IMO船舶操纵性标准与操纵性预报研究

是对船舶操纵性的评估与衡准工作，这些工作直接推动了船舶操纵性预报研究。

３船舶操纵性预报研究进展

根据ＩＭ０的要求；为了提高航行安全性，避免设计、建造不满足操纵性基本要求的船舶，应该在船舶初始设计阶段就对船舶操纵性作出预报。为此，各国船舶科技工作者和船舶设计人员开展了大量的理论、数值和试验研究工作，大大提高了船舶操纵性预报研究的水平［３１１４１。

３．１操纵性预报方法

在船舶初始设计阶段预报船舶操纵性，通常采用的方法有，自由自航模试验方法、计算机数值模拟方法及半理论半经验的估算方法。其中，自由自航模试验方法是用和所设计的实船几何相似的船模在水池或天然湖泊中进行Ｚ型试验、回转试验等标准操纵试验，得到表示操纵性的特征值，由此对实船操纵性作出预报：自由自航模试验方法是一种公认为比较可靠的方法，但由于船模和实船的雷诺数不相等，存在所谓的“尺度效应”影响，因而预报准确性存在问题。计算机数值模拟方法是以计算机为工具，通过数值求解船舶操纵运动方程（又称为数学模型），模拟标准操纵试验，从而实现对实船操纵性的理论预报：计算机数值模拟方法需要事先选定数学模型，并确定其中的水动力系数，因而该方法的预报精度直接取决于求得的水动力系数的精度：随着计算机科学技术的发展和能较精确预报水动力系数的各种计算方法的开发，数值模拟方法在船舶操纵性预报中得到了越来越广泛地采用。半理论半经验的估算方法是基于现有的大量船模和实船操纵性数据建立数据库、专家系统，或得出回归公式，对操纵性特征值进行估算，由此方便、快捷地对所设计船舶的操纵性作出预报：由于其实用性好，近十年来半理论半经验的估算方法得到了相当广泛的开发、应用；但该方法的预报精度受到现有数据的限制，当所设计的船舶不在现有数据所涉及的船型之内时，其预报精度难于保证。

３．２水动力预报

确定船舶操纵运动方程中的水动力系数是采用计算机数值模拟方法预报船舶操纵性的前提。确定水动力系数的方法主要有三种，即，约束船舶试验方法、数值计算方法和半理论半经验的估算方法。约束船模试验方法是用和所设计的实船几何相似的船模在专门的水池中进行约束船模试验，测量水动力，通过分析得到水动力系数：这种方法是最为可靠的一种方法，但和自由自航模试验一样，由该方法得到的水动力系数同样受到“尺度效应”的影响，因而和实船的水动力系数存在差异。同样，半理论半经验的估算方法是基于现有的大量约束船模试验数据，其预报精度不仅受到“尺度效应”的影响，更受到导出估算公式用到的试验数据所涉及的船型的限制，因而对新设计的船舶，其预报精度难于保证。而数值计算方法是基于流体力学的理论，通过数值求解船舶周围的流场，得到速度场和压力场，进而得到作甩在船舶上的水动力。近十年来，随着计算机速度和容量的迅猛提高以及船舶计算流体动力学（ＣｏｍｐｕｍｔｉｏｍｉＦｌｕｉｄＤｙｎａｍｉｃｓ，ＣＦＤ）技术的发展，数值计算方法被越来越广泛地用于确定操纵运动船体水动力：特别是由于数值计算方法可以方便地得到流场细节和重复计算，因而特别适合于在船舶初始设计阶段对不同船型的操纵运动流场和水动力情况进行比较，进而

