韓春生，郭 京，焦甲龍，孫樹政

(1. 中國人民解放軍92941部隊，遼寧 葫蘆島 125000；2. 哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

實際海浪環(huán)境中艦船大尺度模型試驗研究進展

韓春生1，郭 京1，焦甲龍2，孫樹政2

(1. 中國人民解放軍92941部隊，遼寧 葫蘆島 125000；2. 哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

目前對艦船總體性能的研究主要是依靠數(shù)值計算、水池模型試驗、實際海浪環(huán)境大尺度模型試驗以及實船海試等方法，以上各種方法均有一定的適用范圍。實際海浪環(huán)境中艦船大尺度模型試驗技術(shù)是采用適當縮尺比的自航船模在自然水域環(huán)境中進行的試驗，可以研究艦船在開闊海域自由航行狀態(tài)下的各項航行性能。分析各種艦船總體性能研究方法的優(yōu)缺點，針對目前艦船總體性能理論與試驗研究存在的問題分析開展艦船大尺度模型海上試驗研究的必要性，綜述國內(nèi)外大尺度模型試驗技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，最后針對該試驗技術(shù)中的關鍵技術(shù)及熱點問題進行總結(jié)與展望。

艦船試驗技術(shù)；船舶水動力學；大尺度模型試驗；實際海浪

0 引 言

研究船舶快速性、耐波性、操縱性、波浪載荷等航行性能的途徑一般包括數(shù)值模擬技術(shù)和物理仿真試驗技術(shù)。目前，解決流體動力問題的勢流理論、粘流理論以及相應的計算機模擬技術(shù)已有相當?shù)陌l(fā)展。且考慮流固耦合、自由面效應以及高速移動物面等強非線性因素的無網(wǎng)格法、粒子法、水彈性理論等新型理論技術(shù)也較好地解決了一些非線性水動力學問題。然而對于艦船在大風浪環(huán)境中的強非線性運動與載荷響應問題，尤其是對于艦船高航速下自由面條件問題的處理，數(shù)值模擬技術(shù)尚未能很好解決其中的難題，且數(shù)值計算的復雜度隨著計算精度要求提高而迅速增加。因此，物理仿真試驗在研究船舶水動力學性能領域仍然起著重要的作用。

水池實驗室模型試驗技術(shù)長期以來是世界造船領域中被廣泛采用的一種研究方法[1]。水池環(huán)境中的風浪等參數(shù)可控，環(huán)境較為理想，這為模型試驗的研究提供了穩(wěn)定可靠的平臺，因此使得水池試驗具有可重復性的優(yōu)點，可以對理論方法進行驗證，對船舶科學技術(shù)研究具有重要意義。水池試驗中波浪由造波機生成，然而造波機模擬波浪的能力有限，且長形水池中所造波浪大多為單向的長峰波浪。實際海浪是三維非線性波，是由風和重力的共同作用產(chǎn)生的，且具有尖峰坦谷等非線性特征[2]。充分發(fā)展的海浪需要一定的時間和足夠的空間來完成能量的積累和方向的散布，波浪的這些特征在水池環(huán)境中很難模擬出來。因此水池試驗中測得的模型響應與數(shù)值仿真結(jié)果接近，而與實船差別較大，特別是對于強非線性動力效應的研究，如上浪、砰擊、波浪增阻等。

實船海上試驗是獲取艦船真實響應的最有效、直接的研究手段，但是實施實船海試并非易事[3]。以船型性能的優(yōu)化研究為例，對備選船型分別建造全尺度船開展海上試驗，以期達到優(yōu)選船型的目的，這在現(xiàn)實中不可能實現(xiàn)。實施實船試驗所需投入的人力、物力、財力及所需的時間都是巨大的[4]。此外，對于船舶在風浪環(huán)境中的試驗來說，相當一部分研究旨在確定船舶在惡劣海況、甚至極端海況中的響應，例如船舶在 20 年一遇或百年一遇海浪中的響應，這對于實船試驗來說，很難遭遇到。即使遭遇到類似海況，其試驗過程具有很大危險性，通常也很難達到預期的試驗效果。

