水線面大開口船舶阻力和耐波性試驗研究

祝啟波 付金麗 曾江易

摘? ? 要：本文通過模型試驗，對某水線面大開口船舶在開口開啟和封閉狀態下對船舶阻力和耐波性能的影響進行研究。試驗結果表明：水線面大開口會產生較大的阻力增值，低航速下對船舶阻力的影響更為明顯;同時，開口的存在會大幅度影響船舶在橫搖方面的性能。

關鍵詞：開口;模型試驗;阻力;耐波性

中圖分類號：U661.31 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Resistance and Seakeeping Model Test of Ship with Notch

ZHU Qibo， FU Jinli， ZENG Jiangyi

（ Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250 ）

Abstract： The resistance and seakeeping performance of a ship with notch in midship are studied in this paper. The model test is carried out to analyze the effects of open and closed notches on ship resistance and seakeeping performance. The test results show that the notch of waterplane will produce a large increase of resistance， the effect of the notch on the resistance is more obvious at low speed， and the existence of the notch will greatly affect the wave resistance of the ship in rolling.

Key words： Notch; Model test; Resistance; Seakeeping

1? ? 引言

近年來，為滿足特定的作業需要，一些船舶設有大型開口，這些大開口垂直貫穿船體底部與主甲板，其相應水線面呈現大開口狀況。開口的存在會直接影響到船舶的各項性能，例如：阻力方面，開口會使外部流場在開口處形成一個半封閉的水域，在船舶行駛過程中，這部分水流的一部分流向船底，另一部分則被壁面反射造成波面升高，耗散能量，從而使得船舶的阻力增加;耐波性方面，相對于船底，開口類似于一個有自由液面的陷落式腔體，開口中的流體存在沿開口深度方向的固有振蕩現象（稱為活塞現象）。在來流條件下，開口內流體的晃蕩和活塞運動，對船舶耐波性能產生影響。

目前，國內外關于水線面開口對船舶性能影響的研究非常有限，大多采用試驗和數值模擬兩種方法進行研究。劉厚恕[1]以某自航鏈斗船為對象開展試驗研究，結果表明水線面開口尺寸對于船體阻力有一定的影響;VEER等[2]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[3]基于EMD法對圓形月池在均勻來流條件下的流激振蕩特性進行研究;鄒康等[4]運用模型試驗方法對某深水多功能水下工程船的月池水動力性能進行研究，分析月池對船舶運動的影響;石珣[5]對首尾開口的絞吸挖泥船進行阻力研究，得到低航速下首尾水線面大開口對船體阻力性能的影響;潘放等[6]采用CFD方法對一深拖母船的阻力進行研究，分析不同開口類型的影響以及減小阻力的方法，結果表明通過設置遮蔽擋板可以使得開口阻力顯著減少。

本文以某船舯大開口船舶為研究對象，對水線面大開口的船舶阻力和耐波性進行試驗研究。通過對比研究的方式（對比開口封閉和開啟的試驗結果），討論水線面大開口對船舶阻力和耐波性的影響，為后續類似船舶的設計和開發提供參考。

2? ? 研究對象

本文的研究對象為某船舯大開口船舶，其主尺度如下：

該船于船舯設有一尺寸為8 m×4 m×4.2 m的矩形開口（見圖1），開口四周封閉，底部安裝非水密液壓保形門（雙開），開口頂部位于水線面以上（見圖2）。

3? ?試驗工況

本文模型試驗在荊門中國特種飛行器研究所高速水動力實驗室拖曳水池進行，模型縮尺比為1：18，拖車最大速度為2.2 m/s。為研究水線面大開口對目標船性能的影響，試驗需要測量船體開口底部在封閉和開啟兩種狀態下的船舶運動。試驗時，先用蓋板將開口底部封閉，測量各工況下的試驗結果;然后將蓋板取下，測量開口開啟后的各工況試驗結果。

模型試驗分為靜水試驗與規則波耐波性試驗（見圖3、圖4），試驗的具體工況如表1、表2所示。

4? ? 試驗結果比較與分析

（1）靜水阻力試驗結果比較

模型總阻力增加百分數△Rm定義，如下：

（1）

式中：Rm1、Rm0——分別為船舯開口開啟和封閉時的模型總阻力。

圖5給出了船舶靜水阻力試驗結果。圖中橫坐標為傅汝德數Fr，縱坐標為模型總阻力Rm;圖6為船舯開口開啟后的模型總阻力增加百分數曲線。

從圖5的試驗結果可以看出，船舯水線面大開口會產生較大的阻力增值，原因可能是中部開口使得水線面的幾何形狀變化，水流一部分流向船底，一部分則被壁面反射，造成開口內自由液面的晃蕩和漩渦產生，耗散了能量，增加了船體阻力。

