺度船模運(yùn)動(dòng)性能試驗(yàn)研究奠定基礎(chǔ)。本文建立遙控遙測(cè)自航模試驗(yàn)系統(tǒng)。針對(duì)2條主尺度及排水量接近的圓舭船型和單體深V復(fù)合船型模型開(kāi)展實(shí)際海浪環(huán)境下大尺度模型耐波性試驗(yàn)研究，并與拖曳水池小尺度模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 沿海海浪環(huán)境測(cè)量分析

沿海實(shí)際海浪環(huán)境下的大尺度模型試驗(yàn)是否可行，關(guān)鍵技術(shù)之一是沿海波浪環(huán)境是否與大洋波浪環(huán)境相似。為此，課題組分別前往葫蘆島港海域、大連小平島海域?qū)逗＠饲闆r進(jìn)行調(diào)測(cè)，對(duì)不同潮期的波浪情況進(jìn)行了較詳細(xì)的測(cè)量分析。波浪數(shù)據(jù)由浮標(biāo)式浪高儀 (見(jiàn)圖1)測(cè)量。浮標(biāo)球內(nèi)重心處安放有加速度傳感器，用于測(cè)量波面升沉加速度時(shí)歷。數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為0.05 s，每次采集時(shí)間為10 min左右，如圖2所示為實(shí)測(cè)波面升沉加速度時(shí)歷。通過(guò)采用譜分析法可進(jìn)一步得到波浪有義波高H1/3及特征周期Ts等參數(shù)［4－6］。

圖1 浮標(biāo)式浪高儀Fig.1 Buoy wave height meter

圖2 波面升沉加速度時(shí)歷Fig.2 Time history of wave heaving acceleration

圖3所示為葫蘆島海域平潮期波浪譜，試驗(yàn)海區(qū)水深約8 m。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，3組波浪數(shù)據(jù)有義波高H1/3分別為0.14 m，0.153 m，0.161 m。

圖4所示為大連小平島海域沿海漲潮期波浪譜，試驗(yàn)海區(qū)水深約10 m。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，有義波高H1/3分別為0.279 m，0.264 m，0.251 m。

圖3 葫蘆島海域波浪譜Fig.3 Wave spectrum of Huludao sea area

圖4 大連小平島海域波浪譜Fig.4 Wave spectrum of Xiaoping Island sea area

將測(cè)量的波浪譜與大洋譜進(jìn)行無(wú)因次化比較，譜的無(wú)因次化采用波浪要素作為參數(shù)，通常以表示，其中為譜的平均圓頻率，=為譜面積，圖5和圖6所示分別為實(shí)測(cè)海浪譜與ITTC單參數(shù)譜和我國(guó)沿海譜的無(wú)因次比較。

圖5 葫蘆島海域無(wú)因次波浪譜比較Fig.5 Dimensionless wave spectrum of spectrum of Huludao sea area

圖6 小平島海域無(wú)因次波浪譜比較Fig.6 Dimensionless wave Xiaoping island sea area

2 大尺度模型試驗(yàn)系統(tǒng)的建立

本文開(kāi)展的大尺度模型在實(shí)際海浪環(huán)境下的耐波性物理仿真試驗(yàn)，模型是遙控自航模，船模運(yùn)動(dòng)信息由遙測(cè)裝置測(cè)試采集［7－9］。試驗(yàn)選用4 000噸級(jí)圓舭船型和深V復(fù)合船型模型，縮尺比為1∶19，模型參數(shù)如表1所示。模型遙控距離大于1 km，采用蓄電池提供動(dòng)力。船模由玻璃鋼做成，圖7所示分別為圓舭船型和深V復(fù)合船型模型照片。

表1 大尺度模型參數(shù)表Tab.1 Parameters of large-scale models

圖7 大尺度模型照片F(xiàn)ig.7 Pictures of large-scale models

首先在松花江某段平靜水面開(kāi)展了大尺度模型試驗(yàn)系統(tǒng)調(diào)試試驗(yàn)，如圖8所示。對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)力、靜力調(diào)整，并對(duì)模型動(dòng)力系統(tǒng)、遙控遙測(cè)系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)、數(shù)據(jù)內(nèi)測(cè)系統(tǒng)等進(jìn)行調(diào)試。采用標(biāo)桿法測(cè)量了模型航速與主機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行擬合，得到主機(jī)轉(zhuǎn)速與船模航速的關(guān)系曲線，結(jié)果如圖9所示。

圖8 松花江模型調(diào)試試驗(yàn)Fig.8 Model testing in Songhuajiang River

圖9 模型主機(jī)轉(zhuǎn)速與航速關(guān)系曲線Fig.9 Relationship of exponential rev and ship speed

