VLCC波浪中操纵性数值预报与自航模试验验证
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５卷 ３
第 ３期（ 总第 ２ ２期 ） ０
Leabharlann Baidu中
国
造
船
、０ ． ３ Ｎｏ ３ （ ｅ ｉｌ ． ０ ，１ ５ ． Ｓ ｒａ Ｎｏ ２ ２）
Ｓｐ ０２ ｅ ．２ １
２１ ０ ２年 ９ 月
Ｓ Ｐ ＨＩ ＢＵＩ ＬＤＩ ＮＧ ＯＦ ＣＨＩ ＮＡ
文 章 编 号 ： １０ —８２ （ ０ ２ ３０ ０ —９ ０ ０４ ８ ２ １ ）０ —０ ９０
ＶＬ Ｃ波 浪 中操 纵 性 数 值 预 报 与 自航 模 试验 验 证 Ｃ
苏 威 ，马 宁 １ 顾 解忡 ， ２ ，
（． 海交通 大学 船舶建筑与海洋工程学 院，上海 ２ ０４ ； １ 上 ０２０ ２上海交通大学 海洋工程 国家重点实验 室，上海 ２ ０ ４ ） ． ０ ２ ０
摘
要
超 级油轮 （ Ｌ Ｃ）由于其 自身惯性大 、方形 系数大等特点，其操纵性 与一般 的大型船舶存在很 大差异 ， ＶＣ 因此对其 操纵性特别是 波浪 中的操纵性进行研 究就显得尤为重要。 目前 国内鲜有研 究人员对不同波陡、初 始 浪向角下 Ｖ Ｃ Ｌ Ｃ波浪 中的操纵性进行详细和深入研 究， 本文采用 一种新型 自 航模 系统的操纵性试 验和数值模 拟的方法对不同波陡规则波下 Ｖ Ｃ Ｌ Ｃ波浪中的操纵性 能进行 了 究。在试验 中， 过改变波浪参数 ，重点研 研 通 究分析 了 同波陡、初 始浪向角对 Ｖ Ｃ 不 Ｌ Ｃ操纵性 的影响 ，并 与数值模 拟进行 比较，结果 吻合 良 。 好
们 的重 视 。 因此 ，对 Ｖ Ｃ 的操纵 性进 行研 究 以确保 海 上运输 安 全 已成 为一个 重要 的课题 。特 别是 波 Ｌ Ｃ 浪 环境 力下 的操 纵 ， 已成 为 Ｖ Ｃ Ｌ Ｃ操纵 性研 究 的重 点关注 问题 。
自 １４ 年 Ｄ ｖ ｏ 第一次对船舶操纵性进行研究到现在 ，这一领域进行 的研究 已取得 了较大的进 ９８ ａｉ ｎ ｓ
形 操纵 试验 结果预 报 横甩 现 象 ，从 而使 问题 大 为简 化 Ｌ。 日本学 者 安川 宏纪 对 波浪 中 的操 纵运 动 （ ３ Ｊ 旋 回运 动 ，ｚ形试 验 ，停 车试 验 ）分别 进行 了模 型试 验和 数值 模拟 【 ４ － 。谌 栋梁 ，黄 国棵 ，黄 祥鹿 ，邓 德 衡对 一 艘集 装 箱船 在 随机 波 浪 中 的操 纵 性进 行 了预 报 【。严似 松 、黄 根 余对 由拖 船 和驳 船 组成 的拖航 ６ Ｊ 系统 在静 水 中 的操 纵 性进行 了数值 计算 ［，姚 竞争 等人 利用 ３ 自由度 ＭＭＧ 分离 式模 型对 拖航 系统在 １
