孫樹政，繆泉明，李積德

(1.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫 214082;

2哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001）

內(nèi)傾干舷單體復(fù)合船型運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)

孫樹政1，2，繆泉明1，李積德2

(1.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫 214082;

2哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001）

本文所研究的船型是以某圓舭船型為母型，采用低內(nèi)傾干舷和后傾穿浪首設(shè)計(jì)，應(yīng)用減縱向運(yùn)動(dòng)組合附體技術(shù)生成的新型單體復(fù)合船型。本文對(duì)該新型單體復(fù)合船型開展運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)研究，應(yīng)用RANS方法計(jì)算船體水動(dòng)力系數(shù)，研究該船型水動(dòng)力特性。對(duì)該船型進(jìn)行縱向運(yùn)動(dòng)性能預(yù)報(bào)，將預(yù)報(bào)結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，本文采用的預(yù)報(bào)方法能夠反映出內(nèi)傾干舷單體復(fù)合船型的水動(dòng)力特征，預(yù)報(bào)精度達(dá)到工程精度要求。

內(nèi)傾干舷;單體復(fù)合船型;運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào);粘性

0 引言

為應(yīng)對(duì)未來信息化海戰(zhàn)及海軍編隊(duì)作戰(zhàn)需求，艦船環(huán)境適應(yīng)性得到各海軍強(qiáng)國(guó)的普遍重視，其中尤以美國(guó)的DDX船型為代表。該船型突出的性能和技術(shù)特點(diǎn)是優(yōu)良的隱身功能，一體化上層建筑，且采用了倒V形隱身船型，其雷達(dá)反射信號(hào)僅為現(xiàn)役驅(qū)逐艦的1/64，采用電力推進(jìn)，其噪聲將比現(xiàn)役艦船小得多。研究表明單體復(fù)合船型在保持快速性與常規(guī)圓舭船型相當(dāng)?shù)那疤嵯履筒ㄐ缘玫酱蠓嵘?－5］。本文參考該船型隱身構(gòu)型設(shè)計(jì)，應(yīng)用減縱搖組合附體技術(shù)，開發(fā)新型單體復(fù)合船型，針對(duì)該船型的特殊構(gòu)型研究該船型的水動(dòng)力特性，并根據(jù)水動(dòng)力計(jì)算結(jié)果對(duì)該船型進(jìn)行縱向運(yùn)動(dòng)性能預(yù)報(bào)。

1 剖面水動(dòng)力特性

新型內(nèi)傾干舷單體復(fù)合船型剖面與常規(guī)船型有所不同，為達(dá)到良好的隱身性能，其水線以上部分采用內(nèi)傾設(shè)計(jì)，圖1所示為內(nèi)傾干舷船型與常規(guī)船型橫剖面示意圖。

圖1 橫剖面示意圖Fig.1 Sketch of the sections

根據(jù)新型單體復(fù)合船型剖面的水動(dòng)力特性，計(jì)算8站處剖面作微幅振蕩與大幅振蕩時(shí)的垂蕩力。計(jì)算結(jié)果如圖2所示，自由液面示意圖如圖3所示。

圖2 8站剖面計(jì)算結(jié)果Fig.2 Calculated results of section 8

圖3 自由液面示意圖Fig.3 Sketch of free-surface

圖4 1站剖面附加質(zhì)量Fig.4 Added mass of section 1

圖5 1站剖面阻尼系數(shù)Fig.5 Damping coefficient of section 1

圖6 10站剖面附加質(zhì)量Fig.6 Added mass of section 10

圖7 10站剖面阻尼系數(shù)Fig.7 Damping coefficient of section 10

由圖可見，該船型船體剖面粘性效應(yīng)較明顯，隨著振蕩頻率的增加粘性計(jì)算阻尼系數(shù)結(jié)果比勢(shì)流計(jì)算結(jié)果逐漸增大，原因是粘性阻尼具有非線性特征，隨著振蕩頻率的增加以平方或更高次方增加。而附加質(zhì)量屬于慣性力范疇與粘性無關(guān)，因此粘性計(jì)算結(jié)果與勢(shì)流計(jì)算結(jié)果相差不大。

2 船體首部水動(dòng)力系數(shù)計(jì)算

對(duì)船體首部帶有組合附體部分 (2站之前）采用三維RANS方法計(jì)算不同頻率下船體附加質(zhì)量和阻尼系數(shù)［7］，計(jì)算結(jié)果如圖8和圖9所示，其中二維計(jì)算結(jié)果為首部各二維剖面 (包括0.35站、0.5站、0.75站、1站、1.25站、1.5站、2站）水動(dòng)力計(jì)算結(jié)果沿船長(zhǎng)積分結(jié)果，自由液面示意圖如圖10所示。

對(duì)于沒有組合附體部分船體，由于其細(xì)長(zhǎng)體特征明顯，三維效應(yīng)不太明顯，因此采用二維RANS方法計(jì)算折角線位于水線面以下船體剖面 (即5～20站）不同頻率下各剖面水動(dòng)力系數(shù)，圖11所示為9站和18站船體剖面附加質(zhì)量和阻尼系數(shù)計(jì)算結(jié)果。

圖8 首部附加質(zhì)量Fig.8 Added mass of bow

圖9 首部阻尼系數(shù)Fig.9 Damping coefficient of bow

圖10 船體自由液面示意圖Fig.10 Sketch of free surface on the body

圖11 水動(dòng)力系數(shù)計(jì)算結(jié)果Fig.11 Calculated results of hydrodynamic coefficients

3 縱向運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)