基于上述幾種研究方法存在的問題，國內(nèi)外一些研究機構(gòu)提出了利用實際海浪環(huán)境開展艦船大尺度自航模型試驗的技術(shù)。該試驗技術(shù)采用適當縮尺比的自航船模在自然水域環(huán)境中開展類似實船的物理仿真試驗，避開了水池模型試驗和實船海試中所存在的一些缺點，還綜合了兩者的部分優(yōu)點[5]，減小尺度效應，試驗環(huán)境更加真實，試驗內(nèi)容不受水池尺寸與功能的限制，能夠更真實地反映出艦船在航行時的實際性能。

大尺度模型試驗是指使用相對較大縮尺比模型在自然水域中開展相關性能試驗研究的試驗技術(shù)。大尺度模型的尺度根據(jù)所要開展的試驗內(nèi)容及需求而定，試驗通常在湖中或近海等具有開闊水域的自然環(huán)境中進行。通過開展大尺度模型試驗可將測量結(jié)果推算至實船，獲取更真實的艦船運動與載荷響應。大尺度模型海上試驗技術(shù)的主要特點包括以下方面：

1）試驗是在開闊的自然水域中進行的，試驗模型運動完全自由，六自由度耦合運動與實船類似，且航行距離、速度及方向等基本不受約束；

2）試驗中模型所遭遇的波浪為真實三維海浪，是由風和重力的共同作用而產(chǎn)生的短峰波浪，因而模型的非線性運動、載荷、砰擊和上浪等物理特征及響應特性與實船更加接近；

3）試驗通常采用遙控遙測自航模型，可將風浪流的聯(lián)合作用綜合考慮，并能夠開展大風浪環(huán)境中的航行性能試驗，是對實船大風浪環(huán)境航行性能試驗的很好的補充；

4）可開展的試驗內(nèi)容豐富，包括耐波性、操縱性、阻力與推進性能、穩(wěn)性、抗沉性等，試驗費效比低。

1 國外研究與發(fā)展現(xiàn)狀

大尺度模型試驗技術(shù)公開發(fā)表的研究成果主要集中在美國、希臘和意大利等一些歐美國家。研究人員開展的大尺度模型試驗內(nèi)容較為廣泛，例如快速性、操縱性、耐波性、載荷、穩(wěn)性、水下爆炸等。下面將對國外幾個較典型的大尺度模型試驗研究進行總結(jié)分析。

美國海軍“朱姆沃爾特”級驅(qū)逐艦 DDG-1000 在其設計階段進行了多次大尺度模型試驗，分別采用不同縮尺比的大尺度模型對該艦的運動性能、結(jié)構(gòu)載荷及水下爆炸等進行了一系列試驗研究。DDG-1000 實船總長為 183 m，排水量為 14 264 t。其大尺度模型縮尺比從 1/20，1/10 到 1/4，分別開展運動性能、氣動性能、隱身性能、結(jié)構(gòu)性能及綜合電力系統(tǒng)等，其中 1/4 模型空船重達 90 t以上，長度達 45 m，如圖 1 所示，主要完成結(jié)構(gòu)沖擊載荷及綜合電力系統(tǒng)的測試。美國海軍并不局限于研究大尺度船模的水動力學性能，還基于該模型進行了一系列軍事演練，研究了人為因素對于海戰(zhàn)勝敗的影響。

希臘 Grigoropoulos（2004）等在遮蔽海域中進行了某艦船的耐波性試驗，測量模型響應的同時還用方向型浪高儀測量了海浪的頻譜及方向分布。模型采用電力推進，為人工遙控，如圖 2 所示。模型上配備了發(fā)電機組來提供推進的動力，采用 2 臺電機分別帶動 2部槳軸轉(zhuǎn)動。通過改變電機的輸入電壓以實現(xiàn)航速改變，且采集系統(tǒng)會記錄實時的電機轉(zhuǎn)速和控制電壓。采用先進的衛(wèi)星定位設備來記錄模型的航行軌跡和速度。軸系布置了測量轉(zhuǎn)矩的法蘭裝置對槳軸上的扭矩進行測量并記錄。六自由度運動測量系統(tǒng)主要由 7 個捷聯(lián)式加速度計組成，通過求解非線性方程組可以得到船舶六自由度運動數(shù)據(jù)。此外，還在螺旋槳周圍布置了微小型攝像機用來研究螺旋槳性能。

