毛斌峰　徐文珊　朱仁傳　陳亮亮

摘 要：針對細長體船，研究了耐波性預(yù)報方法?；诙S切片理論和三維勢流理論方法，計算得出傳遞函數(shù)，采用譜分析法對耐波性進行了短期預(yù)報。以某300 t級執(zhí)法船為例，進行了計算并與船模試驗結(jié)果進行了比較，得到的結(jié)論對高速海洋執(zhí)法船的耐波性研究提供了重要參考，也為細長體船耐波性的評估提供了一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：細長體；耐波性；切片理論；三維勢流理論；短期預(yù)報

中圖分類號：P751 文獻標識碼：A

Abstract：The seakeeping analysis of a slender ship is presented in this paper. The analysis is carried out based on strip theory and 3D potential theory. Transfer functions of motions are obtained and the short term predictions of motion responses based on wave spectra and transfer functions are also presented. A case study of 300 t class coastguard ship is carried out and the results from it are compared with those from the model test. The outcomecould be a reference to the seakeeping analysis of high speed coastguard ship and other ofslender ships.

Key words：Slender ship；Seakeeping； Strip theory；3D potential theory；Short-Term Prediction

1 概述

船舶耐波性是研究船舶在波浪中的橫搖、縱搖、垂蕩、首搖、橫蕩、縱蕩運動性能，以及特殊部位的位移、運動速度、運動加速度、甲板上浪、首部砰擊、螺旋槳出水次數(shù)等相關(guān)聯(lián)問題的一個分支。劇烈的搖蕩運動、砰擊、飛車對船舶產(chǎn)生一系列有害的影響， 包括對人員工作效率、安全性和船體結(jié)構(gòu)、各種裝備的影響等 。

大量事實證明，在靜水中航行性能優(yōu)良的船舶，在波浪中的航行性能并不一定優(yōu)良。對公務(wù)執(zhí)法船來說，在波浪中航行應(yīng)具有良好的運動響應(yīng)， 為武器裝備、電子裝備及各類探測設(shè)備提供一個良好的穩(wěn)定平臺， 這對提高執(zhí)法能力起著至關(guān)重要的作用。

當前耐波性預(yù)報方法一般有理論計算、船模試驗以及實船試驗三種。實船試驗因受多方條件的制約不常采用，而船模試驗有時也會受到項目時間和經(jīng)費的制約而不優(yōu)先選用，因此尋求可靠實用的理論預(yù)報方法是解決以上問題的關(guān)鍵。

二維切片法和三維勢流理論是目前耐波性預(yù)報廣泛采用的方法：切片法具有計算快捷、對船型適用性好等優(yōu)點，在船舶工程界得到廣泛的應(yīng)用，且特別適用于細長體在一定波浪頻率下的運動；對于通常的船舶及海洋平臺，一般波長遠小于特征尺度，流體黏性的影響相對較小，對于運動和載荷的計算可以忽略，因此基于此假定的勢流理論在數(shù)值計算中得到了廣泛應(yīng)用。

本文以某300 t級執(zhí)法船為例，在低航速、中航速、高航速下比較兩種方法對耐波性預(yù)報方面的異同，通過分析得出運動的響應(yīng)幅算子，并將預(yù)報結(jié)果與模型試驗值進行比較，采用譜分析法對耐波性進行短期預(yù)報。給出了高速細長體船耐波性直接計算的一般步驟和方法，為海洋執(zhí)法船耐波性評估提供一定的借鑒。

2 計算理論

工程界針對船體細長體的特點，將三維問題簡化為二維問題，認為船體是細長的，流場沿縱向變化不大，可近似認為是二維的，將船體沿船長方向分成若干段，船舶流場的求解在各橫剖面內(nèi)進行，求得各剖面的值后，再沿長度方向積分，此即為切片理論。

三維勢流理論，通常假定船舶所處的流體是均勻不可壓縮和無粘無旋的理想流體。流場勢函數(shù)應(yīng)滿足Laplace 方程、邊界條件、物面條件和初始條件。根據(jù) Laplace方程和邊界條件可以求解出速度勢。

通常情況下，海面上的隨機不規(guī)則波浪可以通過規(guī)則波疊加而成，因此首先計算船舶在規(guī)則波中的波浪載荷響應(yīng)的傳遞函數(shù)，然后采用譜分析法和概率統(tǒng)計法，結(jié)合船舶航線海區(qū)的海浪譜，即可完成波浪載荷的短期預(yù)報。

