陸澤華， 曹 旭， 李建鵬

(上海船舶運輸科學研究所 航運技術(shù)與安全國家重點實驗室，上海 200135)

0 引 言

船舶建造完成之后，一般需在一定的海況下(風力不大于蒲氏3級，海浪不超過2級，潮流平穩(wěn))進行3次以上的實船試航測試，以判斷船舶航速是否能達到船舶建造規(guī)范的要求。一般情況下，在實船測試過程中很難遇到船舶建造規(guī)范規(guī)定的標準海況，即無風、無浪、無流等。因此，在開展實船試航測試時，必須將試航測試數(shù)據(jù)修正為標準海況下的實船航速。

在目前常見的船舶航速修正方法中：英國船舶研究協(xié)會(British Ship Research Association, BSRA)提出的BSRA修正方法主要考慮風、流和淺水等因素的影響，未對波浪增阻進行修正；國際標準化組織(International Organization for Standardization，ISO)提出的ISO 15016:2002方法考慮了幾乎全部影響因素的修正，包括風、浪、流、水溫、操舵、航行狀態(tài)和淺水效應(yīng)等，但對波浪增阻的修正比較復雜，不易操作；ISO和國際拖曳水池會議(International Towing Tank Conference，ITTC)提出的ISO 15016:2015方法對風、浪、流和水溫等因素進行修正，采用ISO公式STAWAVE-1方法對波浪增阻進行預報，并引入變載荷系數(shù)，以考慮載荷變化帶來的影響。

上述船舶航速修正方法在對波浪增阻進行預報時均未嚴格區(qū)分迎浪、斜浪和隨浪等不同波浪狀態(tài)的影響。目前，有關(guān)船舶波浪增阻的研究主要針對的是迎浪工況，受試驗條件的限制，對隨浪狀態(tài)下的船舶波浪增阻模型試驗的研究比較少。華建波等以一艘高速船為研究對象，采用半約束模型的方式開展了規(guī)則波中隨浪和斜浪工況下的模型試驗研究，測量船模的垂蕩和縱搖運動。陳占陽等以一艘超大型集裝箱船為研究對象，采用分段船模的方式開展了不同浪向下的船舶載荷響應(yīng)特征模型試驗研究。顧民等以某集裝箱船為研究對象，開展了不同波浪條件下的橫搖復原力測量試驗研究，并將該方法與數(shù)值計算方法相對比，為船舶第二代完整穩(wěn)性衡準的建立提供支撐。魏錦芳等以5 000噸級散貨船為研究對象，開展了不同航速和不同浪向下的波浪增阻試驗研究，為船舶設(shè)計階段全浪向下的波浪增阻快速評估提供參考。封培元等以一艘超大型集裝箱船為研究對象，開展了全浪向下的波浪增阻模型試驗研究，并將所得結(jié)果與采用商業(yè)軟件得到的數(shù)值計算結(jié)果相對比，為全浪向下的船舶波浪增阻預報提供參考。

本文基于上海船舶運輸科學研究所航運技術(shù)與安全國家重點實驗室現(xiàn)有的試驗條件，以一艘50 500載重噸油船為試驗對象，對船舶在隨浪工況下的波浪增阻和運動規(guī)律進行研究，并將所得結(jié)果與迎浪工況下的模型試驗結(jié)果相對比；同時，基于ITTC推薦的阻力推力一致法，分別對迎浪和隨浪工況下的船舶失速進行預報，為完善實船波浪增阻修正提供參考。

1 隨浪規(guī)則波模型試驗

1.1 水池和模型概況

為探索船舶在隨浪中的波浪增阻、運動和失速情況，以一艘球艏型50 500載重噸油船為研究對象，按照模型與實船幾何相似、重力相似和慣性力相似準則，在上海船舶運輸科學研究所拖曳水池內(nèi)對其進行隨浪規(guī)則波模型試驗。該拖曳水池為ITTC正式成員，長192.0 m，寬10.0 m，深4.2 m；耐波性試驗中用到的造波機為電液伺服搖板式造波機，最大波高0.3 m，頻率范圍為0.25～2.00 Hz。

該50 500載重噸油船的基本主尺度和型線圖分別見表1和圖1。

a) 艏部型線圖

表1 50 500載重噸油船的基本主尺度

1.2 試驗方法和參數(shù)

