沿海风浪环境下大尺度船模耐波性试验研究

郭 京，孙树政，任慧龙

(1．中国人民解放军92941部队，辽宁葫芦岛12500;2．哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨150001)

0 引言

在自然环境下开展大尺度船模物理仿真试验已经成为一种趋势，近几届ITTC报告中对该试验技术做了介绍［1－3］。由于该试验是在真实的自然海域海况下实施的，因此遭遇的海浪环境是三维非线性实际海浪，模型尺寸不再受试验场地的影响，可以大幅降低模型尺度效应的影响，模型的运动响应也更加接近实船在实际海浪环境下的非线性运动响应。

本文根据模型尺寸及实际海浪环境下模型试验的需要，选择在沿海风浪环境下开展试验研究。首先对中国多地沿海海域的海浪环境进行测量分析，掌握沿海海浪环境的基本特征和规律，为开展大尺度船模运动性能试验研究奠定基础。本文建立遥控遥测自航模试验系统。针对2条主尺度及排水量接近的圆舭船型和单体深V复合船型模型开展实际海浪环境下大尺度模型耐波性试验研究，并与拖曳水池小尺度模型试验结果进行对比分析。

1 沿海海浪环境测量分析

沿海实际海浪环境下的大尺度模型试验是否可行，关键技术之一是沿海波浪环境是否与大洋波浪环境相似。为此，课题组分别前往葫芦岛港海域、大连小平岛海域对近岸海浪情况进行调测，对不同潮期的波浪情况进行了较详细的测量分析。波浪数据由浮标式浪高仪 (见图1)测量。浮标球内重心处安放有加速度传感器，用于测量波面升沉加速度时历。数据采集时间间隔为0.05 s，每次采集时间为10 min左右，如图2所示为实测波面升沉加速度时历。通过采用谱分析法可进一步得到波浪有义波高H1/3及特征周期Ts等参数［4－6］。

图1 浮标式浪高仪Fig.1 Buoy wave height meter

图2 波面升沉加速度时历Fig.2 Time history of wave heaving acceleration

图3所示为葫芦岛海域平潮期波浪谱，试验海区水深约8 m。经统计，3组波浪数据有义波高H1/3分别为0.14 m，0.153 m，0.161 m。

图4所示为大连小平岛海域沿海涨潮期波浪谱，试验海区水深约10 m。经统计，有义波高H1/3分别为0.279 m，0.264 m，0.251 m。

图3 葫芦岛海域波浪谱Fig.3 Wave spectrum of Huludao sea area

图4 大连小平岛海域波浪谱Fig.4 Wave spectrum of Xiaoping Island sea area

将测量的波浪谱与大洋谱进行无因次化比较，谱的无因次化采用波浪要素作为参数，通常以表示，其中为谱的平均圆频率，=为谱面积，图5和图6所示分别为实测海浪谱与ITTC单参数谱和我国沿海谱的无因次比较。

图5 葫芦岛海域无因次波浪谱比较Fig.5 Dimensionless wave spectrum of spectrum of Huludao sea area

图6 小平岛海域无因次波浪谱比较Fig.6 Dimensionless wave Xiaoping island sea area

2 大尺度模型试验系统的建立

本文开展的大尺度模型在实际海浪环境下的耐波性物理仿真试验，模型是遥控自航模，船模运动信息由遥测装置测试采集［7－9］。试验选用4 000吨级圆舭船型和深V复合船型模型，缩尺比为1∶19，模型参数如表1所示。模型遥控距离大于1 km，采用蓄电池提供动力。船模由玻璃钢做成，图7所示分别为圆舭船型和深V复合船型模型照片。

表1 大尺度模型参数表Tab.1 Parameters of large-scale models

图7 大尺度模型照片Fig.7 Pictures of large-scale models

首先在松花江某段平静水面开展了大尺度模型试验系统调试试验，如图8所示。对模型进行动力、静力调整，并对模型动力系统、遥控遥测系统、视频系统、数据内测系统等进行调试。采用标杆法测量了模型航速与主机转速的关系，对测量结果进行拟合，得到主机转速与船模航速的关系曲线，结果如图9所示。

图8 松花江模型调试试验Fig.8 Model testing in Songhuajiang River

图9 模型主机转速与航速关系曲线Fig.9 Relationship of exponential rev and ship speed

3 大尺度船模耐波性试验

3.1 试验实施过程

模型运动性能测试试验主要开展了2艘模型的耐波性试验，模型横摇及纵摇运动由角速率陀螺测量，船模航向角由航向陀螺测量，模型首部1站位置、中部船中位置、尾部19站位置的垂向加速度由加速度传感器测量，各装置在模型内的布置如图10所示。

图10 自航模控制及测试装置布置图Fig.10 Arrangement of controlling and testing instruments

在大连小平岛海域开展了圆舭船型和单体深V复合船型大尺度模型 (缩尺比1∶19)在实际海浪环境下的物理仿真试验。对两船型的试验分别进行，试验共进行4天，试验期间内风向由海面吹向岸边，试验均在涨潮期至高潮期之间进行，经浪高仪测量试验区域内波浪有义波高相对实船均为6级海情。由于近岸的波浪并不平稳，随机性强，为了保证船模运动响应与波浪激励实时同步，使模型航行时的波浪数据与浪高仪所测数据吻合，同时为了在耐波性试验过程中便于测试模型在波浪中不同航向角的运动，试验区域与浪高仪需保持适当距离，距离船模约100 m范围内。分别测试了2种船型在相当于实船6级海况(H1/3=5～6 m)下不同航速、不同浪向的运动，试验录像截图如图11和图12所示。

