舭龍骨對(duì)半潛船橫搖響應(yīng)的影響

蔡連財(cái) 劉旭 霍浩杰 陳曉明

摘 ? ?要：舭龍骨作為一種簡(jiǎn)單的減搖結(jié)構(gòu)，可有效降低船舶在波浪中的橫搖響應(yīng)，提高船舶耐波性。尤其是對(duì)于半潛船，舭龍骨參數(shù)的合理選擇可有效改善橫搖，降低實(shí)際營(yíng)運(yùn)中貨物綁扎量要求，從而降低運(yùn)營(yíng)成本。目前船舶設(shè)計(jì)通常采用經(jīng)驗(yàn)公式或模型試驗(yàn)來(lái)確定舭龍骨參數(shù)，存在不確定性和成本高等問(wèn)題。本文以某10萬(wàn)噸半潛船為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬方法，對(duì)比舭龍骨參數(shù)對(duì)橫搖、橫蕩的影響，發(fā)現(xiàn)舭龍骨的面積、長(zhǎng)度和寬度等參數(shù)對(duì)橫搖有顯著影響。本文研究結(jié)果可為肥大型船舶舭龍骨設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：舭龍骨;橫搖響應(yīng);半潛船;數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：U661.33?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： As a simple anti-rolling structure， bilge keel can effectively reduce roll response of ships in waves and improve ship seakeeping. Especially for semi-submersible vessels， the reasonable selection of bilge keel parameters can effectively improve rolling， reduce the requirement of cargo binding quantity in actual operation， and thus reduce operating costs. At present， bilge keel parameters are usually determined by using empirical formula or model test in ship design， which could lead to high uncertainty， high cost and other problems. Taking a 100000 DWT semi-submersible vessel as the research object， this paper adopts numerical simulation method to compare the influence of bilge keel parameters on rolling and swaying， and finds that parameters such as area， length and width of bilge keel have significant influence on rolling. The results of this paper can provide ideas for bilge keel design of full formed ships.

Key words： Blige keel; Roll response; Semi-submersible vessel; Numerical simulation

1 ? ? 前言

舭龍骨作為一種被動(dòng)式減搖結(jié)構(gòu)，具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于維護(hù)等優(yōu)勢(shì)，在各類船舶上得到了廣泛使用[1]。

舭龍骨主要通過(guò)增加船舶附加阻尼產(chǎn)生減搖效果，其產(chǎn)生的附加阻尼主要由兩部分組成：因舭龍骨正背面壓力差產(chǎn)生的阻尼;以及因船體表面壓力分布改變產(chǎn)生的阻尼[2]。在工程上，一般采用經(jīng)驗(yàn)公式、半經(jīng)驗(yàn)公式、模型試驗(yàn)等方法確定帶舭龍骨船體的橫搖阻尼;隨著計(jì)算機(jī)性能的提高和計(jì)算方法的改進(jìn)，數(shù)值模擬方法因具有經(jīng)濟(jì)高效、不受模型尺寸限制、計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確等諸多優(yōu)勢(shì)，已成為研究船舶耐波性的主流技術(shù)手段，得到了廣泛應(yīng)用。

基于經(jīng)模型試驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)的數(shù)值模擬方法，本文以某100 000 DWT級(jí)半潛船為對(duì)象，通過(guò)選取不同的舭龍骨參數(shù)，研究其對(duì)半潛船耐波性的影響，為設(shè)計(jì)類似船型的舭龍骨參數(shù)提供參考。

2 ? ? 耐波性數(shù)值模擬

2.1 ? 計(jì)算船型及裝載情況

以某100 000 DWT半潛船為計(jì)算船型，其甲板上裝載某海洋平臺(tái)。半潛船相關(guān)參數(shù)見表1、平臺(tái)相關(guān)參數(shù)見表2，平臺(tái)的長(zhǎng)寬均大于半潛船的型寬，故平臺(tái)有部分外伸。