展 。研 究 的重 点从 静 水操 纵性 逐渐 转 向波 浪 中操 纵 的 问题 。 目前对 船 舶 波浪 中操 纵性 的研 究主 要集 中 在 尾追 浪 中船 舶 的横甩 和倾 覆 方面 ，荷 兰 和 日本等 国家先 后进 行 了船 舶在 尾追 浪 中 的横 甩 和倾 覆试 验
［－３ １２
。
然而船 舶 在尾 追浪 中的大 幅运动 模 型试验 和 数值模 拟 均具 有很 大 的难 度 ， Ｍｕ ｉ提 出可 以利 用 ｚ Ａ ｎｆ
关 键 词 ：Ｖ Ｃ ； Ｌ Ｃ 操纵性； 规则波； 初始浪向角； 波陡； 新型 自 航模系统； 数值模拟
中图分 类 号 ：Ｕ ７ ． ． Ｕ ６． ６４ ３３ ； ６ １ ３８ １ ３ ３ 文献 标 识码 ：Ａ
０ 前
言
ＶＬ Ｃ 由于 操纵 性 问题 引起碰 撞 事故 造成 原油 泄漏 、环 境 污染 、生 态破 坏等 问题 ，越 来越 引起 人 Ｃ
收稿 日期 ：２ １－２０ ；修 改稿 收稿 日期 ：２ １—８１ ０ １１．５ ０ ２０ ．６
中
国
造
船
学术 论文
结果对 比，为 Ｖ Ｃ Ｌ Ｃ在波 浪 中的操纵 性 能预报 提供 了依据 。
１ 波 浪 中操 纵运动方程
船舶 运动 坐标 系如 图 １ 示 ，坐 标原 点位 于船舶 的重 心 。 Ｄ Ｚ 为空 间 固定 坐标 系 ，Ｄ 为空 间固 所 定坐 标系 的原点 ， ＯＸ 以正北 方 向为正 ， ＯＹ以正东方 向为正 ， ＯＺ垂 直于水 平面 以指 向地心 为正 。 ｘｚ ｏｙ 为固定 于船 舶 的动 坐标 系 ， ０为 船舶 重心 ， Ｏ Ｘ平行 于基 线 ，指 向船 首为 正 ， 为顺浪 。 为船 舶 的漂 角 。 垂直 于舯 剖面 ，指 向 右 舷为 正 ， Ｚ垂 直于水 线面 ， 向地心 为正 。 为浪 向角 ， ：０ 为迎浪 ， ＝９ 。 Ｏ 指 。 ０ 为横浪 ， ＝１ ０ ８。
风 、浪 、流联 合作 用 下 的操 纵 性进行 了数值 模拟 ［。但 以上 研 究并 没有 针对 ＶＬ Ｃ 这类 操 纵性特 殊 的 ８ １ Ｃ 船舶 。ＶＬ Ｃ 由于 质量 ，惯 性和 方 形系 数都 比较 大 ，单位 载 重 吨所分 配 到的主 机 功率 比较 小 ，所 以应 Ｃ 舵性 较差 ，操纵 比较 呆 笨 ，启动 和停 止 都很 缓慢 ，一旦 有进 速 就很 难 停下 来 。在旋 回性 能方 面 ，航 向
稳定 性和 追 随性都 很差 ，不 易操 纵 。针对 Ｖ Ｃ 以上 操纵特 点 ，本 文提 出了基 于 ＭＭＧ 模型 的 ４ 自由 Ｌ Ｃ
度波 浪 中操纵 性预 报方 法 ， 并利 用上 海交 大 开发 的先 进新 型 自航模试 验 系统 进行 了 ３０ＤＷＴＶＬ Ｃ模 ２ｋ Ｃ
型 波 浪 中 的 回 转 试 验 ，ｚ 形 试 验 ，研 究 分 析 其 在 波 浪 环 境 力 下 的 操 纵 性 特 点 ， 并 与 数 值 计 算
图 １ 坐标系统
波 浪 中 ＭＭＧ 模 型 的 ４自由度 操 纵运动 方程 ：
（＋ 一ｍ ｍ） ＋ ＋ ＋ ｍ ｍ） ＋ ｙ 西 ＝
（ ） １