2.1 規(guī)則波中的運動響應(yīng)

2.1.1 切片法

對于細長船體的小幅運動，把三維流動簡化成繞各橫截面的平面運動，按二維流動求得各橫截面遭受的流體作用力后，沿船長方向積分求得船體上的總的流體作用力。

2.2 不規(guī)則波中的運動預(yù)報

確定了運動響應(yīng)函數(shù)后，即可采用譜分析法預(yù)報船舶在不規(guī)則波中的運動。

要對船舶進行響應(yīng)統(tǒng)計分析，首先要確定波浪譜。目前國際上廣泛采用的波浪譜有 P-M譜、ITTC譜、 JONSWAP 譜，其中 JONSWAP 譜形狀陡而尖，適用于風(fēng)程被限定的海域。300 t級執(zhí)法船主要航行于沿海海域，采用ITTC推薦的JONSWAP波浪譜，對各個海況下的船舶運動響應(yīng)分別進行計算。

JONSWAP譜密度函數(shù)為：

3 模型試驗

試驗在華中科技大學(xué)船模拖曳水池進行，水池尺度為：長×寬×深 = 175× 6×4（m）。

3.1 試驗?zāi)Ｐ?/p>

試驗?zāi)Ｐ蜑榭s尺比1：15的木質(zhì)模型，表面打磨、拋光。

3.2 試驗內(nèi)容

試驗航速為低、中、高航速（實船V=10 kn、18 kn、28 kn）；浪向為180°頂浪、 135°首斜浪、90°橫浪以及45°尾斜浪，測試參數(shù)有橫搖、縱搖和垂蕩運動響應(yīng)，以及首部10站、重心處和尾部0.5站的垂向加速度。

4 計算結(jié)果比較及分析

為了與試驗結(jié)果進行比較，數(shù)值計算中選取與試驗工況相對應(yīng)的參數(shù)。分別使用切片法和三維勢流理論法對 300 t級執(zhí)法船在低、中、高航速（Fn = 0.229、 Fn = 0.412、Fn= 0.641） 條件下迎浪航行時的垂蕩和縱搖運動進行了預(yù)報，并分別對運動響應(yīng)RAO 與水池實驗結(jié)果進行了比較。比較結(jié)果見圖2至圖13，圖中STF-表示切片法計算結(jié)果，3D PT-表示三維勢流理論計算結(jié)果， Exp-表示模型試驗結(jié)果。

4.1 運動響應(yīng)比較

4.2 耐波性短期預(yù)報結(jié)果比較

迎浪縱搖、垂蕩預(yù)報結(jié)果比較，見圖8至圖13。

4.3 計算結(jié)果分析

由圖2～7及圖8～13比較曲線可以看：

（1）切片法計算的縱搖運動響應(yīng)與試驗值在高、中、低速段吻合度均很好，且在高速段吻合度更高；

（2）三維勢流理論計算縱搖運動響應(yīng)較切片法和實驗值趨勢基本一致，但結(jié)果較切片法和試驗值偏大；

（3）垂蕩運動響應(yīng)在低、中、高航速時，預(yù)報結(jié)果與試驗值基本對應(yīng)，高速段吻合度優(yōu)于低速段；

（4）切片法預(yù)報縱搖運動，在6級海況下較接近實驗值，垂蕩運動在5級海況以下較接近實驗值，但6級海況預(yù)報結(jié)果誤差偏大。

由此可知，切片法在各速度段均較三維勢流理論法精度要高。

5 結(jié)語

本文利用切片法和三維勢流理論法分別對 300 t級執(zhí)法船迎浪航行時，不同航速下的縱搖運動和垂蕩的幅值響應(yīng)進行了計算， 并將計算結(jié)果與模型實驗結(jié)果進行了比較，結(jié)果表明 ： 在高、中、低速條件下，切片法在精度上滿足預(yù)報要求，在高航速條件下（Fn達到0.64），預(yù)報結(jié)果與試驗值相比偏差較低，計算結(jié)果更為滿意?？v搖及垂蕩運動預(yù)報值在高達5～6級海況下，均較接近試驗值，故切片法可以應(yīng)用于高速船的耐波性預(yù)報。

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