2.2 ? 計(jì)算方法

本文數(shù)值模擬使用OCTOPUS計(jì)算軟件，該軟件基于三維勢(shì)流理論，能夠?qū)Υ斑\(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值預(yù)報(bào)：

（1）建立船舶的濕表面模型;根據(jù)三維勢(shì)流理論，計(jì)算輻射勢(shì)和繞射勢(shì);也可以預(yù)先計(jì)算多個(gè)工況下的數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)庫(kù)文件，方便以后直接讀取相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，提高數(shù)值模擬的效率;

（2）通過(guò)制定好的航路計(jì)劃，從內(nèi)置的不同海區(qū)海浪數(shù)據(jù)庫(kù)中提取航路上各海區(qū)的有義波高，為航路計(jì)算海況提供參考;

（3）輸入實(shí)際裝載工況下的吃水、初穩(wěn)心高、慣性矩等信息，根據(jù)裝載信息、計(jì)算海況和生成的輻射勢(shì)和繞射勢(shì)數(shù)據(jù)，計(jì)算對(duì)應(yīng)的RAO;

（4）根據(jù)計(jì)算海況、波浪譜參數(shù)和計(jì)算得到的RAO，對(duì)船舶在波浪中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值預(yù)報(bào)。

使用OCTOPUS進(jìn)行數(shù)值預(yù)報(bào)的基本流程，如圖1所示。

2.3 ? 計(jì)算模型

使用OCTOPUS進(jìn)行數(shù)值模擬，首先要建立船體濕表面模型。本文的濕表面模型基于船體型線圖建立，總共50個(gè)典型肋位;網(wǎng)格設(shè)置為船長(zhǎng)方向等分80份、船寬方向等分60份。劃分后的濕表面模型，如圖2所示。

2.4 ? 計(jì)算海況

本文數(shù)值模擬使用JONSWAP波浪譜生成系列計(jì)算海況，其譜密度表示為：

3 ? ? 數(shù)值模擬

3.1 ? 計(jì)算參數(shù)及測(cè)量點(diǎn)位置

為了研究不同舭龍骨參數(shù)對(duì)半潛船耐波性的影響，先選定不同參數(shù)，比較這些參數(shù)對(duì)應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果。

在數(shù)值模擬中，舭龍骨參數(shù)一般通過(guò)舭龍骨的長(zhǎng)度（或位置）、寬度來(lái)定義。本文選取了9組舭龍骨參數(shù)，如表4所示。

本文選取的測(cè)量點(diǎn)為如下4組：

P1： 首樓左舷;

P2： 首樓右舷，與P1點(diǎn)對(duì)稱;

P3： 尾甲板中線上;

P4： 貨物樁腿中心。

3.2 ? 模型試驗(yàn)

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要開展耐波性試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶ùw模型及貨物模型兩部分，縮尺比均為1：52。為方便結(jié)果對(duì)比，試驗(yàn)海況、橫蕩加速度測(cè)量點(diǎn)與數(shù)值模擬中的設(shè)定保持一致（見表3）。

試驗(yàn)使用不規(guī)則波，海浪譜為JONSWAP譜。耐波性模型試驗(yàn)地點(diǎn)為中國(guó)船舶科學(xué)研究中心耐波性試驗(yàn)水池。試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵妶D3。

表5、表6分別列出船舶橫搖角和P4測(cè)量點(diǎn)橫蕩加速度模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比;貨物樁腿處P4橫蕩加速度結(jié)果涉及到半潛船實(shí)際營(yíng)運(yùn)的貨物綁扎設(shè)計(jì)，所以選取該點(diǎn)的橫蕩加速度進(jìn)行對(duì)比。

通過(guò)表5、表6的結(jié)果對(duì)比可知：

（1）在Hs=5 m海況下，數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)的偏差在10%以內(nèi)，兩者結(jié)果較為吻合，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性;

