船體后體形狀對船舶操縱性的影響研究

劉小健 張晨亮 夏召丹 王大建 范佘明

（1.中國船舶及海洋工程設計研究院 噴水推進技術重點實驗室 上海200011；2.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海市船舶工程重點實驗室 上海200011）

引 言

船舶設計過程中，型線優化非常重要，良好的線型能使綜合性能優良，各項營運指標滿足IMO的要求，既保證船舶的航行安全，又能使EEDI和EEOI等降到最低［1-2］。

當前，船舶在設計過程中非常注重各營運剖面的性能，由于操縱和耐波等性能評估軟件非常耗時，難以在優化平臺中發揮作用，目前以阻力、自航為主的優化還是占絕大多數。本文利用本單位具有的船舶設計得天獨厚的優勢，采用優化過程中間模型在其拖曳水池中進行操縱等性能的試驗評估，為船舶型線優化提供支撐。

對于水面船舶，改善船舶操縱性的方法有增加舵面積、重心位置坐標前移、采用高效舵等。這些方法本質上沒有改善船舶的線型，只是對其操縱面進行了修改。國內采用懸臂水池試驗對單槳單舵和雙槳雙舵船的尾型進行了研究［3］，國外則對U型尾和V型尾的操縱性進行了研究［4］，但均未對船舶操縱性進行全面綜合考察。本文將探索一種改變船舶后體形狀提高船舶操縱性能的方法。

本文采用平面運動機構（PMM）進行某船F1A1以及F1A3兩線型（圖1）在設計吃水狀態下的直航、斜航運動和搖首運動等試驗，對兩型船的阻力進行了分析，回歸得到相關的水動力系數，分析尾型對船舶操縱水動力的影響，并通過數值模擬［5］，分析兩船的自由自航模操縱性能。從試驗和計算結果來看，F1A3線型的阻力性能、航向糾偏能力稍差，但其回轉性和應舵性比F1A1更好。

圖1 F 1 A 1（黑線）和F 1 A 3（紅線）尾部線型

1 船體主要參數

船體主要參數如表1所示。

表1 船體主要參數表

2 操縱水動力分析

2.1 模型安裝與坐標定義

圖2為坐標系統和安裝示意圖。坐標原點O取在模型中縱剖面、靜水面及重心位置所在橫剖面的交點處，Ox軸指向船頭為正，Oy軸指向右舷為正，Oz軸指向船底為正。前后支桿均通過傳感器與模型相連并對稱于坐標原點O，傳感器的水平連線與Ox軸重合。下頁圖3為模型安裝情況。

圖2 模型安裝簡圖

2.2 F1A1與F1A3水動力比較

下頁圖4為模型阻力試驗結果，F1A3的阻力比F1A1大1%～2%。斜拖試驗等準靜態試驗所測力（Y）和力矩（N）均已無因次化，搖首運動試驗等動態試驗所測力和力矩在一個周期內的積分（Yin，Yout，Nin，Nout）也已無因次化。

圖3 大振幅水平面平面運動機構（LAHPMM）試驗

圖4 模型阻力試驗結果

圖5為斜航試驗無因次測試結果。

圖5 斜航試驗無因次測試結果

從圖5可以得出，F1A1與F1A3比較，隨漂角的增大，F1A1船體無因次化橫向力小1.0%-10.0%左右， 而繞重心的搖首力矩小5.0%～15.0%。圖6為純搖首試驗無因次測試結果。

圖6 純搖首試驗無因次測試結果

從圖6可以得出：F1A1與F1A3比較，隨頻率的增大，F1A1船體橫向力（一個周期內的積分）小9.0%左右， 而繞重心的搖首力矩（一個周期內的積分）小8.0%～15.0%。

鎖相放大器的理論輸出信號為直流信號,則數字鎖相放大器中數字低通濾波器的截止頻率越低,系統的信噪比越高。對于普通IIR濾波器,需要根據MTALAB仿真得到收斂的量化系數來調整程序和寄存器的位數,調節過程繁瑣[6]。截止頻率越低需要的濾波器階數越高,加之算法復雜,導致PFGA資源占用過多,在增加系統功耗的同時增加了調節的復雜程度,因此,為了充分利用FPGA內部資源,需要針對不同的噪聲帶寬對其階數進行調節。

根據上述曲線，回歸得到兩線型船的水動力系數如表2所示。

表2 斜航與搖首運動水動力系數

表4 z形試驗模擬結果

3 操縱運動模擬分析

基于上述模型試驗結果，模擬計算了該船30°回轉試驗、z形試驗和螺線試驗，得到如下結果，分別見表3、表4和表5，以及下頁圖7、圖8和圖9。

表3 回轉試驗模擬結果

表5 螺線試驗模擬結果

圖7 30°回轉試驗模擬

圖8 z形試驗模擬

從表3和圖7可以看出：F1A3線型的縱距、橫距、戰術直徑和回轉直徑分別為F1A1的82.8%、74.1%、74.5%和78.2%，F1A3比F1A1的回轉性能更好。

從表4和圖8可以看出：F1A3線型的10° z形試驗的第一、第二超越角以及初轉期分別為F1A1的105.3%、93.6%和90.6%；F1A3線型的20° z形試驗的第一、第二超越角以及初轉期分別為F1A1的111.5%、104.2%和94.1%。F1A3比F1A1的航向糾偏能力稍差，但是應舵性要好。

圖9 螺旋試驗模擬

從表5和圖9可以看出：F1A3線型的不穩定環高、不穩定環寬以及0°舵角首搖角速度與F1A1相同；F1A3與F1A1的航向穩定性差異不大，但是F1A3隨角度的增加，首搖角速度增加更快。

4 結 語

本文采用平面運動機構（PMM）進行某船F1A1以及F1A3兩線型在設計吃水狀態下的直航、斜航運動和搖首運動等試驗，對兩型船的阻力進行了分析，回歸得到相關的水動力系數，分析后體形狀對船舶操縱水動力的影響，并通過數值模擬，分析了兩船的回轉性和航向穩定性。從試驗和計算結果來看，F1A3線型的阻力性能、航向糾偏能力稍差，但其回轉性和應舵性比F1A1更好。F1A3類似隧道尾，民致壓力中心前移，使船趨于不穩定。對于F1A1回轉性本來就比較好的船型，將其后體形狀變成V字型或增加分水踵是提高其航向穩定性的有效方法。