試驗前對模型進行轉(zhuǎn)動慣量校核，確保其重心高度和轉(zhuǎn)動慣量與實際情況相同。采用日本GEL-430-S四自由度適航儀測量模型的縱蕩、垂蕩、縱搖和橫搖，以及模型在波浪中的阻力。模型與四自由度適航儀采用雙支點法連接，2個支點分別位于船舶重心處和艉部適當位置處，其中：重心處支點具有測量功能；艉部支點僅有支撐導向作用。在第19站和艏部中間分別安裝一根直徑為1 mm的銅絲作為激流絲，起到在船體表面產(chǎn)生紊流的作用。

浪高儀采用進口無接觸式浪高儀，隨模型安裝在遠離艏部的位置，避免模型興波對測量造成干擾。

隨浪規(guī)則波阻力試驗裝置簡圖見圖2。

圖2 隨浪規(guī)則波阻力試驗裝置簡圖

在耐波性試驗中，造波機造波在短波段采用1/60等波陡，在長波段采用等波高，防止模型上浪。

對該船進行4個速度下的隨浪規(guī)則波模型試驗，對應(yīng)實船速度分別為11.8 kn、12.8 kn、13.8 kn和14.8 kn。當模型速度不變時，隨著波長的增加，受水池寬度的影響，會產(chǎn)生池壁反射效應(yīng)。經(jīng)過綜合分析，確定試驗波浪參數(shù)見表2，其中：

λ

為波長；

f

為波頻。

表2 試驗波浪參數(shù)

在進行各速度下的波浪規(guī)則波模型試驗之前，均會進行2～3次該速度下的靜水阻力試驗，以保證試驗數(shù)據(jù)的可靠性。在進行隨浪工況下的波浪增阻試驗過程中，受試驗條件的限制，當

λ/L

>1.1時，試驗會因池壁反射波的干擾而停止。

1.3 試驗數(shù)據(jù)處理方法

在進行隨浪工況下的模型試驗過程中，待模型的速度達到設(shè)定速度之后，在拖車速度、入射波和模型狀態(tài)穩(wěn)定的情況下開始記錄數(shù)據(jù)，監(jiān)測的物理量包括波浪增阻、縱搖和垂蕩，并按ITTC推薦的數(shù)據(jù)處理方法對其進行無因次化處理，具體如下。

1) 波浪增阻的無因次化表達式為

(1)

2) 縱搖的無因次化表達式為

(2)

3) 垂蕩的無因次化表達式為

(3)

式(1)～式(3)中:Δ

R

為波浪增阻；

R

為波浪中阻力;

R

為靜水中阻力；

θ

為縱搖幅值；

ζ

為波幅；

k

為波數(shù)；

Z

為垂蕩幅值；

ρ

為水的密度；

g

為重力加速度；

B

為船寬；

L

為船長。

2 試驗結(jié)果和失速分析

2.1 試驗結(jié)果

以

λ/L

為橫坐標，以各無因次化頻率響應(yīng)為縱坐標，得到該船在隨浪規(guī)則波模型試驗中的各頻率響應(yīng)曲線見圖3～圖5，其中

v

為模型速度。在相同的模型速度下，采用相同的試驗裝置和試驗方法對該模型開展迎浪規(guī)則波模型試驗，監(jiān)測其在波浪中的阻力、垂蕩和縱搖，并按上述公式進行無因次化處理，得到波浪增阻和運動頻率響應(yīng)曲線見圖6～圖8。

圖3 隨浪工況下阻力增加頻率響應(yīng)曲線

圖4 隨浪工況下垂蕩頻率響應(yīng)曲線

圖5 隨浪工況下縱搖頻率響應(yīng)曲線

圖6 迎浪工況下阻力增加頻率響應(yīng)曲線

圖7 迎浪工況下垂蕩頻率響應(yīng)曲線

圖8 迎浪工況下縱搖頻率響應(yīng)曲線

對于波浪中的阻力增加，從圖3和圖6中可看出，隨浪工況下的試驗結(jié)果與迎浪工況下的試驗結(jié)果有明顯的區(qū)別：在隨浪規(guī)則波試驗中，波浪增阻隨波長的增加而減小，在短波段波浪增阻較大；在迎浪規(guī)則波試驗中，波浪增阻隨波長的增加先增大后減小，在波長接近船長時波浪增阻達到最大值。

對于垂蕩和縱搖運動，從圖4、圖5、圖7和圖8中可看出：在短波段，隨浪和迎浪工況下的垂蕩和縱搖運動均較小，幾乎可忽略不計；在長波段，隨浪工況下的垂蕩和縱搖運動與迎浪工況有明顯差別，在相同波浪條件下，隨浪中的船舶運動明顯比迎浪中的小。