3 大尺度船模耐波性試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)實(shí)施過(guò)程

模型運(yùn)動(dòng)性能測(cè)試試驗(yàn)主要開(kāi)展了2艘模型的耐波性試驗(yàn)，模型橫搖及縱搖運(yùn)動(dòng)由角速率陀螺測(cè)量，船模航向角由航向陀螺測(cè)量，模型首部1站位置、中部船中位置、尾部19站位置的垂向加速度由加速度傳感器測(cè)量，各裝置在模型內(nèi)的布置如圖10所示。

圖10 自航模控制及測(cè)試裝置布置圖Fig.10 Arrangement of controlling and testing instruments

在大連小平島海域開(kāi)展了圓舭船型和單體深V復(fù)合船型大尺度模型 (縮尺比1∶19)在實(shí)際海浪環(huán)境下的物理仿真試驗(yàn)。對(duì)兩船型的試驗(yàn)分別進(jìn)行，試驗(yàn)共進(jìn)行4天，試驗(yàn)期間內(nèi)風(fēng)向由海面吹向岸邊，試驗(yàn)均在漲潮期至高潮期之間進(jìn)行，經(jīng)浪高儀測(cè)量試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)波浪有義波高相對(duì)實(shí)船均為6級(jí)海情。由于近岸的波浪并不平穩(wěn)，隨機(jī)性強(qiáng)，為了保證船模運(yùn)動(dòng)響應(yīng)與波浪激勵(lì)實(shí)時(shí)同步，使模型航行時(shí)的波浪數(shù)據(jù)與浪高儀所測(cè)數(shù)據(jù)吻合，同時(shí)為了在耐波性試驗(yàn)過(guò)程中便于測(cè)試模型在波浪中不同航向角的運(yùn)動(dòng)，試驗(yàn)區(qū)域與浪高儀需保持適當(dāng)距離，距離船模約100 m范圍內(nèi)。分別測(cè)試了2種船型在相當(dāng)于實(shí)船6級(jí)海況(H1/3=5～6 m)下不同航速、不同浪向的運(yùn)動(dòng)，試驗(yàn)錄像截圖如圖11和圖12所示。

圖11 圓舭船大尺度模型試驗(yàn)情況Fig.11 Test of round bilge monohull

圖12 復(fù)合船大尺度模型試驗(yàn)情況Fig.12 Test of hybrid monohull

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及與水池模型試驗(yàn)結(jié)果的比較

試驗(yàn)數(shù)據(jù)由模型內(nèi)部的內(nèi)測(cè)系統(tǒng)和測(cè)量船上的遙測(cè)系統(tǒng)同時(shí)測(cè)量并記錄。本文將大尺度試驗(yàn)結(jié)果與水池小尺度模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，水池模型縮尺比為1:40，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)應(yīng)的實(shí)船與大尺度模型一樣，試驗(yàn)在哈爾濱工程大學(xué)船模拖曳水池進(jìn)行，水池尺寸為108 m×7 m×3.5 m，波浪由搖板式造波機(jī)制造，不規(guī)則波浪高取6級(jí)海況(對(duì)應(yīng)實(shí)船有義波高H1/3=5 m)模型運(yùn)動(dòng)由四自由度適航儀測(cè)量，模型定點(diǎn)加速度由加速度傳感器測(cè)量，傳感器安裝位置與大尺度模型一致。圖13所示為對(duì)應(yīng)的水池模型與大尺度模型縱搖運(yùn)動(dòng)、首部加速度及橫搖運(yùn)動(dòng)譜密度曲線，其運(yùn)動(dòng)有義值如表2所示。

圖13 大尺度船模運(yùn)動(dòng)譜Fig.13 Motion spectrum of large-scale models

表2 6級(jí)海況大尺度模型試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)有義值統(tǒng)計(jì)結(jié)果(H1/3=5 m)Tab.2 Significant motion result of large-scale models at 6th sea state

由譜分析結(jié)果可見(jiàn)，大尺度試驗(yàn)6級(jí)海況下復(fù)合船型與圓舭船型運(yùn)動(dòng)譜比較:18 kn縱搖角度譜峰值減少30.02%，首部加速度譜峰值減少34.69%;24 kn縱搖角度譜峰值減少29.52%，首部加速度譜峰值減少44.13%。18 kn縱搖有義值減少25.4%，首加速度有義值減少28%;24 kn縱搖有義值減少27.6%，首加速度有義值減少35.6%。由此可見(jiàn)，深V復(fù)合船型耐波性較圓舭船型得到大幅改善。

本文將水池模型試驗(yàn)結(jié)果與大尺度模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行無(wú)因次化比較，圖14～圖16所示為6級(jí)海況下大尺度試驗(yàn)與水池試驗(yàn)無(wú)因次縱搖譜的比較。

圖15 復(fù)合船模型18 kn縱搖無(wú)因次譜比較Fig.15 Dimensionless spectrum of pitch at 18 kn for hybrid monohull

