波浪中船舶操纵性预报

直径
Dp
m
0 .540
-
桨
螺距
P
m
0 .5382
-
叶数
z
-
4
4
4.2 操纵性试验[ 10] 和计算预报结果 表 4和表 5 分别列出了该工程船在静水中和波浪中回转运动的部分工况下的计算结果和试验结
果 。图 2 示出了该工程船静水回转轨迹计算结果 ;图 3 示出了波浪中典型回转轨迹计算结果 ;图 4 示出 了波浪中典型回转横倾计算结果 。 表 6 列出了静水和波浪中 Z 形运动部分工况下的计算结果和试验 结果 , 图 5示出了该船在波浪中 Z 形运动的典型计算结果 。
摘要 :本文通过四自由度操纵运动数学模型 , 对某工程船在静水中和波浪中的 Z 形运动和回转运动进行预报 ,
并由自航模操纵性试验验证 。文中还分析了波高 Hw , 波长船长比 λ/L , 船速 U 和操舵角 δ诸因素对该船在波浪
中的操纵性的影响 。从结果显示可知计算和试验结果是比较吻合的 , 所提供的计算方法适用于船舶静水中和波
文中采用了计算与试验相结合的方法 , 对某工程船进行了操纵性预报 。文中通过四自由度操纵运 动数学模型 , 完成了该船在静水中和波浪中的 Z 形运动和回转运动的预报 , 并由自航模操纵性试验验 证。
2 数学模型
操纵性预报采用考虑横摇在内的四自由度操纵运动数学模型 , 船体 、桨 、舵水动力采用相近船试验
自航模操纵性 试验工况
表 1 计算和试验方案
试验项目
静水
波浪
回转运动
Z形运动
V0 =3 .08 , 5 .14 , 7 .71 (m/s) Fn =0 .380 , 0 .634 , 0 .950
V0 =3.08 , 3 .80 (m/ s) Fn =0 .380 , 0 .469
回转运动
Z形运动
V0 =3 .08 , 5 .14 , 7 .71 (m/s)
a H =0 .627Cb -0 .153
(10)
2.2 波浪力(规则波)
2.2.1 波浪阻力增加 X a w
船舶在规则波中阻力增加 X a w 可表达为 :
X a w =R a w(0 .8 +0.2 cosψ)
(11)
R a w =K a wρg(2ζa )2B 2/L
(12)
式中 , K a w 称为波阻增加函数 , 通常其为船舶前进速度和波长的函数 , 即 :
+v
2 R
δ0 =v p/u R
第 4期
沈定安等 :波浪中船舶操纵性预报
17
式中 , δ0 为由桨横向力引起的舵处进水角 , 由动量理论推得[ 5] ,
δ0 =-3 1 -nupp
(8)
(7)式中γ, l′r , ε, k 为船桨对舵的干扰系数 , 参照国内外试验结果[ 6 、7] , 依据某工程船桨舵要素及
1 2
ρUL3
式中 , Y′v ,K′v ,N′v ……为操纵运动水动力导数 , 参照以往试验结果其值为佛汝德数和横摇角函数 , 文
中采用了同类型近似船水动力导数[ 3] 。
2.1.1.3 静扶正力矩 K 和横摇阻尼力矩 K ﹒
K =mgh sin
(4)
K ﹒ =-2 N ﹒ P
N ﹒ =μ﹒ I x1 mgh 式中 , μ﹒ 为横摇阻尼系数 , 由静水横摇衰减试验求取 。 该工程船参照相近船试验结果[ 4] 。
船宽
B
吃水
d
m
2 .12
0 .624
m
0 .64
0 .188
方形系数
Cb
-
0 .492
0 .492
初稳心高
h
m
0 .813
0 .239
图 1 船体线形和首尾形状(单位 :mm)
4.1.2 桨 、舵要素 某工程船采用单桨单舵 , 舵为常规悬挂翼形舵 。桨为 B4-70 型桨 , 设计航速为 15kn 。表 3 列出了某
2 .524
-1 .76
35
3 .027
3 .248
3 .031
1.88
1.255 1.265
-35
2 .771
3 .128
2 .253
-0 .96
1.162
3.08
35
2 .203
2 .905
2 .546
1.06
1.105
3.08 试验 结果
3.80
-35
2 .541
2 .812
2 .325
-0 .52
2.2.2 波浪漂移力
在波浪中船舶受到波漂力X D 、 Y D 和 N D 的作用 。实际上 5 .1 节中波阻增加 X a w 已包含有纵向漂移
力X D 的成份 , 另外N D 是很小的 , 计算时可以忽略 。由回转轨迹的试验和计算对比结果表明 , 仅采用波
浪遭遇浪向角α w
为
90°时的横向漂移力Y D
结果或估算公式 ;船体 、桨 、舵相互干扰系数依据该船 、桨 、舵要素及其在船尾布置情况 , 并参照国内外
试验结果选用[ 1 ～ 7] ;附加质量主要采用元良试验结果[ 8] 。并认为回转漂移的主因是波浪侧向漂移力 , 回
转横摇是由波浪扰动力矩引起的 。计算中还考虑了波阻增加 。 为使研究问题简化 , 假定 :
K a w =K a w(u , λ/L)
(13)
当船舶前进速度给定时 ,
K a
w 应是 λ/L 的函数 , 并可表达为 :
K a w =A0 +A 1 λ/L +A 2 λ/L 2 +A 3 λ/L 3 +A 4 λ/L 4 +A 5 λ/L 5
(14)
(14)式中系数 Ai 由波阻试验结果得出 。
其在船尾的布局分别选取γ, l′r ,ε, k 为 0.74, 0.463, 1.23 和 0 .53 。
2.1.3.2 船后舵水动力表达
船后舵水动力可表达为 :
X R =-FN sin δ
Y R =- 1 +a H FN cos δ N R =- 1 +a H x r FN cos δ
