船舶风载荷的研究进展和展望综述
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;E&^>II>O>通过神经网络技术的运用"对船舶风载荷进行 计算的通用公式进行总结"并对油船进行选择"验证了这一 公式"进而认识到"对比其他经验公式而言"这一方法的精度 明显更高# 此后"在风载荷计算方面"S]JN/[k=/Lk+/g>O>则运 用了成分分离型理论"该方法即划分在船体作用的风压为交 叉流体$主流$诱导阻力#
(&( 数值建模计算 在计算机日益发展的同时"以风洞试验原理作为基础" 并通过计算流体力学理论的运用"学者们更为关注这一数值 建模计算# 对比传统试验而言"其具备的特点包括如下! "成本偏低"且效率高"研发周期相对较短' $模型尺寸不会对此产生影响"可结合微观视角对流场 的任意流动状况进行查看' '便于对各类参数的变化"并完成多方案对比探究等# 就结合数值模拟计算风载荷而言"国内外学者对此开展 了诸多探究"如通过 KL!方法的运用"#_->`/]针对帆船开展 了风场数值探究工作# 通过各类网格尺寸$湍流模型的运 用"开针对帆船完 成 诸 多 建 模" 对 升 力$ 阻 力 大 小 予 以 计 算" 对计算可使得工程精度得以满足进行验证"结合对比后认识 到"更加吻合于风洞试验结果的为 Of>@/`>A@f.2f\J/.]- 湍流模 型'通过 M:FXF 软件的运用"张金鹏针对非满载状态的集装 箱船的风阻开展了探究工作# 通过理论分析计算结果$对数 值模拟计算的对比"就集装箱船风载荷的计算而依然"数值 模拟是否可行性进行验证# B>=fJ&L]OOfJ?则针对 FLF 风场开 展数值建模工作"对非定常计算策略加以运用"并针对选择 时间步长开展 敏 感 性 分 析 工 作" 对 实 际 船 体$ KL!模 型 压 缩 尺寸对应的差异进行对比# '结语 从目前船舶风载荷的研究来看"风洞实验虽然较为可靠 和准确"但是从结 构 模 型 利 用 率 低$ 模 型 制 作 到 实 验 完 成 的 周期$支架干扰$风 洞 洞 壁 干 扰 等 问 题 也 是 当 前 风 洞 实 验 面 临的重要问题"风洞实验与 (!打印技术$自动控制技术等国 内先进技术的紧密结合"将大幅度提高风洞实验数据的精度 和可靠性# 参考文献 $ 陈前昆尹奇志等&船舶风载荷研究进展及发展趋 势 B &武汉理工大学学报 交通科学与工程版 )%$6%4 & ) 陈 刚 汪 怡 等&自 升 式 钻 井 平 台 风 载 荷 试 验 研 究 B &船舶工程)%$)%( &
!科技风 "#"# 年 $# 月
理论研究 !"#$%&$'(') *+&,-./&$01$21(3$&)%)%)4%'3
船舶风载荷的研究进展和展望综述
王志浩5赵天翔5宋 强5王文杰
中国卫星海上测控部!江苏江阴!%#''&#
摘5要风载荷是船舶航行中环境载荷的一个组成部分对船舶航行安全及节能减排具有重要意义 船舶在航行过程 中其横向角速度波动程度较大可见船身横向宽度对外界干扰较为敏感为减少干扰载荷对船舶运动的影响可适当增加船 身横向宽度在船舶设计过程中结合船舶风载荷研究中现场实测风洞实验和数值分析三种方法对风载荷的研究进展进行 论述 最后结合船舶在风载荷方面的现有研究成果及发展趋势对风载荷研究工作在船舶行业的应用前景进行了展望
(&) 经验公式估算 当前"有关风载荷的诸多计算经验公式已经由各国学者 提出"目前认 可 度 比 较 高 的 是 国 外 一 些 学 者 研 究 的 经 验 公 式"加以对比分析"选择应用# 比如 #JNfOg]]I 等学者"选取 大量相关数据"并针对此开展多元回归分析工作"提出对风 压力矩以及船舶风压力矩进行计算的回归公式"本方法可适 用于诸多串行"且可对全风向角工况进行计算# 在中国北 海"KNf- 等学者开展了风载荷模拟实验"以 $ x$%% 作为比例 尺# 测量了八个方向$来自甲板的风速# 对五个攻角之下对 应结果进行获取# 具体结论如下"即风速针对脉动$平均风 速产生了较大影响# 7]k@I 则对船舶上层建筑风力矩以及风 进行计算$预报的 程 序 进 行 设 计" 对 有 效 相 对 风 速 问 题 进 行 探究"且对指数风剖面模拟公式进行总结# 结合风洞试验具 体数据"<>-UfO#f.]