月池水動力特性及其對船舶運動的影響研究

鄒 康，桂滿海，羅 良

（上海船舶研究設計院，上海 201203）

月池水動力特性及其對船舶運動的影響研究

鄒 康，桂滿海，羅 良

（上海船舶研究設計院，上海 201203）

針對某深水多功能水下工程船，運用模型試驗方法開展月池的水動力特性及其對船舶運動的影響研究。研究結果表明，該船的月池對外界波浪具有較好的屏蔽作用，月池內波面相對升高與船外相比明顯降低，但其對船舶運動的影響有限。此外，從月池內波面相對升高的響應譜來看，月池內水體的振蕩具有明顯的雙峰特性，而月池自激振蕩對月池內相對波面升高的影響非常顯著。從能量的角度對自激振蕩的影響程度進行定量分析，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計提供參考。

月池；水動力特性；船舶運動；模型試驗

0 引 言

對于大多數水下作業工程船而言，為便于開展水下作業及保護相關作業設備和人員的安全，往往會在船體上開設若干個月池。設計合理的月池通常能有效屏蔽外部波浪的作用，降低月池內波面的相對運動，使作業設備和人員出入水更加安全。月池內水體的運動一般有活塞運動和晃蕩運動2種形式，其中：活塞運動在月池深度方向上進行；晃蕩運動在月池水平方向上[1]進行，通常在水平尺寸較大的長月池中較為顯著。月池運動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，研究月池水動力特性的方法主要有模型試驗、理論研究和數值計算等。

1) 在模型試驗方面：FUKDA[1]通過試驗研究月池內流體的運動方式，同時將試驗與理論相結合提出一個計算月池垂向活塞運動固有頻率的經驗公式，該公式至今仍被廣泛采用；KAWABE等[2]基于模型試驗和理論方法研究鉆井船在波浪條件下的月池內波面升高，通過在月池壁面上引入人工阻尼來考慮黏性阻尼的影響，計算結果與模型試驗結果的吻合度較好；VEER等[3]采用模型試驗方法研究月池對阻力的影響，指出晃蕩運動對月池阻力的影響程度與活塞運動相同；姚熊亮等[4]研究不同來流下月池內的振蕩特性，指出月池內部同時存在月池固有振蕩和流體動力振蕩。

2) 在理論研究方面：FALTINSEN[5]通過將月池內的流體活塞運動簡化為一維振蕩系統，得到月池流體活塞運動固有周期計算公式，表明該固有周期與吃水相關；MOLIN[6]基于勢流理論推導二維月池和三維月池內活塞運動的固有頻率。

3) 在數值計算方面：CHEN[7]基于三維勢流理論求解設有月池船舶的水動力及運動問題，并通過在月池內自由面條件中引入耗散項來考慮流動的耗散性；ALSGAARD[8]通過基于RANS方程的計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法研究二維月池內的活塞運動，并將其與模型試驗相比較，二者的吻合度較好；孫采微等[9]基于CFD方法進行設有月池船舶的運動計算。

這里針對某深水多功能水下工程船，通過模型試驗開展月池的水動力特性及其對船舶運動的影響研究，并從能量的角度對自激振蕩的影響程度進行定量分析。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計提供參考。

1 研究對象

研究對象為某深水多功能水下工程船。該船垂線間長、船寬及吃水分別為152m，32m和8.5m；船舯前后共設置有3個月池（包括1個工作月池和2個潛水月池）；月池內四周雙層底以上均設置有孔型格柵結構（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。

模型試驗在零航速及不規則波條件下進行，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。試驗測量月池全開和關閉狀態下船舶的運動及月池內波面的相對升高。圖2～圖4分別為橫浪模型試驗、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