圖16 大尺度模型試驗(yàn)與水池模型試驗(yàn)甲板上浪錄像截圖Fig.16 Pictures of green water for large-scale model test and model test in tank

由于實(shí)際海浪環(huán)境為三維波，而大尺度模型在航行中處于自由航行狀態(tài)，與實(shí)船相同，因此產(chǎn)生6個(gè)自由度耦合運(yùn)動(dòng)。與水池模型試驗(yàn)結(jié)果相比大尺度試驗(yàn)增加了橫搖運(yùn)動(dòng)，其六自由度耦合運(yùn)動(dòng)更接近實(shí)船，各自由度運(yùn)動(dòng)能量分散，因此縱搖運(yùn)動(dòng)及首部加速度等響應(yīng)幅值偏小，顯示出大尺度試驗(yàn)與水池試驗(yàn)的差別。而船模水池試驗(yàn)波浪為二維長(zhǎng)峰波，且模型在約束條件下航行，限制了船模的首搖和橫蕩運(yùn)動(dòng)，這樣一來(lái)能量就集中于剩下的幾個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)，因此其運(yùn)動(dòng)特性勢(shì)必與大尺度模型試驗(yàn)有所不同。

此外從上浪頻率與上浪物理現(xiàn)象來(lái)看兩者差別也較大，見(jiàn)表3所示為水池模型試驗(yàn)與實(shí)際海浪環(huán)境下大尺度模型試驗(yàn)6級(jí)海況下(H1/3=5 m)甲板上浪頻率比較，圖18所示為大尺度模型試驗(yàn)與水池模型試驗(yàn)甲板上浪錄像截圖。

由以上甲板上浪頻率及圖像可見(jiàn)，與水池小尺度模型試驗(yàn)相比，在三維風(fēng)成波浪的作用下大尺度模型耦合運(yùn)動(dòng)特征明顯，因此其上浪頻率降低，非線性特征更加顯著。

表3 甲板上浪頻率比較Tab.3 Comparison of green water frequency

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述研究可以得到以下結(jié)論:

1)通過(guò)對(duì)幾個(gè)海域沿海波浪的測(cè)量分析可見(jiàn)，沿海的海浪參數(shù)與潮汐、風(fēng)向、水深等都有關(guān)系，在漲潮至高潮期，風(fēng)向由海面垂向岸邊，水深超過(guò)8 m時(shí)測(cè)得的波浪譜與大洋譜譜形基本相似，波高概率密度基本符合雷利分布。

2)通過(guò)圓舭船型與單體復(fù)合船型耐波性試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，單體復(fù)合船型耐波性比與圓舭船型相比得到較大幅度改善。對(duì)沿海大尺度模型試驗(yàn)與水池小尺度模型試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析可見(jiàn)，大尺度模型試驗(yàn)6個(gè)自由度耦合運(yùn)動(dòng)比水池模型試驗(yàn)更接近實(shí)船，縱搖運(yùn)動(dòng)及首部加速度等響應(yīng)幅值偏小，甲板上浪頻率及其物理現(xiàn)象與實(shí)船更加接近，顯示出大尺度試驗(yàn)與水池試驗(yàn)的差別。

［1］ 李積德，張恒，趙曉東．4千噸級(jí)深V單體復(fù)合船型模型試驗(yàn)研究［J］．船舶力學(xué)，2008(5):709－715．LI Ji-de，ZHANG Heng，ZHAO Xiao-dong．Experimental study on 4000 t deep － V hybrid monohull［J］．Journal of Ship Mechanics，2008(5):709 －715 ．

［2］ 孫樹(shù)政，李積德，趙曉東．實(shí)際海浪環(huán)境下模型試驗(yàn)研究［J］．哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2009(5)．SUB Shu-zheng，LI Ji-de，ZHAO Xiao-dong．Research on large scale model test at real ocean waves［J］．Journal of Harbin Engineering University，2009(5)．

［3］ Final Report and Recommendations to the 25th ITTC，The Seakeeping Committee，Proceedings of the 25th ITTC Volume I，2008，F(xiàn)UKUOKA．

［4］ 俞湘三，陳澤梁，樓連根．船舶性能實(shí)驗(yàn)技術(shù)［M］．上海:上海交通大學(xué)出版社，1991．

［5］ 李積德．船舶耐波性［M］．哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社，1992．

［6］ 文圣常，余宙文．海浪理論與計(jì)算原理［M］．北京:科學(xué)出版社，1984．

［7］ SUN Shu-zheng，LI Ji-de，WANGChang-tao，et al．Research on the remote control and telemetry system for large-scale model test at sea［J］．Journal of Marine Science and Application，2010(9)．

［8］ SUN Shu-zheng，REN Hui-long，ZHAO Xiao-dong，et al．Experimental study of two large-scale models'seakeeping performance in coastal waves［J］．Brodogradnja，2015(6)．