=则针对各个风向角之下"滚装$集装箱 船对应的迎风风力系数"对以此为基础的船舶迎风风阻力计 算公式进行总结# 也就是范/伯利柯姆公式# 以全面$系统 的一组船舶风载荷实验数据为基础"U@f-IfO=>-- 对船舶横 倾力矩$横向$纵向风力等的计算公式进行推导"并且对不均 匀风速之下"如何结合风洞数据来对风载荷进行计算的方法 进行总结# 此外"通过在密歇根大学开展的风洞试验数据的 运用的基础之上""K#DL就针对超大型油轮进行计算的方法 进行总结"对各种 载 况 之 下 对 应 风 载 荷 系 数 予 以 罗 列" 还 表 示"即便对较小型油船进行计算时"这一经验公式$计算流程 依然具备一定精度# 但是"上述公式在计算相应特定船型风载荷方面"往往 结果无法取得良好的一致性"具体原因在于"经验公式的推 导"以试验获得数据为基础# 而风洞数据往往具备有限以 及局限性"并最终影响计算结果的准确度# 针对上述问题"
行计算方可使得结构物风的作用以及影响得以显著减少 如对风荷载进行计算由此可对稳定性推进等进行分析此 外还包括动态定位的分析等
)&) 船舶航行定位 在定位以及船舶航行时风场将对此产生作用所以对 其承受风载荷予以准确估计并对船舶运动进行预报极为 必要并且在分析操纵推进性能以及稳定性来看帮助相对 较大 就动力定位来看对风场流动如何影响船舶压力进行 准确评估对风载 荷 进 行 计 算 对 于 风 场 影 响 的 减 少 具 有 极 为关键的作用 若并未运用锚泊系统来定位船舶则提前对 周边环境进行评估极为关键需要关注的是虽然海洋环境 风力一般都会对船舶产生影响但人们对此的关注度不够 由此也导致诸多具体案例的发生人们才对此重要性有所认 识 对比海浪洋流的作用而言风才是最为广泛的对船舶 动力定位系统产生的干扰因素风不仅会影响海浪也会直 接在船楼船体部位造成影响并进而影响运行 所以在对 动力定位系 统 进 行 研 发 时 如 何 实 现 风 力 对 运 作 影 响 的 减 小是作为研发者而言首先需探究的关键问题 就拿 东方 之星 客轮沉没事件 来 说造 成 其 倾 覆 的 主 要 因 素 之 一 就 是 江面上突如其来的龙卷风 相比于洋流和海浪对于船舶的 作用风对于船舶 动 力 定 位 系 统 的 干 扰 最 为 广 泛 海 面 上 的 风不但会对海浪造成影响还会直接作用在船体及船舶的上 层建筑上对船舶的姿态产生影响 因此在设计船舶动力定 位系统时如何减 小 风 力 对 于 该 系 统 运 作 的 影 响 是 非 常 值 得设计者考虑的因素之一 由此可见风载荷部分是动力定 位系统中最值得去优化的环节之一这对于提高动力定位系 统的稳定性与精确度有着极为重要的现实意义 &研究方法及进展 (&$ 风洞试验测量 最初风洞试验被运用于流体力学 将物体模型飞行 器放置于风洞之中对气体流动模型的互相作用进行探究 进而对物体飞行器具备的空气动力学特性进行认识的空气 动力试验方法 在船舶研究方面风洞试验是一种将加工制
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理论研究
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造出的缩尺船舶模型置于能模拟风环境的特定实验室内"通 过先进的测量设备和技术"测得船舶模型的受力情况及测量 点的流场信息的研究方法# 风洞试验是当前获得船舶风载 荷较为准确和可靠的方法6 在船舶的风场和风阻力的研究 中起着重要作用# 但其依然存在诸多缺陷!其一"边界干扰 或效应'其二"支架干扰'其三"相似准则无法满足# 就船体 的具体表现如下"试验过程中需对几何缩尺模型加以运用" 无法对模型细节响应风载荷予以全面体现'开展试验的费用 偏高"周期相对较长'在设计船舶结构方面"需对多个方案加 以对比"但无法同时开展风洞试验# 所以"在线性优化船舶 方面"这一试验依然具备局限性#