意大利 Coraddu（2013）等在靜水湖泊中開展了大尺度模型操縱性試驗，旨在研究某雙槳船的非對稱推進性能。研究人員主要開展了回轉(zhuǎn)圓運動、Z 折線10/10 和 20/20 和螺旋線等操縱性試驗項目。采用的試驗模型長為 7.2 m，長寬比 7.5，船寬與吃水比 3.25，如圖 3 所示。通過模擬實船的軸系布置并在軸系上布置力學傳感器以測量軸系的非對稱性能。模型的每個槳軸均由1臺無刷電機驅(qū)動，每個槳軸還連有減速箱。對于開展操縱性試驗，在每個槳軸上配有測力計以測量螺旋槳軸系的扭矩和推力。模型上還裝備了GPS，IMU 等設備以測量模型航態(tài)信息。試驗在意大利的一個火山湖中進行，該湖由于長期水位平靜且湖面寬闊，適合做靜水中的操縱性和快速性試驗。

意大利 Fossati（2015）等針對 1 艘游艇進行了全尺度模型設計，測量了游艇在海中航行時的運動與載荷（波浪載荷與風載荷）。文中詳細介紹了其團隊在游艇設計、建造與實施試驗等方面的關鍵技術(shù)。該全尺度游艇總長 9.99 m（根據(jù)意大利法律規(guī)定 10 m 以上的船舶出海航行需要經(jīng)政府審批）。游艇主要由殼體、鋼骨架、甲板和風帆組成，如圖 4 所示。試驗主要采用以下儀器設備：力傳感器（單向測力單元測量骨架上典型節(jié)點所受的力）、運動測量設備（測量x，y，z 三個方向的加速度、角度和磁場強度）、GPS航態(tài)測量裝置（測量風速和方向、船速、航向角）和風帆測量裝置（風帆形狀及其壓力分布）。

2 國內(nèi)研究與發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)海軍工程大學、大連海事大學、哈爾濱工程大學等高校及多家研究機構(gòu)近年來也開展了多項大尺度船模在自然環(huán)境中的物理仿真試驗研究。其中一部分工作是在自然水域環(huán)境中開展的潛艇、潛器等大尺度模型試驗；另一部分工作為在自然環(huán)境中針對水面艦船開展的大尺度模型試驗。本文主要介紹水面艦船試驗研究工作，主要包括快速性、操縱性、耐波性、波浪載荷等性能的試驗，其中快速性、操縱性試驗主要是在平靜水域中完成的。

哈爾濱工程大學自 2006 年以來開展實際海浪環(huán)境下大尺度模型試驗研究，在“十一五”期間建立了一套海上大尺度船模遙控遙測試驗系統(tǒng)并提出了相應海上測試方案。該項目中采用了圓舭型和深 V 型單體復合船，建造了 2 個總長約 7 m（縮尺比 1:19）的自航模型，模型水線長 6.6 m，型寬約 0.75 m，吃水約 0.22 m，排水量約 490 kg，模型如圖 5 所示。

2006–2008 年期間，在哈爾濱某靜水湖泊中對模型開展了一系列遙控遙測系統(tǒng)的測試與調(diào)試工作。2007 年在葫蘆島的近海海域開展了圓舭船模型的耐波性試驗。2009 年在大連小平島海域針對圓舭型和深 V型 2 個模型開展了耐波性試驗研究[16]。通過這一系列大尺度模型試驗，完善和改進了大尺度模型遙控遙測試驗系統(tǒng)和耐波性試驗測試技術(shù)，同時也對 2 種船型耐波性能進行了對比驗證。將相同船型的大尺度模型試驗和水池小尺度模型的試驗結(jié)果進行了對比，分析了大尺度模型在三維海浪中的運動響應與船模水池不規(guī)則波試驗中的運動響應的差異。

基于之前開展的整體模型耐波性試驗的基礎，哈爾濱工程大學于 2014–2015 年期間開展了 2 個大尺度分段船模的波浪載荷試驗。兩模型如圖 6 所示，其中圖 6（a）所示的模型主要是針對運動性能進行測量，所以只將模型分成兩段并在船中剖面測量垂向和水平彎矩。該模型采用的縮尺比為 1:15，總長約 12 m，排水量約 4 t。圖 6（b）所示的模型主要針對波浪載荷性能進行試驗研究，該模型的縮尺比為 1:25，總長約12.5 m，排水量約 4.5 t。該模型在第 2，4，6，8，10和 12 站共 6 個剖面將模型切開將其分成 7 段，并在切口剖面測量模型的剖面載荷，尾部空間用來布置推進裝置[18–19]。針對該模型，開展了縮尺比為 1:50 的水池模型試驗。兩模型除比尺不同外，船體結(jié)構(gòu)和傳感器布置完全相同，兩模型如圖 7 所示。其中大尺度模型在近海實際海浪環(huán)境中開展試驗，小尺度模型在水池實驗室長峰波中開展相應工況試驗，并對結(jié)果進行對比研究。

