截流板式減搖系統在高速船上的應用

夏敬停， 馬雪泉， 李傳慶， 張亞楠

(1. 上海市航務管理處， 上海 200080； 2.上海船舶運輸科學研究所，航運技術與安全國家重點實驗室， 上海 200135)

高速船在海上航行時，不可避免地受到風浪和海流等影響，其搖蕩與船體振動幅度遠遠超出常規營運船舶，對船員的正常工作和船舶運輸效率造成極大影響，特別是相對于常規船舶，其橫搖和縱搖的耦合運動更加明顯。研究新型減搖裝置，對改善高速船的耐波性、提高船員舒適性和保護設備安全具有重要意義。

主動式減搖系統目前在高速船上的應用已經較為廣泛，隨著船舶向自動化、現代化發展以及控制理論和技術研究的深入，更多控制方法和建模方法被廣泛應用于船舶減搖技術研究，如非線性處理、比例-積分-微分(Proportion Integral Differential, PID)控制、自適應控制等[1-2]，彌補了傳統減搖裝置的不足，提高了減搖系統的適應性和減搖效率。主動式減搖已成為目前極具發展前景的研究方向。

1 常規減搖裝置簡介

船舶減搖一直是船舶領域備受關注的研究內容之一，舭龍骨、減搖水艙、減搖鰭、舵減搖和截流板等減搖裝置被廣泛應用于各類船舶。這些減搖裝置具有各自的優勢，并且逐漸向自動化、小型化發展，滿足不同類型船舶的減搖需求。[3]

1) 舭龍骨是最早出現、最為常用的減搖方式之一。其安裝在船體舭部，通過擾動流場增加船體阻尼來減少船舶的橫搖。舭龍骨不需要額外的驅動和運動結構，基本上不需要專門的維護，現在船舶幾乎都安裝有舭龍骨，但因其減搖效率較低并且會在一定程度上增加船體阻力，一般配合其他減搖裝置來綜合改善船舶的耐波性。

2) 減搖水艙的減搖效果與航速無關，可在高航速下保持良好的減搖效果，成本較低,可靠性高，但其大量占用艙內空間。減搖效率相對較高的主動式減搖水艙需要較大的驅動功率，對于主要進行短時間高速作業的船舶，減搖水艙增加了船舶空間成本和運行成本。

3) 減搖鰭是目前最為常用的主動式減搖裝置，也是減搖效果最好的裝置之一，其結構形式、使用條件的多樣性使其具有較為廣泛的適用性，特別是在高速條件下具有良好的減橫搖效果。可收放式減搖鰭能在無需減搖時收起，避免在靜水時增加船舶航行阻力。但是減搖鰭的結構較為復雜，維修成本也較高，并且只有在達到一定航速時才會有明顯的減搖效果。目前，也有一些學者研究在零航速條件下的減搖鰭，具有非常良好的發展前景。[4]

4) 舵減搖相對是一種更新的減搖技術。舵減搖無需安裝額外的減搖機構和控制系統，僅通過控制舵角來實現減小橫搖和艏艉搖的目的。其造價低、占用空間小及使用方便等特點已成為近幾年船舶技術人員研究的熱點，但舵減搖易造成操舵機械磨損、增加舵機功率等問題尚未得到有效解決，目前較多使用在軍用船舶上。

5) 海上高速船，特別是高速雙體船的船長相對較短，其橫向阻尼較一般船舶更大，上述這些減搖裝置對其減搖效果并不明顯，而在海上航行時，縱搖相對于橫搖影響更加明顯，難以克服。[5]因此,在針對高速船減搖時要考慮減縱搖效果較好的截流板形式減搖裝置。可控截流板結構簡單、維護成本低、體積小及穩定性高等特點，使其成為極具優勢的高速船減搖方案。[6]

本文基于截流板機理研究一種新型的減搖裝置，該減搖裝置艉封截流板的形式，能夠通過預測高速船在航行時的運動姿態實現主動截流，為船體提供扶正力矩。目前，針對高速船截流板的研究[2,7-8]主要圍繞其減阻方面，而對其減搖性能研究不多，并且主要集中在數值仿真階段。本裝置結構簡單、維護方便、占用空間小、響應迅速、所需驅動功率低，并且可同時減少船體橫搖和縱搖，特別是可減少縱搖為進一步提升高速船的耐波性能提供新的思路。

2 減搖系統及其控制原理

截流板式減搖系統包括截流板、運動監測單元、伺動機構、控制和顯示系統。

鉤型截流板安裝在艉封板上，并可繞艉封板底部轉動，其截流板工作示意見圖1。截流板通過改變船底水流的流速和壓力分布為船體提供升力，截流板轉動的角度不同，其浸深高度也不同。也即能夠產生不同的升力。