关键词风载荷船舶节能减排
#风载荷概述 风载荷即动压 力 是 工 程 结 构 因 为 空 气 流 动 而 导 致 的 压力 最 早 是 在 $44' 年 由 著 名 的 埃 菲 尔 铁 塔 的 设 计 者 7kJ?>[]8/[[/@提出的起初应用于建筑学随后随着空气动力 学的发展逐渐应用于很多领域 其和地面粗糙度建筑体 型以及基本风压相关 其变化可划分为两大块其一即为长 周期部分往往超过十分钟其二即为短周期部分一般仅为 数秒 为便于开展分析常常分解实际风载荷为脉动以及平 均风载荷两大块 因长周期比普通结构自振周期明显更大 所以平均风载荷作用于结构时即等同于静力作用 而脉动 风载荷则具备较短周期在时间变化的同时强度因此而变 化以动力作为作用性质由此使得结构振动 对于舶舶风 载荷而言一直以 来 都 不 被 人 重 视 但 随 着 海 洋 工 程 装 备 的 不断发展以及人 们 对 于 海 洋 资 源 的 开 发 利 用 船 舶 风 载 荷 才渐渐引起了人们广泛的关注 船舶风载荷的计算方法也 成了人们不断研究并探索的课题 船舶风载荷很大程度上 会对操纵航行性能产生影响 若为特殊工况如动力定位 驳船顶推作业等则其影响将更为突出 %船舶风载荷研究目的和意义 )&$ 船舶的节能 在设计海洋船 舶 结 构 物 结 构 时 风 载 荷 往 往 作 为 负 荷 的关键因素但却被人所忽略 正因如此由风导致的力矩 以及力才引发了 诸 多 海 洋 结 构 物 以 及 船 舶 等 事 故 的 发 生 所以以风载荷作 为 关 键 因 素 这 一 方 面 来 看 估 计 是 否 准 确 将产生极为重要的影响相关人员需对此予以关注 因其会 对运营进程中的海洋船舶结构物的安全造成影响 就离 岸 结 构 或 船 舶 而 言 当 遭 受 风 载 荷 时 如 集 装 箱 船具有极大的结 构 受 风 面 积 不 仅 会 因 风 导 致 的 联 合 水 荷 载受到影响风荷 载 也 将 直 接 影 响 船 体 结 构 此 时 对 应 的 动 力载荷相当大 在海洋以及船舶结构物中风载荷属于极为 关键的环境负荷不论是在操纵船舶还是推进效率方面均 可发挥极为关键的作用 此外就船舶动力定位拖曳等状 况之下风载荷的作用也极为突出 所以可准确对数值进
(&( 数值建模计算 在计算机日益发展的同时"以风洞试验原理作为基础" 并通过计算流体力学理论的运用"学者们更为关注这一数值 建模计算# 对比传统试验而言"其具备的特点包括如下! "成本偏低"且效率高"研发周期相对较短' $模型尺寸不会对此产生影响"可结合微观视角对流场 的任意流动状况进行查看' '便于对各类参数的变化"并完成多方案对比探究等# 就结合数值模拟计算风载荷而言"国内外学者对此开展 了诸多探究"如通过 KL!方法的运用"#_->`/]针对帆船开展 了风场数值探究工作# 通过各类网格尺寸$湍流模型的运 用"开针对帆船完 成 诸 多 建 模" 对 升 力$ 阻 力 大 小 予 以 计 算" 对计算可使得工程精度得以满足进行验证"结合对比后认识 到"更加吻合于风洞试验结果的为 Of>@/`>A@f.2f\J/.]- 湍流模 型'通过 M:FXF 软件的运用"张金鹏针对非满载状态的集装 箱船的风阻开展了探究工作# 通过理论分析计算结果$对数 值模拟计算的对比"就集装箱船风载荷的计算而依然"数值 模拟是否可行性进行验证# B>=fJ&L]OOfJ?则针对 FLF 风场开 展数值建模工作"对非定常计算策略加以运用"并针对选择 时间步长开展 敏 感 性 分 析 工 作" 对 实 际 船 体$ KL!模 型 压 缩 尺寸对应的差异进行对比# '结语 从目前船舶风载荷的研究来看"风洞实验虽然较为可靠 和准确"但是从结 构 模 型 利 用 率 低$ 模 型 制 作 到 实 验 完 成 的 周期$支架干扰$风 洞 洞 壁 干 扰 等 问 题 也 是 当 前 风 洞 实 验 面 临的重要问题"风洞实验与 (!打印技术$自动控制技术等国 内先进技术的紧密结合"将大幅度提高风洞实验数据的精度 和可靠性# 参考文献 $ 陈前昆尹奇志等&船舶风载荷研究进展及发展趋 势 B &武汉理工大学学报 交通科学与工程版 )%$6%4 & ) 陈 刚 汪 怡 等&自 升 式 钻 井 平 台 风 载 荷 试 验 研 究 B &船舶工程)%$)%( &
