基于修正的切片理论的穿浪双体船耐波性预报

基于修正的切片理论的穿浪双体船耐波性预报

1时域和三维方法据说“海上没有风，船上有波浪”。波浪总是在海上发生。工人们长期生活在海上。如果船的耐波性较低，船员的移动率较高，许多重要任务没有得到落实，这直接影响到船的使命和任务的完成，并使整个船的安全。在交船时,快速性指标和操纵性指标是最重要的,航速达不到,直接影响交船。但交船后,用户在使用中,耐波性指标变得更加重要,特别是军船,武器系统需要依据船的耐波性指标进行整个武器系统的设计和选型。因此,在设计阶段如能比较准确地确定船的耐波性是非常必要的,但往往由于项目时间和经费的限制,大多数的船不会在水池进行耐波性实验,而是采用耐波性理论预报。耐波性的理论预报许多人研究过,经典的方法是由Weinblum和Denis,Ogilvie和Tuck,Newman等人提出的。这些理论通常是基于瘦长体假定,并在频域内使用线性两维或者三维方法。其中两维方法通常是指切片理论。用切片理论已成功预报许多常规低速船舶(Fr<0.35)的纵向运动。近年来,许多研究者开发了线性三维方法,比如Inglis,Nakos等人。一般来说,三维方法并不能比切片理论得出更好的结果。它主要是能正确处理定常和非定常流的交互作用、尾封板的效应和计算方法的数值精度。全三维方法计算会花费许多时间。对于瘦长体的高速船可以使用一种基于两维Laplace方程,用三维的自由表面条件的方法。对于具有向前高速航行的船舶,一个船体切片产生的波浪主要波及顺流而非逆流。所以可以从船首开始逐步解决顺流问题。这种理论已经应用到具有定常向前运动的尖首型船舶上。类似的方法由Faltinsen应用到兴波阻力增加研究。这种理论由Yeung等人在频域内研究船舶运动。对于高速排水的船舶理论预报与试验数据一致。后来Zhao等人提出了线性时域理论。用这种分析,可以对定常和非定常流的交互作用采取最简单的方法。使用时域理论可以容易地考虑非线性影响。最近RongZhao提出了全线性时域分析理论。他引入速度势来描述定常和非定常流,船体的边界条件满足每一时间片的船体瞬时湿表面积。这样定常和非定常流的交互作用可以自动包含去分析。使用时域理论的纵向运动已经有人研究,Chapman,R.B.等人将时域从两维计算发展到三维计算。H.K.Ye和C.C.Hsiung等人对双体和单体船在时域范围迎浪运动进行了计算,但速度并不高(Fr1=0.3)。穿浪双体船型航速一般较高(0.5<Fr<1.0),在这样的高速下,三维的时域方法在使用上都受到限制,有人对中速艇(Fr<0.6)应用修正的切片理论(主要是进行尾封板修正)进行计算,计算结果比较理想。有人用SHIPFLOW软件对穿浪双体船进行过流场分析,但是Fr<0.6。穿浪双体船的片体的长宽比非常大,一般在12以上,这正好满足经典的耐波性的理论预报方法的两维方法,即切片理论的瘦长体要求。在较低海况下,中间体不入水,在进行耐波性的理论预报时可以不考虑中间体,应用修正切片理论对穿浪双体船进行耐波性的理论预报是可行的。2船舶模型池的防水性能2.1超低频加速度传感器测试仪器有西德进口的R47适航仪、LGY-1A电容式浪高仪,CG3-11-1/20超低频加速度传感器。造波机为电液伺服摇板式,最大波高0.3m,频率范围0.25～2.0Hz。试验水池为上海船舶运输科学研究所No.2水池,水池长192m,宽10m,水深4.2m。2.2测试测试2.2.1纵向运动试验数据分析对规则波中的阻力增量、升沉、纵摇及艏、中、艉三点垂向加速度,采用谱分析预报方法,按ITTC有限风区波浪谱预报,有义波高分别为1.0m、1.8m、2.5m和3m(波浪特征周期分别为6.0s、6.3s、6.66s和6.72s)实船上的各纵向运动的有义值。试验航速: 20kn、28kn、36kn;试验波长范围: 0.5～5.0倍船长,共13个试验波长;试验波高: 约5.0cm;试验状态: 见表1,纵向惯性半径均为Kyy=0.255L;加速度测点位置: 艏部:14#站;中间:9#站;艉部:2#站;测量主要内容: 阻力增量、纵摇、升沉,艏、中、艉加速度。ITTC有限风区波谱表达式为:S(ω)=0.658×[173H21/3T−41ω−5exp(−691/T41ω4)]×(3.3)exp[−(0.206ωT1−12√σ)2](1)S(ω)=0.658×[173Η1/32Τ1-4ω-5exp(-691/Τ14ω4)]×(3.3)exp[-(0.206ωΤ1-12σ)2](1)ω≤4.85/T1时,σ=0.07,ω>4.85/T1时,σ=0.09。2.2.2ittc有限风区波试验模拟有义波高分别为1.0m、1.8m、2.5m,对应的波浪特征周期分别为6.0s、6.3s、6.6s的ITTC有限风区波谱。对模型进行了迎浪纵向运动两维不规则波试验。通过试验测得相应海况下船舶纵摇、升沉和艏、中、艉三点垂向加速度的有义值及兴波阻力增量并对实船进行了预报。3理论计算3.1sekieper计算通过线型光顺软件Maxsurf生成线型,然后使用Seakeeper软件进行耐波性计算。Seakeeper可以采用修正的切片理论进行计算。用常规切片理论可以预报低速船舶(Fr<0.35)的纵向运动,Seakeeper通过尾封板修正、附加阻力和波浪力计算方法的改进,将常规船舶耐波性的理论预报的速度提高到Fr=0.6。3.2理论计算的分类4船舶模型试验的统计报告常规波试验5耐波性指标比较理论预报与船模试验(规则波试验)统计预报对比如图1～图4所示。从曲线对比可以看出:平均阻力增量除了在Fr>0.6后误差很大外,其他耐波性指标包括纵摇有义值、升沉有义值和垂向加速度有义值在Fr<1.0的范围内与船模试验相比有较好的吻合度。6船舶模型的规则波试验与不规则波试验进行了比较船模规则波试验与不规则波试验结果比较见表3。7耐波性指标分析采用船模水池进行耐波性预报,规则波试验和不规则波试验的预报结果最大误差高达50%,而