水线面大开口船舶阻力和耐波性试验研究

2019-12-10祝启波付金丽曾江易

广东造船 2019年5期

关键词：模型试验阻力开口

祝启波付金丽曾江易

摘要：本文通过模型试验，对某水线面大开口船舶在开口开启和封闭状态下对船舶阻力和耐波性能的影響进行研究。试验结果表明：水线面大开口会产生较大的阻力增值，低航速下对船舶阻力的影响更为明显;同时，开口的存在会大幅度影响船舶在横摇方面的性能。

关键词：开口;模型试验;阻力;耐波性

中图分类号：U661.31 文献标识码：A

Resistance and Seakeeping Model Test of Ship with Notch

ZHU Qibo， FU Jinli， ZENG Jiangyi

（ Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250 ）

Abstract： The resistance and seakeeping performance of a ship with notch in midship are studied in this paper. The model test is carried out to analyze the effects of open and closed notches on ship resistance and seakeeping performance. The test results show that the notch of waterplane will produce a large increase of resistance， the effect of the notch on the resistance is more obvious at low speed， and the existence of the notch will greatly affect the wave resistance of the ship in rolling.

Key words： Notch; Model test; Resistance; Seakeeping

1 引言

近年来，为满足特定的作业需要，一些船舶设有大型开口，这些大开口垂直贯穿船体底部与主甲板，其相应水线面呈现大开口状况。开口的存在会直接影响到船舶的各项性能，例如：阻力方面，开口会使外部流场在开口处形成一个半封闭的水域，在船舶行驶过程中，这部分水流的一部分流向船底，另一部分则被壁面反射造成波面升高，耗散能量，从而使得船舶的阻力增加;耐波性方面，相对于船底，开口类似于一个有自由液面的陷落式腔体，开口中的流体存在沿开口深度方向的固有振荡现象（称为活塞现象）。在来流条件下，开口内流体的晃荡和活塞运动，对船舶耐波性能产生影响。

目前，国内外关于水线面开口对船舶性能影响的研究非常有限，大多采用试验和数值模拟两种方法进行研究。刘厚恕[1]以某自航链斗船为对象开展试验研究，结果表明水线面开口尺寸对于船体阻力有一定的影响;VEER等[2]采用模型试验方法研究月池对阻力的影响，指出晃荡运动对月池阻力的影响程度与活塞运动相同;姚熊亮等[3]基于EMD法对圆形月池在均匀来流条件下的流激振荡特性进行研究;邹康等[4]运用模型试验方法对某深水多功能水下工程船的月池水动力性能进行研究，分析月池对船舶运动的影响;石珣[5]对首尾开口的绞吸挖泥船进行阻力研究，得到低航速下首尾水线面大开口对船体阻力性能的影响;潘放等[6]采用CFD方法对一深拖母船的阻力进行研究，分析不同开口类型的影响以及减小阻力的方法，结果表明通过设置遮蔽挡板可以使得开口阻力显著减少。

本文以某船舯大开口船舶为研究对象，对水线面大开口的船舶阻力和耐波性进行试验研究。通过对比研究的方式（对比开口封闭和开启的试验结果），讨论水线面大开口对船舶阻力和耐波性的影响，为后续类似船舶的设计和开发提供参考。

2 研究对象

本文的研究对象为某船舯大开口船舶，其主尺度如下：

该船于船舯设有一尺寸为8 m×4 m×4.2 m的矩形开口（见图1），开口四周封闭，底部安装非水密液压保形门（双开），开口顶部位于水线面以上（见图2）。

3 试验工况

本文模型试验在荆门中国特种飞行器研究所高速水动力实验室拖曳水池进行，模型缩尺比为1：18，拖车最大速度为2.2 m/s。为研究水线面大开口对目标船性能的影响，试验需要测量船体开口底部在封闭和开启两种状态下的船舶运动。试验时，先用盖板将开口底部封闭，测量各工况下的试验结果;然后将盖板取下，测量开口开启后的各工况试验结果。