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艉部安裝截流板改變船體受力情況。船在航行時水流以一定速度流過船底，當截流板伸出船體時，水流在艉部下表面產生旋渦，產生垂直于船體底部的流速分量，靠近截流板附近的流體壓力驟然增加，也在此處產生向上的升力[7]，即使在船速相對較低的情況下，旋渦依然會產生并提供升力。此外，具有一定浸深高度的截流板還能夠調整航態，減少高速行進時的阻力。[8]布置減搖裝置的船艉壓力分布見圖2。截流板若不斷升降，就可在航行中為船體提供持續的升力從而產生減縱搖效果。若在船艉的船寬方向上左右布置兩組截流板并控制產生不同的升力，也可抑制船體的橫搖，見圖3。這種布置方式使得該減搖系統尤其適合雙體船等船寬相對較長的高速船。

圖1 截流板工作示意

圖2 船艉壓力分布

圖3 減搖系統減橫搖示意

本減搖系統完成主動式減搖的重要支撐是增強現實(Augmented Reality, AR)運動極短預報，預報基于船舶的水動力系數、大量的仿真計算和試驗。減搖系統中的運動監測單元會測量船體在航行時的運動姿態，當船體產生搖蕩時，系統會通過AR運動極短預報分析船體下一刻的橫搖縱搖，然后根據預測到的運動情況計算波浪的擾動力，根據船舶的水動力性能計算截流板應該伸出船體的浸深高度，控制系統和伺動機構共同完成截流板的規律性升降，進而較為準確地實現主動截流。減搖系統完成主動減搖的工作流程見圖4。

圖4 減搖系統工作流程

根據實時測量的運動時歷數據，進行未來一段時間內船舶的運動預報。采用自回歸模型的遞推形式進行直接預報，假設采集的時間序列為{xk}，其為前一段時間內有限個數據，自回歸模型可表達為

xt=φ1xt-1+φ2xt-2+…+φpxt-pxt+at

(1)

AR極短運動預報值與運動測量值的比較見圖5，即下一時間間隔的預報值與測量值對比，由圖5可看出預報值與測量值吻合較好。

圖5 極短運動預報比較

(2)

式(2)中：Ijk為縱搖轉動慣量；μjk為波浪頻率無窮大處的附加質量；cjk為包含波浪輻射的恢復力系數；Kjk為時間記憶項。

由于反求波浪力矩公式需要知道縱搖角、縱搖角速度、縱搖角加速度，其中角度和角速度采樣預報值，角加速度采用當前測量的角速度與下一時刻角速度的預報值進行微分得到。縱搖角、縱搖角速度、縱搖角加速度及反求的波浪力矩見圖6。由圖6可知：反求的波浪力矩相位與縱搖角加速度接近，但又不完全相等，從反求波浪力矩公式看這是合理的，波浪力矩主要由角加速度貢獻的同時，還受角速度和角度的影響；穩定時，可看出符合力、加速度、速度、角位移運動規律。

圖6 反求波浪縱搖力矩

綜上所述:本減搖系統具有快速、高頻的響應能力，可實現對波浪擾動的精準預報，能夠適應較高搖蕩運動頻率下的減搖；減搖系統的控制策略基于對特定船型、特定截流板參數的水動力數值計算，這使得該減搖系統在具有較高適應性的基礎上，還具有極強的針對性，對具有特殊線型的高速船仍可保持較好的減搖效果。減搖系統可在不增加控制系統硬件的條件下，沿船寬方向布置多個截流板來適應更寬的船型、變化截流板的布置角度來適應不同艉封形狀的船型等。

3 減搖系統試驗

為評估本減搖系統的減搖效果，驗證控制策略的可行性，進一步探究航速、波浪對減搖裝置的影響，對安裝截流板的船模進行耐波性試驗，包括靜水、強迫縱搖、規則波和不規則波減搖試驗，重點關注縱搖角即保證縱搖運動的測量精度。

本次模型試驗的船型為高速雙體船，可更好地測試本減搖系統對橫搖和縱搖的綜合減搖效果。船模長4.0 m，寬1.3 m，重心高0.4 m。雙體船的艉封兩側均安裝等寬度的鉤型截流板，其最大浸深高度為8 mm，安裝后進行重心和慣量校核。試驗儀器為R47阻力儀，包含傾角儀、位移傳感器和加速度傳感器，安裝在船體中軸線中心高度，可在試驗中測量船體的阻力、縱傾角度等。安裝本減搖系統的雙體船模型見圖7。