（＋ ＋ ＋ ＝ ＋Ｒ ｍ ｍ） （ ） ＋ ｙ ＋
第 ３期（ 总第 ２ ２期 ） ０
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国
造
船
、０ ． ３ Ｎｏ ３ （ ｅ ｉｌ ． ０ ，１ ５ ． Ｓ ｒａ Ｎｏ ２ ２）
Ｓｐ ０２ ｅ ．２ １
２１ ０ ２年 ９ 月
Ｓ Ｐ ＨＩ ＢＵＩ ＬＤＩ ＮＧ ＯＦ ＣＨＩ ＮＡ
文 章 编 号 ： １０ —８２ （ ０ ２ ３０ ０ —９ ０ ０４ ８ ２ １ ）０ —０ ９０
ＶＬ Ｃ波 浪 中操 纵 性 数 值 预 报 与 自航 模 试验 验 证 Ｃ
苏 威 ，马 宁 １ 顾 解忡 ， ２ ，
（． 海交通 大学 船舶建筑与海洋工程学 院，上海 ２ ０４ ； １ 上 ０２０ ２上海交通大学 海洋工程 国家重点实验 室，上海 ２ ０ ４ ） ． ０ ２ ０
摘
要
超 级油轮 （ Ｌ Ｃ）由于其 自身惯性大 、方形 系数大等特点，其操纵性 与一般 的大型船舶存在很 大差异 ， ＶＣ 因此对其 操纵性特别是 波浪 中的操纵性进行研 究就显得尤为重要。 目前 国内鲜有研 究人员对不同波陡、初 始 浪向角下 Ｖ Ｃ Ｌ Ｃ波浪 中的操纵性进行详细和深入研 究， 本文采用 一种新型 自 航模 系统的操纵性试 验和数值模 拟的方法对不同波陡规则波下 Ｖ Ｃ Ｌ Ｃ波浪中的操纵性 能进行 了 究。在试验 中， 过改变波浪参数 ，重点研 研 通 究分析 了 同波陡、初 始浪向角对 Ｖ Ｃ 不 Ｌ Ｃ操纵性 的影响 ，并 与数值模 拟进行 比较，结果 吻合 良 。 好
们 的重 视 。 因此 ，对 Ｖ Ｃ 的操纵 性进 行研 究 以确保 海 上运输 安 全 已成 为一个 重要 的课题 。特 别是 波 Ｌ Ｃ 浪 环境 力下 的操 纵 ， 已成 为 Ｖ Ｃ Ｌ Ｃ操纵 性研 究 的重 点关注 问题 。
自 １４ 年 Ｄ ｖ ｏ 第一次对船舶操纵性进行研究到现在 ，这一领域进行 的研究 已取得 了较大的进 ９８ ａｉ ｎ ｓ
形 操纵 试验 结果预 报 横甩 现 象 ，从 而使 问题 大 为简 化 Ｌ。 日本学 者 安川 宏纪 对 波浪 中 的操 纵运 动 （ ３ Ｊ 旋 回运 动 ，ｚ形试 验 ，停 车试 验 ）分别 进行 了模 型试 验和 数值 模拟 【 ４ － 。谌 栋梁 ，黄 国棵 ，黄 祥鹿 ，邓 德 衡对 一 艘集 装 箱船 在 随机 波 浪 中 的操 纵 性进 行 了预 报 【。严似 松 、黄 根 余对 由拖 船 和驳 船 组成 的拖航 ６ Ｊ 系统 在静 水 中 的操 纵 性进行 了数值 计算 ［，姚 竞争 等人 利用 ３ 自由度 ＭＭＧ 分离 式模 型对 拖航 系统在 １
展 。研 究 的重 点从 静 水操 纵性 逐渐 转 向波 浪 中操 纵 的 问题 。 目前对 船 舶 波浪 中操 纵性 的研 究主 要集 中 在 尾追 浪 中船 舶 的横甩 和倾 覆 方面 ，荷 兰 和 日本等 国家先 后进 行 了船 舶在 尾追 浪 中 的横 甩 和倾 覆试 验