將船體水動(dòng)力粘性修正系數(shù)與組合附體動(dòng)升力修正系數(shù)代入船舶縱向運(yùn)動(dòng)方程求解即可得船體縱向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，對(duì)應(yīng)實(shí)船18 kn(Fr=0.26）、24 kn(Fr=0.35）和30 kn(Fr=0.44）迎浪升沉、縱搖及首部加速度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)預(yù)報(bào)結(jié)果如圖12～圖20所示，結(jié)果均已經(jīng)過無因次化處理。下式為修正后的船舶縱向運(yùn)動(dòng)方程［8－9］:

式中:帶角標(biāo)“*”者為水動(dòng)力粘性修正系數(shù);帶角標(biāo)“f”的項(xiàng)為組合附體動(dòng)升力修正項(xiàng)。

圖12 升沉響應(yīng) (Fr=0.26）Fig.12 Response of heave(Fr=0.26）

圖13 縱搖響應(yīng) (Fr=0.26）Fig.13 Response of pitch(Fr=0.26）

圖14 首部加速度響應(yīng) (Fr=0.26）Fig.14 Response of bow vertical acceleration(Fr=0.26）

圖15 24 kn升沉響應(yīng) (Fr=0.35）Fig.15 Response of heave(Fr=0.35）

圖16 24 kn縱搖響應(yīng) (Fr=0.35）Fig.16 Response of pitch(Fr=0.35）

圖17 24 kn首部加速度響應(yīng) (Fr=0.35）Fig.17 Response of bow vertical acceleration(Fr=0.35）

圖18 30 kn升沉響應(yīng) (Fr=0.44）Fig.18 Response of heave(Fr=0.44）

圖19 30 kn縱搖響應(yīng) (Fr=0.44）Fig.19 Response of pitch(Fr=0.44）

圖20 30 kn首部加速度響應(yīng) (Fr=0.44）Fig.20 Response of bow vertical acceleration(Fr=0.44）

從預(yù)報(bào)結(jié)果可以看出，采用粘性修正的切片法對(duì)該船型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)是可行的。中低速時(shí)預(yù)報(bào)結(jié)果與試驗(yàn)值相比升沉響應(yīng)比較接近，縱搖響應(yīng)在高頻段較接近低頻段差異較大;高速時(shí)同樣是低頻段預(yù)報(bào)結(jié)果與試驗(yàn)值差異較大，同時(shí)船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的中心頻率發(fā)生變化。

下面本文參考靜水阻力試驗(yàn)結(jié)果對(duì)Fr=0.44時(shí)船體航行姿態(tài)進(jìn)行修正，此時(shí)模型沉深增加11.4 mm，發(fā)生尾傾0.37°，由此對(duì)船體水動(dòng)力及回復(fù)力進(jìn)行修正［10］，修正后的預(yù)報(bào)結(jié)果如圖21～圖23所示。

圖21 升沉響應(yīng)預(yù)報(bào)結(jié)果 (Fr=0.44）Fig.21 Prediction result of heave response(Fr=0.44）

圖22 縱搖響應(yīng)預(yù)報(bào)結(jié)果 (Fr=0.44）Fig.22 Prediction result of pitch response(Fr=0.44）

圖23 30 kn首部加速度預(yù)報(bào)結(jié)果 (Fr=0.44）Fig.23 Bow vertical acceleration response(Fr=0.44）

由以上運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)結(jié)果來看，考慮粘性與航態(tài)修正的預(yù)報(bào)結(jié)果與試驗(yàn)值更接近，提高了預(yù)報(bào)精度。由此可見，本文采用的考慮粘性與航態(tài)修正的切片法可以提高傳統(tǒng)切片法的預(yù)報(bào)精度，特別是在高速時(shí)優(yōu)勢(shì)更加明顯，該方法可以用于新型單體復(fù)合船型的縱向運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)。

4 結(jié)語

本文對(duì)自主研發(fā)的新型單體復(fù)合船型進(jìn)行了水動(dòng)力性能及運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)方法研究，從理論與試驗(yàn)兩方面對(duì)該船型的縱向運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行研究。研究表明該船型在大幅運(yùn)動(dòng)時(shí)非線性特征較常規(guī)船型更加明顯。本文采用考慮粘性和航態(tài)修正的切片法對(duì)該船型進(jìn)行縱向運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)，通過與試驗(yàn)值比較表明該方法可以用于新型單體復(fù)合船型的運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)，但該方法對(duì)低頻段的預(yù)報(bào)精度較差，還需進(jìn)一步研究提高預(yù)報(bào)精度。

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Research on hydrodynam ics of hybrid monohullwith intilted low-freeboard

SUN Shu-zheng1，2，MIAO Quan-ming1，LIJi-de2
(1.China Ship Scientific Research Center，Wuxi214082，China;2.College of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 15001，China）

The ship researched in this paper is a hybrid monohull based on some round-bilge ship using intilted low-freeboard，wave piercing bow，and longitudinal stability built-up appendage.In this paper，themotion predictionmethod of this new hybrid monohull is researched.RANSmethod is used to calculate the hydrodynamic coefficients.The longitudinalmotion performance of the ship is predicted，and the results of prediction and model test are analyzed in the paper.The results indicate that the method used in this paper can reflect the characters of the ship，and the precision of predictionmeets the engineering request.

intilted freeboard;hybrid monohull;motion prediction;viscous

U661.32

A

1672－7649(2014）05－0019－06

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.05.005

2013－01－08;

2013－05－31

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51209054）;國(guó)防課題基金資助項(xiàng)目(9140A14030811CB01）

孫樹政(1982－），男，博士，講師，從事船舶風(fēng)浪環(huán)境適應(yīng)性研究。