圖7 安裝減搖系統的雙體船模型

3.1 強迫縱搖試驗

當船模以一定速度航行時，截流板的規律升降會強迫船模產生規則的縱搖運動，為研究截流板的減搖效果，對安裝截流板的船模進行強迫縱搖試驗。

分別測量同航速下截流板完全收起與周期性升降時的船模縱搖角度。當試驗航速為4 m/s，浸深變化幅度為4 mm，周期為0.9 s時，船模縱搖角度的幅值就可達0.7°，此時縱搖角度時歷曲線見圖8。

圖8 航速4 m/s時縱搖角度時歷曲線

強迫縱搖試驗結果表明：在同一航速下，截流板浸深高度變化幅值的增加會造成船模縱搖幅值的增加。此外，試驗還針對不同航速、不同浸深周期進行試驗，并測量船模的縱搖角度。試驗表明：隨著航速、截流板浸深幅度、浸深周期越大，該減搖裝置對縱搖的影響越大，也即減搖效果越明顯。強迫縱搖試驗幾個工況下的最大縱搖角度見表1。

表1 強迫縱搖試驗最大縱搖角度

3.2 規則波和不規則波減搖試驗

對安裝截流板的雙體船模型進行迎浪規則波和不規則波減搖試驗，比較截流板對縱搖運動的影響，分析航速、截流板浸深和波浪參數對減搖效果的影響。

迎浪規則波減搖試驗主要測量在不同波浪、不同航速條件下船模的阻力、縱傾和艉部升沉。試驗方案見表2。

對比使用減搖系統前后的無因次縱搖系數比，可看出減搖系統的減搖效果明顯，系統開關前后無因次縱搖系數見圖9。減搖系統在近似相同波高下，可以實現單位波高減縱搖10%～20%。此外，試驗結果還表明：在縱搖固有頻率附近，該減搖系統的減搖效果更明顯。

迎浪不規則波減搖試驗主要測量的參數與規則波減搖試驗相同，可觀察到隨著海況的增加，減搖的效果稍有減弱，但在一定海況下，單位波高縱搖可減小15%～25%。船模航速在4.8 m/s時，減搖系統開關前后的船模縱搖角度對比見圖10，可看出當縱搖角度較大時，減搖系統可明顯減少船體的縱搖角度。

表2 迎浪規則波減搖試驗方案

圖9 規則波減搖試驗中系統開關前后無因次縱搖系數比

圖10 不規則波減搖試驗中系統開關前后縱搖角度對比

3.3 靜水阻力試驗

對安裝截流板的雙體船船模進行靜水阻力試驗，探究截流板對船舶阻力的影響。靜水阻力主要測量在不同試驗速度、截流板不同浸深高度條件下船模的阻力、縱傾和艏艉升沉。試驗方案及其靜水阻力見表3。

試驗結果表明:船模安裝減搖裝置之后可產生一定的減阻效果，靜水試驗中最多可減少阻力2%～5%。并且,航速的增加和浸深高度的增加都可以進一步增加減搖裝置的減搖效率，這與強迫縱搖的試驗結果是一致的。船模在試驗中的縱傾變化符合截流板產生的壓力變化規律。

表3 靜水阻力試驗

4 減搖系統實船試驗

對減搖系統的船模試驗驗證其作為主動減搖系統的控制策略可行性，而為進一步驗證本減搖系統的減搖效果需進行嚴格實船測試。加裝本減搖系統的某40 m高速雙體船已在我國南海海域進行初次海試。減搖控制系統界面見圖11。試驗的最高航速達到了35 n mile/h，最大浪高達到3 m，減搖系統的試驗進行共獲取百余組試驗數據點。

圖11 減搖系統的控制面板

本減搖系統實船試驗結果表明：最大可減少縱搖角度70%，縱搖角速率74%；最大可減少橫搖角度57%，橫搖角速率72%；此外，還可在一定程度上減少升沉加速度。具體減搖效果見圖12。由圖12可知：本減搖系統可同時減小船舶的縱搖和橫搖運動，特別是能夠減小縱搖，并且表現出極強的減搖能力。

圖12 減搖系統實船減搖效果

5 結束語

本文介紹一種適用于高速船的新型減搖系統，減搖裝置為艉封截流板的形式，基于水動力數值計算及船舶運動極短預報，精準預測波浪擾動力矩，從而匹配船舶航速、搖蕩運動及壓力分布，伺服機構實現截流板實時主動運動。經實船驗證，實船實施可靠，減搖效果明顯。

本減搖系統的減搖裝置結構緊湊、附加質量和驅動功率小、安裝方便，減搖效果突出，使其尤為適合中小型高速船使用，并且可與其他減搖裝置組合使用，提高減搖效率并適應更多的海況和裝載工況。該減搖系統對實現高速船的綜合減搖提供新的思路，其主動式減搖特點也更加符合未來船舶向精密化、自動化、智能化發展的趨勢，具有良好的發展前景。