2.2 實船失速預報

在相同功率下，船舶在波浪中能達到的航速

v

比在靜水中能達到的航速

v

小Δ

v

，稱該Δ

v

為船舶失速，二者的比值稱為失速系數(shù)

f

。失速預報方法具體如下。根據(jù)在隨浪規(guī)則波試驗中得到的各物理量頻率響應(yīng)函數(shù)和ITTC雙參數(shù)譜，并假定規(guī)則波中的阻力增加值與入射波波幅的平方成正比關(guān)系，得到不規(guī)則波中的平均阻力增加值Δ

R

。ITTC雙參數(shù)譜的表達式為

(4)

式(4)中:

H

為有義波高；

T

為波浪特征周期；

w

為波浪圓頻率；

w

為遭遇頻率。

(5)

式(5)中：Δ

R

(

ω

)為在對應(yīng)于波浪頻率

ω

和

ζ

波幅的規(guī)則波中測得的模型阻力增加值。不規(guī)則波中總阻力為靜水中阻力

R

與阻力增值Δ

R

之和，即

R

=

R

+Δ

R

?？偼屏?p>T

為

(6)

式(6)中：

t

為槳模在靜水中的推力減額，此處的推力減額應(yīng)為槳模在波浪中的推力減額，當螺旋槳浸深達到螺旋槳直徑的1.3倍時，波浪中螺旋槳的敞水特性不受自由液面的影響，本文所述試驗案例滿足要求，故波浪中的推力減額和伴流分數(shù)均假設(shè)與靜水中的一致。推力系數(shù)

K

與進速系數(shù)

J

的比值

K

/J

的計算公式為

(7)

式(7)中：

D

為螺旋槳模型直徑；

ω

為模型靜水伴流分數(shù)；

v

為船模速度。由此便可在螺旋槳敞水特性曲線

K

/J

-

J

上查得進速系數(shù)

J

的值。第26屆ITTC會議(2011)給出了阻力推力一致法預報實船功率增加的推薦方法，本文采用該方法，在螺旋槳敞水特性曲線

K

-

J

上根據(jù)進速系數(shù)

J

的值查得功率系數(shù)

K

的值，結(jié)合靜水自航試驗得到的模型靜水伴流分數(shù)

ω

，計算得到不規(guī)則波中的功率

P

，計算公式為

(8)

式(8)中：

n

為槳模轉(zhuǎn)速；

Q

為槳模扭矩。

按照上述方法得到實船在各海況下的功率見表3。

表3 設(shè)計吃水狀態(tài)下實船在各海況下的功率Pm

根據(jù)表3繪制航速與功率曲線，由此便可得到船舶在實際海況下的航速與在靜水中的航速的差值Δ

v

，進而可計算出失速系數(shù)

f

。按該方法對迎浪規(guī)則波試驗測得的波浪增阻進行處理之后，得到迎浪工況下的實船失速預報結(jié)果見表4。

表4 隨浪和迎浪工況下的實船失速預報結(jié)果

由表4可知：隨著有義波高的增加，即隨著海況愈加惡劣，船舶失速越來越嚴重；隨浪工況下的船舶失速與迎浪工況下的船舶失速有明顯差別，在相同海況下，船舶在隨浪中的失速相比迎浪中的失速較小。

3 結(jié) 語

本文以常規(guī)迎浪規(guī)則波試驗為基礎(chǔ)，研究了隨浪規(guī)則波增阻和運動測試技術(shù)，并進行了失速預報。通過在隨浪規(guī)則波和迎浪規(guī)則波中對某50 500載重噸油船進行試驗研究，主要得到以下結(jié)論：

1) 隨浪工況與迎浪工況下的波浪增阻有顯著差別，隨浪工況下的波浪增阻在短波段較大，迎浪工況下的波浪增阻在波長接近船長時較大。

2) 隨浪工況與迎浪工況下的垂蕩和縱搖運動在短波段均較小，可忽略不計；在長波段，二者有明顯差別，在相同波浪環(huán)境下，隨浪中的船舶運動明顯比迎浪中的小。

3) 隨著海況等級的提高，船舶失速越來越嚴重，在相同海況等級下，船舶在隨浪中的失速相比迎浪中的失速較小。

ITTC實船修正公式中關(guān)于波浪增阻的修正公式未區(qū)分迎浪工況和隨浪工況，可能導致實船航速預報結(jié)果不準確，本文的研究工作可為完善ITTC實船波浪增阻修正提供參考。