圖3 工作月池模型

圖4 潛水月池模型

2 試驗結果與分析

2.1 月池對船舶運動的影響分析

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

2.2 月池對外界波浪的屏蔽作用分析

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

圖6 縱搖運動響應單幅有義值對比

圖5 垂蕩運動響應單幅有義值對比

圖7 橫搖運動響應單幅有義值對比

圖8 工作月池內相對波面升高響應的單幅有義值

2.3 月池內相對波面升高運動時歷分析

為研究月池內波面運動特性和頻率成分，對月池內相對波面升高運動時歷進行譜分析。圖9～圖11分別為不同浪向下工作月池和左/右舷潛水月池內相對波面升高的響應譜。從圖9～圖11中不難發現，月池內相對波面升高響應譜具有明顯的雙峰特性，其中：低頻峰值頻率約為0.57rad/s（對應周期約為11s），對應外界波浪的譜峰頻率（強迫振蕩成分）；高頻峰值頻率約為0.85rad/s，對應工作月池和潛水月池的固有頻率（自激振蕩成分）。

由文獻[1]可知月池垂向活塞運動固有頻率計算的經驗公式為

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：對于工作月池，通過模型試驗和經驗公式得到的固有頻率較為吻合；而對于潛水月池，兩者有一定的差別；總體而言，模型試驗值均小于經驗公式計算值。造成該差別的原因可能是月池內設置的孔型阻尼格柵會增加月池內流體振蕩的阻尼，而經驗公式未考慮孔型格柵的阻尼影響，從而會降低無阻尼振蕩運動的固有頻率，使經驗公式計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譜

圖10 不同浪向左舷潛水月池波面升高響應譜

此外，從圖9～圖11中還可看出，不同浪向下月池內強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°時自激振蕩成分比強迫振蕩多，而頂浪180°和順浪0°時強迫振蕩成分較多。具體來說，若以頻率0.7rad/s作為強迫振蕩和自激振蕩的區分點，則不同浪向下工作月池中強迫振蕩能量和自激振蕩能量占總能量的百分數見表1。從表1中可看出，浪向從隨浪0°變化至頂浪180°的過程中，自激振蕩能量百分數先增大后減小，橫浪時最大（達到67%），頂浪時最小（為18%）。

因此，在設計月池過程中，在滿足布置和強度等要求的同時，還要根據作業海況的特點合理設計月池相關參數，盡量避免發生共振。同時，可在月池作業過程中選擇合理的浪向，以便進一步降低月池內的振蕩。

圖11 不同浪向右舷潛水月池波面升高響應譜

表1 不同浪向下工作月池中強迫振蕩能量和自激振蕩能量占總能量的百分數

3 結 語

針對某深水多功能水下工程船，運用模型試驗方法開展月池的水動力特性及其對船舶運動的影響研究，可得到以下結論：

1) 就研究對象而言，月池對船舶運動的影響非常有限，對垂蕩運動和縱搖運動的影響≤3%；

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

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

4) 從月池共振頻率來看，模型試驗結果較經驗公式計算值小，原因可能是經驗公式未考慮孔型格柵的阻尼影響，而孔型格柵的設置會增加月池內流體振蕩的阻尼，從而降低無阻尼振蕩運動的固有頻率；

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計和作業等提供參考。

[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.

[2] KAWABE H, KWAK HU, PARK JJ, et al. The numerical and experimental study on moonpool water surface response of a ship in wave condition [C]. 20th ISOPE, 2010: 469-474.

[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驗研究[J]. 力學學報，2007, 39 (3): 333-342.

[5] FALTINSEN OM. Sea loads on ships and offshore structures [M]. Cambridge: Cambridge University Press, 1990.

[6] MOLIN B. on the piston and sloshing modes in moonpools [J]. Journal of Fluid Mechanics, 2001, 430:27-50.

[7] CHEN XB. Hydrodynamics in offshore and naval applications [C]. 6th International Conference on HydroDynamics, 2004.

[8] ALSGAARD JA. Numerical investigations of piston mode resonance in a moonpool using OpenFOAM[J]. Department of Marine Technology, 2010, 48 (4): 595-599.

[9] 孫采微，楊建民，呂海寧. 波浪作用下帶月池結構船體運動數值預報[J]. 海洋工程，2013, 31 (4): 21-29.

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，高級工程師，碩士，1982年生。2009年畢業于江蘇科技大學船舶與海洋結構物設計制造專業，現從事船舶與海洋工程水動力學研究。