從圖6可以看出，隨著傅汝德數Fr的增加，模型總阻力增加百分數呈現下降趨勢：在Fr=0.27時，總阻力增加百分數為74%;Fr=0.41時，總阻力增加百分數為36%。可見在較低Fr時開口對船舶總阻力的影響更為明顯。

圖7、圖8分別為靜水條件下開口封閉和開啟狀態的船模垂蕩及縱搖運動響應幅值試驗結果。

由圖7、圖8可以看出：船舯開口對船舶垂蕩運動的影響較小，開口封閉和開啟狀態下船模垂蕩運動的差別小于5%;開口對縱搖運動的影響略大，高Fr數時曲線產生較為明顯的差值，但由于其在數值上量級較小可認為二者差別不大，即開口的存在對船舶縱搖運動的影響非常有限。

（2）規則波耐波性試驗結果比較

對船舯開口開啟和封閉狀態的模型進行迎浪規則波試驗，測量模型總阻力、縱搖、垂蕩、首部0站、船舯理論重心位置和尾部19站的加速度。試驗波高取55 mm、波長范圍為2～6 m。圖9-14給出了各測量值的試驗結果的比較。

由圖9可以看出：船舯開口開啟和封閉狀態的模型總阻力相差較大，開口開啟狀態下船舶14 kn時其總阻力增加百分數的最大值達到76%（對應λ為4 m）、最小值約為52%（對應λ為6 m），而靜水14 kn時的總阻力增加百分數僅為38%。

由圖10、圖11可以看出：船舯開口對于在規則波中垂蕩及縱搖運動的影響較小，開口封閉和開啟狀態下垂蕩和縱搖運動的差別不大;由圖12～圖14可以看出：當λ<3 m時，各曲線相差不大;當λ>3 m時，開口使得在首部、舯部及尾部加速度得到較大的抑制，首部加速度峰值減小了54%、船舯減小了43%、船尾減小了32%。

（3）實船在不規則波中的耐波性能預報

根據規則波的試驗結果，預報了某船舯大開口船舶在不規則波中的耐波性能，海浪譜采用IITC和ISSC先后推薦的雙參數譜，其一般形式為：

（2）

式中：ζWβ為三一平均波高;T1為譜峰周期;ω為波頻。

實船海況為4級、有義波高2.50 m、譜峰周期6.79s，預報結果見表3。

由表3可以看出：開口的存在對于船舶在不規則波中的耐波性有一定的抑制作用，改善了船舶的耐波性能。

（4）靜水橫搖衰減試驗

對開口開啟和封閉狀態的模型進行靜水自由橫搖衰減試驗（見圖15、圖16）。

根據橫搖衰減試驗曲線計算的無因此衰減系數結果（見表4）表明：水線面大開口使得船舶橫搖阻尼有所減小，橫搖固有周期也減小，波浪中橫搖運動加劇，影響本船在該方向上的耐波性能。

5? ?結論

通過對水線面大開口船舶的阻力和耐波性模型試驗，得到如下結論：

（1）船舶水線面大開口會產生較大的阻力增值，其原因為開口使得該處水線面形狀發生變化，水流一部分流向船底，一部分則被壁面反射，造成開口內自由液面的晃蕩和漩渦產生，耗散了能量，從而增加船體阻力;在較低航速時，水線面大開口對船舶總阻力的影響更為明顯;

（2）船舶水線面大開口使船舶在波浪中的阻力增值進一步加大，可以通過在開口處增加蓋板的方式來減小阻力;

（3）船舶水線面大開口對于船舶在波浪中縱向運動的影響非常有限;水線面大開口使得船舶橫搖阻尼和固有周期減小，波浪中橫搖運動加劇。因此，通過相關措施減小開口對于船舶橫搖運動的影響是改善水線面大開口船舶耐波性的關鍵。

參考文獻

[1] 劉厚恕. 1250m3/h 吸盤挖泥船總體設計[J]. 船舶， 1995（2）.

[2] VEER R V， THOLEN H J. Added resistance of moonpools in clam water[C] /27 th OMAE， 2008.

[3] 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）.

[4] 鄒康， 桂滿海， 羅良. 月池水動力特性及其對船舶運動的影響研究[J].?? 船舶與海洋工程， 2017，33（5）.

[5] 石珣， 陳新權， 譚家華. 基于計算流體力學方法的水線面大開口工程?船阻力性能分析[J]. 上海交通大學學報，2012（8）.

[6] 潘放， 劉亞東. 水線面大開口深拖母船的阻力性能研究[J]. 船舶工? 程，2017，39（11）.