3 研究內(nèi)容及方向展望

盡管我國在大尺度模型試驗研究方面取得了一些成果，但是該技術(shù)中仍存在一些需要解決的關鍵問題。為了研究大尺度船舶模型在自然海浪中的水動力學性能，充分了解和掌握試驗區(qū)域的海況信息是必要的。此外，為建立穩(wěn)定可靠的海上試驗測試系統(tǒng)，還需進一步完善大尺度模型試驗的測試方案設計、測試系統(tǒng)以及試驗實施方案的優(yōu)化。再者，需要針對大尺度模型試驗測試數(shù)據(jù)開展專門的數(shù)據(jù)分析技術(shù)研究。將大尺度模型試驗測試內(nèi)容推廣到快速性、操縱性、穩(wěn)性、抗沉性等方面，并基于測試數(shù)據(jù)對艦船風浪環(huán)境適應性進行綜合評估（見圖8）。本文對大尺度模型試驗未來的發(fā)展方向展望如下：

1）進一步研究和掌握近海試驗海域風浪環(huán)境的規(guī)律特征。對試驗海域的固定區(qū)域（約 10 km × 10 km）進行風浪環(huán)境的長期監(jiān)測，通過對所建立的海浪信息數(shù)據(jù)庫分析，掌握風浪等環(huán)境信息規(guī)律，為開展船舶在不同風浪條件下的試驗奠定基礎。

2）完善試驗測試平臺及系統(tǒng)。提高模型控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)及無線通信系統(tǒng)的可靠度，特別是在大風浪環(huán)境中的系統(tǒng)可靠性，保證試驗測試數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠。

3）深入研究并制定試驗實施方案。根據(jù)船舶穩(wěn)性、快速性、操縱性、耐波性、波浪載荷、生命力等不同試驗項目，開展各項試驗的大尺度模型試驗實施方案研究，制定科學的試驗測試方法和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，形成可靠的試驗規(guī)程。

4 結(jié) 語

實際海浪環(huán)境大尺度自航模型試驗技術(shù)是船舶綜合航行性能研究的一條新的途徑，本文通過總結(jié)分析該試驗技術(shù)的國內(nèi)外研究進展，得到以下結(jié)論：

1）實際海浪環(huán)境大尺度模型試驗技術(shù)在國外新研制船型及高性能船型的綜合航行性能評估中發(fā)揮了重要作用，是對現(xiàn)有理論與試驗研究體系很好的補充；

2）大尺度模型試驗技術(shù)使艦船性能在更真實的試驗環(huán)境中進行驗證，對于深入研究我國現(xiàn)有高技術(shù)艦船的實戰(zhàn)環(huán)境適應性，指導新船型的設計和性能評估具有重要意義。

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Review of large-scale model ship tests under actual sea conditions

HAN Chun-sheng1, GUO Jing1, JIAO Jia-long2, SUN Shu-zheng2
(1. No. 92941 Unit of PLA, Huludao 125000, China; 2. College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

For the integrated performance of ships, the traditional investigations for ship hydrodynamics are carried out by numerical simulation, scaled model towing tank test, large-scale model test in real environment and real ship sea trial. A new testing approach is to perform tests at real sea by using property ratio large scale model to research the navigation performances of ships. Firstly, characteristics of numerical simulation, tank model test and real ship sea trial are introduced in this paper. Large-scale model testing method is proposed based on the conventional methods. Then large-scale model testing techniques both overseas and domestic are reviewed. Finally, an overview of the current testing technique and its future development directions is undertaken.

ship experimental technique；ship hydrodynamics；large-scale model test；actual sea waves

U661.73

A

1672–7619(2017)05–0001–05

10.3404/j.issn.1672–7619.2017.05.001

2017–01–15

韓春生(1963–)，男，高級工程師，主要從事水面靶標總體研究。