［－３ １２
。
然而船 舶 在尾 追浪 中的大 幅运动 模 型试验 和 数值模 拟 均具 有很 大 的难 度 ， Ｍｕ ｉ提 出可 以利 用 ｚ Ａ ｎｆ
关 键 词 ：Ｖ Ｃ ； Ｌ Ｃ 操纵性； 规则波； 初始浪向角； 波陡； 新型 自 航模系统； 数值模拟
中图分 类 号 ：Ｕ ７ ． ． Ｕ ６． ６４ ３３ ； ６ １ ３８ １ ３ ３ 文献 标 识码 ：Ａ
０ 前
言
ＶＬ Ｃ 由于 操纵 性 问题 引起碰 撞 事故 造成 原油 泄漏 、环 境 污染 、生 态破 坏等 问题 ，越 来越 引起 人 Ｃ
收稿 日期 ：２ １－２０ ；修 改稿 收稿 日期 ：２ １—８１ ０ １１．５ ０ ２０ ．６
中
国
造
船
学术 论文
结果对 比，为 Ｖ Ｃ Ｌ Ｃ在波 浪 中的操纵 性 能预报 提供 了依据 。
１ 波 浪 中操 纵运动方程
船舶 运动 坐标 系如 图 １ 示 ，坐 标原 点位 于船舶 的重 心 。 Ｄ Ｚ 为空 间 固定 坐标 系 ，Ｄ 为空 间固 所 定坐 标系 的原点 ， ＯＸ 以正北 方 向为正 ， ＯＹ以正东方 向为正 ， ＯＺ垂 直于水 平面 以指 向地心 为正 。 ｘｚ ｏｙ 为固定 于船 舶 的动 坐标 系 ， ０为 船舶 重心 ， Ｏ Ｘ平行 于基 线 ，指 向船 首为 正 ， 为顺浪 。 为船 舶 的漂 角 。 垂直 于舯 剖面 ，指 向 右 舷为 正 ， Ｚ垂 直于水 线面 ， 向地心 为正 。 为浪 向角 ， ：０ 为迎浪 ， ＝９ 。 Ｏ 指 。 ０ 为横浪 ， ＝１ ０ ８。
风 、浪 、流联 合作 用 下 的操 纵 性进行 了数值 模拟 ［。但 以上 研 究并 没有 针对 ＶＬ Ｃ 这类 操 纵性特 殊 的 ８ １ Ｃ 船舶 。ＶＬ Ｃ 由于 质量 ，惯 性和 方 形系 数都 比较 大 ，单位 载 重 吨所分 配 到的主 机 功率 比较 小 ，所 以应 Ｃ 舵性 较差 ，操纵 比较 呆 笨 ，启动 和停 止 都很 缓慢 ，一旦 有进 速 就很 难 停下 来 。在旋 回性 能方 面 ，航 向
稳定 性和 追 随性都 很差 ，不 易操 纵 。针对 Ｖ Ｃ 以上 操纵特 点 ，本 文提 出了基 于 ＭＭＧ 模型 的 ４ 自由 Ｌ Ｃ
度波 浪 中操纵 性预 报方 法 ， 并利 用上 海交 大 开发 的先 进新 型 自航模试 验 系统 进行 了 ３０ＤＷＴＶＬ Ｃ模 ２ｋ Ｃ
型 波 浪 中 的 回 转 试 验 ，ｚ 形 试 验 ，研 究 分 析 其 在 波 浪 环 境 力 下 的 操 纵 性 特 点 ， 并 与 数 值 计 算
图 １ 坐标系统
波 浪 中 ＭＭＧ 模 型 的 ４自由度 操 纵运动 方程 ：
（＋ 一ｍ ｍ） ＋ ＋ ＋ ｍ ｍ） ＋ ｙ 西 ＝
（ ） １
（＋ ＋ ＋ ＝ ＋Ｒ ｍ ｍ） （ ） ＋ ｙ ＋