考慮長周期涌浪影響散貨船運動響應研究*

李龍浩 支遠哲 嚴慶新 關宏旭

(武漢理工大學航運學院1) 武漢 430063) (內河航運技術湖北省重點實驗室2) 武漢 430063)(中交上海航道勘察設計研究院有限公司3) 上海 200120)

0 引 言

大型散貨船進出港時遭遇長周期涌浪侵襲，會導致垂向運動的異常增大，涌浪頻率與船舶航行振動頻率接近而產生共振，極易發生中拱、中垂、螺旋槳空轉等危險現象[1]，嚴重時可能導致船舶觸底，損壞車舵.

有關波浪造成的船舶下沉量的研究是屬于流體動力學方面的范疇，通過船池物模試驗獲取船體運動響應數據.馮鐵城等[2]借助43艘船模在規則波中進行迎浪自航試驗,通過回歸分析將有義縱搖幅值、有義垂蕩幅值表示為主尺度及航速的多項式；黃宣軍等[3]通過觀測打樁船模型在規則波涌浪條件下的運動響應，發現波浪周期接近船舶自振周期或錨泊系統自振周期時，船舶運動量明顯增大.物理模型所得到的試驗數據更精準，但耗費的時間和費用較高，相對而言數值模擬所需要的成本更小[4].隨著計算機水平的發展，學者們開始借助計算機仿真軟件計算船舶運動響應，Kim等[5]借助WASIM軟件對兩艘船舶的運動響應進行求解，并與線性方法的計算結果進行對比；Feng等[6]通過分離入射波和散射波改進了傳統完全非線性勢流理論以提高計算效率，并采用這一方法對并列駁船間的水動力共振問題進行研究；Hannan等[7]基于完全非線性水波理論，借助數值模擬的方法研究了海上起重駁船的有效工作載荷和非線性運動特性；Jiang等[8]采用數值模擬的方法研究了波浪作用下并排異形箱體的波浪載荷；楊波等[9]基于流體力學的方法，給出船舶在波浪中運動的數值模擬方式，求取垂蕩和縱搖運動的響應幅值算子，并驗證了數值模擬方法的精確性；謝海波等[10]借助SESAM軟件計算了錨泊船在波浪中的下沉量，給出了波高小于2.5 m的風浪環境中，錨泊船的下沉幅值與船舶吃水的關系；楊玥等[11]利用BV船級社的HydroSTAR軟件計算了FPSO在雙方向風浪及涌浪作用下的運動及載荷響應與浪向的變化特點，并進行了譜峰周期和航道水深的敏感性分析.

以上研究中并未對波浪的詳細要素諸如波周期、船浪向角和航道水深進行系統的分析和敏感性分析，本文借助經挪威船級社認證的NT PRO-5000船舶仿真模擬軟件對船舶在規則波涌浪作用下散貨船橫搖幅值、縱搖幅值和垂向運動幅值進行了研究.

1 基本參數及計算模型

1.1 基本參數

目標散貨船主尺度見表1.

表1 散貨船主尺度

1.2 水動力參數

散貨船橫搖周期為

(1)

散貨船縱搖周期為

(2)

式中：L為船長；Cp為縱搖周期系數，這里取0.6.

散貨船垂蕩周期為

(3)

船體各固有搖蕩周期見表2.

表2 散貨船固有搖蕩周期 單位：s

經過軟件計算得到最大橫搖角φ和縱搖角θ，對應的橫搖幅值Sφ和縱搖幅值Sθ為

(4)

(5)

2 計算工況

2.1 海況

計算中的波浪要素組成包含短周期風浪和長周期涌浪，短周期波浪采用JONSWAP波譜模擬隨機波環境中的海浪，長周期涌浪采用規則波疊加的方式模擬隨機波環境，風浪和涌浪的參數見表3.

2.2 海況環境組合

考慮到散貨船水下結構對稱，因此試驗將涌浪方向規定為0°～180°，30°為間隔(0°為迎浪方向，180°為順浪方向)，波周期為5，25 s，并將該環境參數進行組合，研究中還包含了對譜峰周期上下波動10%的局部敏感性分析，通過對海況設置的譜峰周期和航道水深參數進行分析，得到敏感性系數的大小(見式(1))，可以在實際應用中忽略敏感性系數很小的因素，而重點考慮敏感性系數較大的參數，故增加了波周期為4.5，5.5，22.5，27.5 s，航道水深為10.7和13.0 m的環境組合，總共105種環境組合.

敏感性系數表示為

(6)

式中：R為試驗輸出值；H為試驗參數值；ΔR和ΔH分別為R和H的變化量.