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船舶风载荷的研究进展和展望综述
王志浩5赵天翔5宋 强5王文杰
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摘5要风载荷是船舶航行中环境载荷的一个组成部分对船舶航行安全及节能减排具有重要意义 船舶在航行过程 中其横向角速度波动程度较大可见船身横向宽度对外界干扰较为敏感为减少干扰载荷对船舶运动的影响可适当增加船 身横向宽度在船舶设计过程中结合船舶风载荷研究中现场实测风洞实验和数值分析三种方法对风载荷的研究进展进行 论述 最后结合船舶在风载荷方面的现有研究成果及发展趋势对风载荷研究工作在船舶行业的应用前景进行了展望
(&) 经验公式估算 当前"有关风载荷的诸多计算经验公式已经由各国学者 提出"目前认 可 度 比 较 高 的 是 国 外 一 些 学 者 研 究 的 经 验 公 式"加以对比分析"选择应用# 比如 #JNfOg]]I 等学者"选取 大量相关数据"并针对此开展多元回归分析工作"提出对风 压力矩以及船舶风压力矩进行计算的回归公式"本方法可适 用于诸多串行"且可对全风向角工况进行计算# 在中国北 海"KNf- 等学者开展了风载荷模拟实验"以 $ x$%% 作为比例 尺# 测量了八个方向$来自甲板的风速# 对五个攻角之下对 应结果进行获取# 具体结论如下"即风速针对脉动$平均风 速产生了较大影响# 7]k@I 则对船舶上层建筑风力矩以及风 进行计算$预报的 程 序 进 行 设 计" 对 有 效 相 对 风 速 问 题 进 行 探究"且对指数风剖面模拟公式进行总结# 结合风洞试验具 体数据"<>-UfO#f.]=则针对各个风向角之下"滚装$集装箱 船对应的迎风风力系数"对以此为基础的船舶迎风风阻力计 算公式进行总结# 也就是范/伯利柯姆公式# 以全面$系统 的一组船舶风载荷实验数据为基础"U@f-IfO=>-- 对船舶横 倾力矩$横向$纵向风力等的计算公式进行推导"并且对不均 匀风速之下"如何结合风洞数据来对风载荷进行计算的方法 进行总结# 此外"通过在密歇根大学开展的风洞试验数据的 运用的基础之上""K#DL就针对超大型油轮进行计算的方法 进行总结"对各种 载 况 之 下 对 应 风 载 荷 系 数 予 以 罗 列" 还 表 示"即便对较小型油船进行计算时"这一经验公式$计算流程 依然具备一定精度# 但是"上述公式在计算相应特定船型风载荷方面"往往 结果无法取得良好的一致性"具体原因在于"经验公式的推 导"以试验获得数据为基础# 而风洞数据往往具备有限以 及局限性"并最终影响计算结果的准确度# 针对上述问题"
行计算方可使得结构物风的作用以及影响得以显著减少 如对风荷载进行计算由此可对稳定性推进等进行分析此 外还包括动态定位的分析等
)&) 船舶航行定位 在定位以及船舶航行时风场将对此产生作用所以对 其承受风载荷予以准确估计并对船舶运动进行预报极为 必要并且在分析操纵推进性能以及稳定性来看帮助相对 较大 就动力定位来看对风场流动如何影响船舶压力进行 准确评估对风载 荷 进 行 计 算 对 于 风 场 影 响 的 减 少 具 有 极 为关键的作用 若并未运用锚泊系统来定位船舶则提前对 周边环境进行评估极为关键需要关注的是虽然海洋环境 风力一般都会对船舶产生影响但人们对此的关注度不够 由此也导致诸多具体案例的发生人们才对此重要性有所认 识 对比海浪洋流的作用而言风才是最为广泛的对船舶 动力定位系统产生的干扰因素风不仅会影响海浪也会直 接在船楼船体部位造成影响并进而影响运行 所以在对 动力定位系 统 进 行 研 发 时 如 何 实 现 风 力 对 运 作 影 响 的 减 小是作为研发者而言首先需探究的关键问题 就拿 东方 之星 客轮沉没事件 来 说造 成 