比较不同设计方案操纵性的优劣。由此可见，数值计算方法特别适用于在新船型开发中确定操纵运动水动力，进行操纵性预报和设计优化，是一种非常有开发和应用前景的方法。

传统上，数值计算操纵运动水动力是基于势流理论并采用简单的小展弦比机翼理论、切片理论和细长体理论方法嘲。由于对流场和船型几何作了各种简化假设，如果不基于试验结果引入经验参数，计算得到的流场和水动力和实际情况有较大出入，因而影响了船舶操纵性预报精度。为了精确计算操纵运动水动力以提高操纵性预报精度，近十年来，人们主要从两方面作出了努力：一是改进现有的简单理论方法，通过计及尾部船型和分离涡的影响，尽可能精确地计算船体水动力｛６Ｈ９１：二是放弃对船型几何和流场所作的假设，应用高等流体力学理论和ＣＦＤ方法，采用三维势流和粘ｌ生流方法进行计算。在后一个方面，近年来的努力取得了惊人迅猛的进展：不仅三维势流计算中能计及自由面兴波影响ｌｍ、限制航道影响【ｎ１和船．桨．舵干扰影响ｆ１２ｌ，而且现在三维粘性流方法也具备这种能力【１３Ｈ’５１。尽管目前这些ＣＦＤ方法尚处于发展、完善中，要真正精确地预报操纵运动水动力及船．桨．舵水动力干扰影响尚有待时日，但是，其作为“数值船池”的发展潜力是不难预见的。可以肯定的是，这些方法可以弥补约束船模试验方法的不足，在新船型开发中取代大部分约束船模系列试验，从而成为操纵性理论预报和优化设计的有效工具。

３．３动力模拟

采用计算机数值模拟方法预报船舶操纵性，需要对船舶动力及外界环境影响建模，并选定所采用的数学模型。对于船舶操纵运动模拟而言，常用的数学模型有两类，一类是以上世纪６０年代Ａｂｋｏｗｉｔｚ教授提出的Ａｂｋｏｗｉｔｚ模型为代表的整体型数学模型【１６１，一类是以上世纪７０年代日本船舶操纵运动数学模型研究小组（ＭａｔｈｅｍａｔｉｃａｌＭｏｄｅｌｉｎｇＧｒｏｕｐ，ＭＭＧ）提出的ＭＭＧ模型为代表的分离型数学模型１１７１。由于ＭＭＧ模型中水动力的表达形式更简洁，且每一项的物理意义都很明确，所以，近十年来ＭＭＧ模型得到更广泛的采用。

传统上，模拟低、中速船舶的操纵运动采用的是水平面内纵向、横向和转首运动的三目由度数学模型。随着船舶向高速化、大型化发展，人们发现对于高速集装箱船和滚装船，由于其横稳性高度相对较小，横摇运动较为显著，对船舶操纵性的影响不容忽略Ｉ墙１。所以，近十年来，在操纵运动模拟中计及横摇运动影响的研究越来越多，考虑水平面内运动和横摇耦合运动的四自由度数学模型得到越来越多的采用１１９Ｉ。

船舶在海上航行，实际上会受到海洋环境外力的作用，并由此诱导摇荡运动。所以，研究船舶在海上的操纵性，应该和船舶耐波性耦合在一起研究。但传统上，由于问题的复杂性，操纵性和耐波性基本上是分开来进行研究的。近十年，随着船舶水动力学学科的发展和计算机技术等高新技术在船舶水动力学学科的成功应用，研究复杂船舶水动力学闷题的能力大大提高：近年来，将操纵性和耐波性结合起来进行的研究越来越多｛２０ｉ舶Ｉ，有望在不远的将来能有效地预报船舶在实际海洋环境下的操纵性。

研究船舶操纵模拟模型的耳的，除了用以模拟船舶标准操纵运动，从而对船舶操纵性作出预报外，也是为了满足设计开发操纵模拟器的需要㈤。随着信息技术的发展，计算机成为开发操纵模拟器的有效工具。操纵模拟器可以用于进行船员培训和指导港口、航道设计，在船舶操纵性研究领域有着广泛的应用前景。为了提高操纵模拟器的实用性和有效性，近十年来的努力主要在于更好地对船舶动力、拖曳力、控制力以及环境外力影响等进行建模。

另外，船舶操纵运动模拟研究方面一个值得注意的进展是，操纵运动模拟通常指的是通