（2）在Hs=7 m海況下，數(shù)值模擬計(jì)算得到的橫搖角、橫蕩加速度比試驗(yàn)結(jié)果要大，最大偏差接近20%。這主要是因?yàn)樗b載平臺(tái)有部分外伸，在Hs=7 m工況下，該平臺(tái)外伸部分入水會(huì)產(chǎn)生額外阻尼減少半潛船橫搖響應(yīng)，進(jìn)而降低橫蕩加速度;由于數(shù)值模擬所建立的濕表面模型只考慮了船體部分，并沒有考慮貨物外伸部分，導(dǎo)致數(shù)值模擬沒有計(jì)及這部分阻尼對(duì)船舶橫搖響應(yīng)的影響，因此兩者誤差較大;另外，在波高較大的工況下，船舶非線性運(yùn)動(dòng)所占的比例提高，這也會(huì)導(dǎo)致數(shù)值計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果偏差較大。因此，在工程應(yīng)用必要的情況下，需要考慮貨物入水和惡劣海況下船舶非線性運(yùn)動(dòng)的影響，并作出相應(yīng)修正，以提高數(shù)值模擬結(jié)果的精度。

3.3 ? 舭龍骨參數(shù)對(duì)半潛船耐波性的影響

因舭龍骨參數(shù)對(duì)縱搖、首搖、縱蕩、垂蕩的影響較小，所以本文主要關(guān)注舭龍骨參數(shù)對(duì)橫搖角和橫蕩加速度的影響。

不同舭龍骨參數(shù)下，橫搖角、橫蕩加速度數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比如表7、表8、圖4所示。因測(cè)量點(diǎn)P1、P2左右對(duì)稱，兩者結(jié)果一致，故圖表中只列出P1點(diǎn)的數(shù)值模擬結(jié)果。

將表7、表8和圖4中各組參數(shù)對(duì)應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出以下結(jié)論：

（1）通過(guò)對(duì)比第1～8組的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隨著舭龍骨面積增加，橫搖響應(yīng)和橫蕩加速度均減小，舭龍骨面積越大，減搖效果越好;

（2）通過(guò)對(duì)比第1～6組的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，減小舭龍骨寬度會(huì)增加橫搖響應(yīng)和橫蕩加速度，當(dāng)舭龍骨寬度為零（即無(wú)舭龍骨）的情況下，橫搖響應(yīng)比有舭龍骨的明顯增大，說(shuō)明舭龍骨的存在能有效減小半潛船在波浪中的橫搖。

4 ? ?結(jié)論

本文基于數(shù)值模擬方法，通過(guò)研究不同舭龍骨參數(shù)對(duì)某100 000 DWT半潛船耐波性的影響規(guī)律，并將其與模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，得到主要結(jié)論如下：

（1）數(shù)值模擬結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果非常吻合，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，說(shuō)明基于數(shù)值模擬方法研究舭龍骨的影響具有科學(xué)性;

（2）增加舭龍骨的面積，能有效地改善半潛船的橫搖響應(yīng);

（3）一般的數(shù)值模擬濕表面模型僅考慮了半潛船的船體部分，如果貨物有外伸到半潛船型寬以外的情況，在惡劣海況下因船舶的非線性運(yùn)動(dòng)和貨物入水，會(huì)導(dǎo)致數(shù)值模擬方法得到的橫搖響應(yīng)誤差較大，不利于工程實(shí)際中合理控制綁扎件設(shè)計(jì)成本，從而影響船東的營(yíng)運(yùn)效益。因此，應(yīng)通過(guò)更深入的研究，在數(shù)值模擬中對(duì)此做出相應(yīng)的修正，以提高計(jì)算精度。

參考文獻(xiàn)

[1] ?洪超， 陳瑩霞. 船舶減搖技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 船舶工程， 2012（2）：?? ? ? ?236-244.

[2] ?盛振邦， 劉應(yīng)中. 船舶原理[M]. 上海：上海交通大學(xué)出版社， 2004.