其 倾 覆 的 主 要 因 素 之 一 就 是 江面上突如其来的龙卷风 相比于洋流和海浪对于船舶的 作用风对于船舶 动 力 定 位 系 统 的 干 扰 最 为 广 泛 海 面 上 的 风不但会对海浪造成影响还会直接作用在船体及船舶的上 层建筑上对船舶的姿态产生影响 因此在设计船舶动力定 位系统时如何减 小 风 力 对 于 该 系 统 运 作 的 影 响 是 非 常 值 得设计者考虑的因素之一 由此可见风载荷部分是动力定 位系统中最值得去优化的环节之一这对于提高动力定位系 统的稳定性与精确度有着极为重要的现实意义 &研究方法及进展 (&$ 风洞试验测量 最初风洞试验被运用于流体力学 将物体模型飞行 器放置于风洞之中对气体流动模型的互相作用进行探究 进而对物体飞行器具备的空气动力学特性进行认识的空气 动力试验方法 在船舶研究方面风洞试验是一种将加工制
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理论研究
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造出的缩尺船舶模型置于能模拟风环境的特定实验室内"通 过先进的测量设备和技术"测得船舶模型的受力情况及测量 点的流场信息的研究方法# 风洞试验是当前获得船舶风载 荷较为准确和可靠的方法6 在船舶的风场和风阻力的研究 中起着重要作用# 但其依然存在诸多缺陷!其一"边界干扰 或效应'其二"支架干扰'其三"相似准则无法满足# 就船体 的具体表现如下"试验过程中需对几何缩尺模型加以运用" 无法对模型细节响应风载荷予以全面体现'开展试验的费用 偏高"周期相对较长'在设计船舶结构方面"需对多个方案加 以对比"但无法同时开展风洞试验# 所以"在线性优化船舶 方面"这一试验依然具备局限性#
关键词风载荷船舶节能减排
#风载荷概述 风载荷即动压 力 是 工 程 结 构 因 为 空 气 流 动 而 导 致 的 压力 最 早 是 在 $44' 年 由 著 名 的 埃 菲 尔 铁 塔 的 设 计 者 7kJ?>[]8/[[/@提出的起初应用于建筑学随后随着空气动力 学的发展逐渐应用于很多领域 其和地面粗糙度建筑体 型以及基本风压相关 其变化可划分为两大块其一即为长 周期部分往往超过十分钟其二即为短周期部分一般仅为 数秒 为便于开展分析常常分解实际风载荷为脉动以及平 均风载荷两大块 因长周期比普通结构自振周期明显更大 所以平均风载荷作用于结构时即等同于静力作用 而脉动 风载荷则具备较短周期在时间变化的同时强度因此而变 化以动力作为作用性质由此使得结构振动 对于舶舶风 载荷而言一直以 来 都 不 被 人 重 视 但 随 着 海 洋 工 程 装 备 的 不断发展以及人 们 对 于 海 洋 资 源 的 开 发 利 用 船 舶 风 载 荷 才渐渐引起了人们广泛的关注 船舶风载荷的计算方法也 成了人们不断研究并探索的课题 船舶风载荷很大程度上 会对操纵航行性能产生影响 若为特殊工况如动力定位 驳船顶推作业等则其影响将更为突出 %船舶风载荷研究目的和意义 )&$ 船舶的节能 在设计海洋船 舶 结 构 物 结 构 时 风 载 荷 往 往 作 为 负 荷 的关键因素但却被人所忽略 正因如此由风导致的力矩 以及力才引发了 诸 多 海 洋 结 构 物 以 及 船 舶 等 事 故 的 发 生 所以以风载荷作 为 关 键 因 素 这 一 方 面 来 看 估 计 是 否 准 确 将产生极为重要的影响相关人员需对此予以关注 因其会 对运营进程中的海洋船舶结构物的安全造成影响 就离 岸 结 构 或 船 舶 而 言 当 遭 受 风 载 荷 时 如 集 装 箱 船具有极大的结 构 受 风 面 积 不 仅 会 因 风 导 致 的 联 合 水 荷 载受到影响风荷 载 也 将 直 接 影 响 船 体 结 构 此 时 对 应 的 动 力载荷相当大 在海洋以及船舶结构物中风载荷属于极为 关键的环境负荷不论是在操纵船舶还是推进效率方面均 可发挥极为关键的作用 此外就船舶动力定位拖曳等状 况之下风载荷的作用也极为突出 所以可准确对数值进