模型试验分为静水试验与规则波耐波性试验（见图3、图4），试验的具体工况如表1、表2所示。

4 试验结果比较与分析

（1）静水阻力试验结果比较

模型总阻力增加百分数△Rm定义，如下：

（1）

式中：Rm1、Rm0——分别为船舯开口开启和封闭时的模型总阻力。

图5给出了船舶静水阻力试验结果。图中横坐标为傅汝德数Fr，纵坐标为模型总阻力Rm;图6为船舯开口开启后的模型总阻力增加百分数曲线。

从图5的试验结果可以看出，船舯水线面大开口会产生较大的阻力增值，原因可能是中部开口使得水线面的几何形状变化，水流一部分流向船底，一部分则被壁面反射，造成开口内自由液面的晃荡和漩涡产生，耗散了能量，增加了船体阻力。

从图6可以看出，随着傅汝德数Fr的增加，模型总阻力增加百分数呈现下降趋势：在Fr=0.27时，总阻力增加百分数为74%;Fr=0.41时，总阻力增加百分数为36%。可见在较低Fr时开口对船舶总阻力的影响更为明显。

图7、图8分别为静水条件下开口封闭和开启状态的船模垂荡及纵摇运动响应幅值试验结果。

由图7、图8可以看出：船舯开口对船舶垂荡运动的影响较小，开口封闭和开启状态下船模垂荡运动的差别小于5%;开口对纵摇运动的影响略大，高Fr数时曲线产生较为明显的差值，但由于其在数值上量级较小可认为二者差别不大，即开口的存在对船舶纵摇运动的影响非常有限。

（2）规则波耐波性试验结果比较

对船舯开口开启和封闭状态的模型进行迎浪规则波试验，测量模型总阻力、纵摇、垂荡、首部0站、船舯理论重心位置和尾部19站的加速度。试验波高取55 mm、波长范围为2～6 m。图9-14给出了各测量值的试验结果的比较。

由图9可以看出：船舯开口开启和封闭状态的模型总阻力相差较大，开口开启状态下船舶14 kn时其总阻力增加百分数的最大值达到76%（对应λ为4 m）、最小值约为52%（对应λ为6 m），而静水14 kn时的总阻力增加百分数仅为38%。

由图10、图11可以看出：船舯开口对于在规则波中垂荡及纵摇运动的影响较小，开口封闭和开启状态下垂荡和纵摇运动的差别不大;由图12～图14可以看出：当λ<3 m时，各曲线相差不大;当λ>3 m时，开口使得在首部、舯部及尾部加速度得到较大的抑制，首部加速度峰值减小了54%、船舯减小了43%、船尾减小了32%。

（3）实船在不规则波中的耐波性能预报

根据规则波的试验结果，预报了某船舯大开口船舶在不规则波中的耐波性能，海浪谱采用IITC和ISSC先后推荐的双参数谱，其一般形式为：

（2）

式中：ζWβ为三一平均波高;T1为谱峰周期;ω为波频。

实船海况为4级、有义波高2.50 m、谱峰周期6.79s，预报结果见表3。

由表3可以看出：开口的存在对于船舶在不规则波中的耐波性有一定的抑制作用，改善了船舶的耐波性能。

（4）静水横摇衰减试验

对开口开启和封闭状态的模型进行静水自由横摇衰减试验（见图15、图16）。

根据横摇衰减试验曲线计算的无因此衰减系数结果（见表4）表明：水线面大开口使得船舶横摇阻尼有所减小，横摇固有周期也减小，波浪中横摇运动加剧，影响本船在该方向上的耐波性能。

5 结论

通过对水线面大开口船舶的阻力和耐波性模型试验，得到如下结论：

（1）船舶水线面大开口会产生较大的阻力增值，其原因为开口使得该处水线面形状发生变化，水流一部分流向船底，一部分则被壁面反射，造成开口内自由液面的晃荡和漩涡产生，耗散了能量，从而增加船体阻力;在较低航速时，水线面大开口对船舶总阻力的影响更为明显;