图11 圆舭船大尺度模型试验情况Fig.11 Test of round bilge monohull

图12 复合船大尺度模型试验情况Fig.12 Test of hybrid monohull

3.2 试验数据处理及与水池模型试验结果的比较

试验数据由模型内部的内测系统和测量船上的遥测系统同时测量并记录。本文将大尺度试验结果与水池小尺度模型试验结果进行比较，水池模型缩尺比为1:40，试验模型对应的实船与大尺度模型一样，试验在哈尔滨工程大学船模拖曳水池进行，水池尺寸为108 m×7 m×3.5 m，波浪由摇板式造波机制造，不规则波浪高取6级海况(对应实船有义波高H1/3=5 m)模型运动由四自由度适航仪测量，模型定点加速度由加速度传感器测量，传感器安装位置与大尺度模型一致。图13所示为对应的水池模型与大尺度模型纵摇运动、首部加速度及横摇运动谱密度曲线，其运动有义值如表2所示。

图13 大尺度船模运动谱Fig.13 Motion spectrum of large-scale models

表2 6级海况大尺度模型试验运动有义值统计结果(H1/3=5 m)Tab.2 Significant motion result of large-scale models at 6th sea state

由谱分析结果可见，大尺度试验6级海况下复合船型与圆舭船型运动谱比较:18 kn纵摇角度谱峰值减少30.02%，首部加速度谱峰值减少34.69%;24 kn纵摇角度谱峰值减少29.52%，首部加速度谱峰值减少44.13%。18 kn纵摇有义值减少25.4%，首加速度有义值减少28%;24 kn纵摇有义值减少27.6%，首加速度有义值减少35.6%。由此可见，深V复合船型耐波性较圆舭船型得到大幅改善。

本文将水池模型试验结果与大尺度模型试验结果进行无因次化比较，图14～图16所示为6级海况下大尺度试验与水池试验无因次纵摇谱的比较。

图15 复合船模型18 kn纵摇无因次谱比较Fig.15 Dimensionless spectrum of pitch at 18 kn for hybrid monohull

图16 大尺度模型试验与水池模型试验甲板上浪录像截图Fig.16 Pictures of green water for large-scale model test and model test in tank

由于实际海浪环境为三维波，而大尺度模型在航行中处于自由航行状态，与实船相同，因此产生6个自由度耦合运动。与水池模型试验结果相比大尺度试验增加了横摇运动，其六自由度耦合运动更接近实船，各自由度运动能量分散，因此纵摇运动及首部加速度等响应幅值偏小，显示出大尺度试验与水池试验的差别。而船模水池试验波浪为二维长峰波，且模型在约束条件下航行，限制了船模的首摇和横荡运动，这样一来能量就集中于剩下的几个自由度运动，因此其运动特性势必与大尺度模型试验有所不同。

此外从上浪频率与上浪物理现象来看两者差别也较大，见表3所示为水池模型试验与实际海浪环境下大尺度模型试验6级海况下(H1/3=5 m)甲板上浪频率比较，图18所示为大尺度模型试验与水池模型试验甲板上浪录像截图。

由以上甲板上浪频率及图像可见，与水池小尺度模型试验相比，在三维风成波浪的作用下大尺度模型耦合运动特征明显，因此其上浪频率降低，非线性特征更加显著。

表3 甲板上浪频率比较Tab.3 Comparison of green water frequency

4 结语

通过上述研究可以得到以下结论:

1)通过对几个海域沿海波浪的测量分析可见，沿海的海浪参数与潮汐、风向、水深等都有关系，在涨潮至高潮期，风向由海面垂向岸边，水深超过8 m时测得的波浪谱与大洋谱谱形基本相似，波高概率密度基本符合雷利分布。

2)通过圆舭船型与单体复合船型耐波性试验结果对比发现，单体复合船型耐波性比与圆舭船型相比得到较大幅度改善。对沿海大尺度模型试验与水池小尺度模型试验测得的数据进行比较分析可见，大尺度模型试验6个自由度耦合运动比水池模型试验更接近实船，纵摇运动及首部加速度等响应幅值偏小，甲板上浪频率及其物理现象与实船更加接近，显示出大尺度试验与水池试验的差别。

［1］ 李积德，张恒，赵晓东．4千吨级深V单体复合船型模型试验研究［J］．船舶力学，2008(5):709－715．LI Ji-de，ZHANG Heng，ZHAO Xiao-dong．Experimental study on 4000 t deep － V hybrid monohull［J］．Journal of Ship Mechanics，2008(5):709 －715 ．

［2］ 孙树政，李积德，赵晓东．实际海浪环境下模型试验研究［J］．哈尔滨工程大学学报，2009(5)．SUB Shu-zheng，LI Ji-de，ZHAO Xiao-dong．Research on large scale model test at real ocean waves［J］．Journal of Harbin Engineering University，2009(5)．

［3］ Final Report and Recommendations to the 25th ITTC，The Seakeeping Committee，Proceedings of the 25th ITTC Volume I，2008，FUKUOKA．

［4］ 俞湘三，陈泽梁，楼连根．船舶性能实验技术［M］．上海:上海交通大学出版社，1991．

［5］ 李积德．船舶耐波性［M］．哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，1992．

［6］ 文圣常，余宙文．海浪理论与计算原理［M］．北京:科学出版社，1984．

［7］ SUN Shu-zheng，LI Ji-de，WANGChang-tao，et al．Research on the remote control and telemetry system for large-scale model test at sea［J］．Journal of Marine Science and Application，2010(9)．

［8］ SUN Shu-zheng，REN Hui-long，ZHAO Xiao-dong，et al．Experimental study of two large-scale models'seakeeping performance in coastal waves［J］．Brodogradnja，2015(6)．