3 計算結果及分析

3.1 計算結果

通過計算得到在不同海況環境中散貨船垂向運動幅值時歷曲線和運動響應幅值(見表4)，由于存在淺水效應，相同工況環境中水深為11.9 m船體運動響應較深水條件更為劇烈，限于篇幅，文中只列出了散貨船樣本模型在25 s涌浪條件中，船艏迎浪的橫搖角幅值、縱搖角幅值和垂向運動響應時歷曲線圖，見圖1.

表4 不同工況散貨船運動響應計算結果

圖1 水深11.7 m，波浪周期25 s船首迎浪船體運動時歷

3.2 計算結果分析

通過表3和圖1可知：

1) 在指定的環境工況組合中，波周期5 s的船體垂向運動幅值最大為1.51 m，發生在浪向角180°時船艉附近，縱搖引起的垂向運動幅值大于橫搖；波周期25 s船體垂向運動幅值最大為2.14 m，發生在浪向角0°船艏附近，縱搖運動顯著為1.64 m.

2) 相同水深和浪向角的工況下，長周期涌浪對散貨船的影響更為明顯，其中縱搖所引起的船體下沉幅值大于橫搖，主要原因在于雖然橫搖角度較大，但由于船舶設計為細長體，船長遠大于船寬，且船體型線剖面呈曲線狀，進一步降低橫搖運動所造成的船體下沉幅值.

3) 對于兩種不同周期的波浪，船體橫搖角度最大位置均出現在浪向90°橫浪處，其中短周期風浪所引起的船體橫搖較大，是因為風浪短周期5 s更迫近船舶橫搖固有周期.而縱搖角幅值最大位置均出現在首尾迎浪處，長周期涌浪所引起的船體縱搖較大，是由于涌浪長周期25 s更迫近船體縱搖固有周期的二倍周期造成的.

4 環境條件參數敏感性分析

以基準環境條件作用下散貨船樣本的運動響應作為標準，選取浪向角0°進行敏感性分析.基準環境條件參數見表5.

表5 基準環境條件參數

4.1 譜峰周期敏感性分析

基準環境條件參數中風浪和涌浪的譜峰周期分別為5和25 s，分別將其±10%進行了船體運動響應計算，獲取橫搖幅值、縱搖幅值和垂向運動幅值的變化，并獲取其響應標準差隨波周期的變化，計算結果見表6.

表6 譜峰周期敏感性分析結果

由表6可知：散貨船樣本的橫搖、縱搖和垂向運動均對譜峰周期較為敏感，且樣本固有橫搖周期10.7 s，固有縱搖周期8.9 s，固有垂蕩周期為6.7 s，因此擴大涌浪周期范圍后，當涌浪周期朝迫近其運動固有周期變化時，其運動響應迅速增大；反之則相應減小，如5 s附近減小波周期，橫搖、縱搖和垂向運動相應減小，而25 s附近，增大波周期，橫搖、縱搖和垂向運動反而增大.

4.2 航道水深敏感性分析

基準環境參數中水深為11.9 m，分別計算在涌浪周期25 s時航道水深±10%的船體運動響應變化量和響應標準差隨航道水深，結果見表7.

表7 航道水深敏感性分析結果

由表7可知：散貨船樣本在不同水深條件下的橫搖、縱搖和垂向運動對于水深敏感性較小，由于淺水效應的存在，水深較淺時其運動相應反而增大，且隨著水深的增加，其運動響應迅速降低.

綜合譜峰周期和航道水深敏感性分析的計算結果可知，散貨船運動響應對于涌浪周期的變化較為敏感，在進出港航道水深設計的計算和分析時，需要結果散貨船運動響應的譜峰周期環境參數進行敏感性分析，才能得到較為可靠的計算結果，確保設計船型進出港航行的安全.

5 結 論

1) 散貨船樣本模型在橫浪中橫搖角較大，縱浪中縱搖角較大，但是船體下沉數值主要取決于縱搖運動，涌浪環境中散貨船的最大垂向運動出現在波向角0°和180°附近的船艏和船艉，建議船舶進出港航行時宜避開船艏迎浪和船艉順浪，以免船體下沉異常，造成觸底事故.

2) 涌浪的譜峰周期敏感性對散貨船的船體運動響應影響較大，而對水深的影響較小，在進行涌浪載荷分析和運動響應分析時，應結合船體固有搖蕩周期對涌浪周期進行敏感性分析，同時建議船舶進出港應避開諧搖周期和固有周期的倍頻周期，以免船體產生諧搖，引發船體觸底事故.