(9)
K R =- 1 +a H z R FN cos δ 式中 a H 为舵对船体水动力的干扰系数 , 其值可按如下的估算公式计算[ 5] , 即 :
(16)
因船舶回转过程中船的遭遇航向角 αw 为时间的函数 , 此时波浪横摇扰 动力矩应进行 Smiss 修
正[ 11] , 式中 , αm0 称为有效波倾 , ωe 称为波浪遭遇圆频率 。
3 计算和试验方案
某工程船操纵性计算和试验方案如表 1 所示 :
18
船舶力学
第 4 卷第 4 期
工况
计算工况
a .某工程船在规则波中作操纵运动 ;
b .回转漂移主要是由波浪二阶漂移力引起的 ;
c .船的横摇是由波浪扰动力矩引起的 ;
d.由波阻增加而引起直航速下降 。
因此某工程船波浪操纵运动方程可表达为 :
m +m 11 m +m 22 I x +m 44 I z +m 66
u﹒ =X H +X P +X R + m +m 22 v r +X a w v﹒ =Y H +Y R - m +m 11 u r +Y D p﹒ =K H +K R +K +K ﹒ +K b ﹒r =N H +N R +N D
35
2 .308
2 .536
2 .902
0.67
-35
2 .664
2 .981
2 .916
-1 .43
35
2 .281
2 .738
3 .125
1.45
1.242 1.514 1.603 1.518
4.3 操纵性结果分析 4.3.1 静水操纵性能分析 4.3.1.1 回转性
由表 4 所示的某工程船静水回转性计算和试验结果可知 : a.由计算可知该船在 15kn(Fn =0.950) 航速下左右 35°舵角的战术直径 D T /L 分别为 4.001 和 3.921 , 纵距A b /L 分别为 3 .294 和 4.170, 都小于 IMO 标准(<5.0 和 <4.5), 因此该船的回转性是优良 的 ;最大定常回转横倾角 s 为 2 .91°, 是较小的(≤12°), 满足水面舰船稳性规范 ;
能基本吻合试验结果[ 9]
。 此横向漂移力可表达为 :
Y D =Y D sin αw=90° αw sin αw
(15)
式中 Y D 采用 αw=90° 文献[ 10] 的试验结果回归得出 。
2.2.3 波浪扰动力矩 K b
船舶在横浪波中受到的横摇扰动力矩 K b 可表达为 :
K b =-mghαm0 sin (ωet )
Fn =0 .380 ,0 .634 , 0 .950 Hw =0 .3 , 0.5 , 1 .0 , 1 .5 (m) λ/ L =0 .3 , 0 .6 , 1.0 , 1 .5 , 2 .2 V0 =3 .08 , 3 .80 (m/s)
Fn =0 .380 ,0 .469 Hw =0 .5 , 1.0 (m) λ/ L =1 .0
2.1.3 舵力
2.1.3.1 舵法向力FN
舵法向力采用藤井公式 , 即 :
FN =12 ρ
6 .13λ 2 .25 +λ1
AR
sin
αR
U
2 R
αR =δ-δ0 -γ β -l′Rr′
uR =u 1-w p ε v R =v p -γ v +l R r
1 +k
8K T πJ 2
(7)
UR=
u
2 R
工程船的桨 、舵要素 。 自航模试验舵模按船模缩尺比加工 。
第 4期
沈定安等 :波浪中船舶操纵性预报
19
表 3 桨 、舵要素
名
称
符号
单位
实船
船模
舵面积
AR
m2
0 .1647
0 .0142
舵面积系数
μR
舵
展弦比
λ1
-
0 .03835
0 .03835
-
1.770
1 .770
舵高
hR
m
0 .540
0 .159
(5)
2.1.2 桨推力
某工程船桨推力 X p 可表达为 :
X p = 1-t T
T =12
KT
ρn 2
D
4 p
K T =0.4910-0.2781 J -0 .1379 J 2
(6)
J =u p/ nDp
u p
=
1 -wp
u
式中 T 为敞水桨推力 , K T 为推力系数 , t 为推力减额 , w p 为桨处伴流分数 。K T 表达式由 B4 -70 图谱 值回归给出 。
浪中的操纵性能预报 。
关键词 :波浪 ;操纵性 ;工程船
中图分类号 :U661 .33
文献标识码 :A
1前言
波浪中船舶操纵性研究是操纵性领域中的重要研究课题 , 由于涉及到波浪环境力 , 这给试验研究 和计算工作增加了技术难度 , 是国内外学者致力于解决的船舶操纵性技术难点之一 。
本次工程船操纵性预报及性能分析由工程兵工程学院濒海工程技术研究所委托中国船舶科学研 究中心流体室承担 , 主要完成该船静水和规则波中操纵性预报 , 并根据预报结果提出该船操纵性分析 意见 。
表 4 在静水中回转运动的特征参量(计算与试验结果比较)
工况
结
果
-
V0
舵角(°)
DS / L
DT / L
Ad / L
S
Tr/L
-35
3 .776
4 .001
3 .294
-2 .73
1.595
7.71
35
3 .339
3 .921
4 .170
2.91
1.735
计算 结果
5.14
-35
3 .355
3 .402
4 某工程船操纵性预报
4.1 某工程船要素 4.1.1 船体要素
表 2 列出了某工程船船体要素 , 图 1 为其线型 、首尾形状及桨 、舵等附体在船尾的布置图 。自航模 试验船模缩尺比为 3.4 , 材质为玻璃钢 。
表 2 某工程船船体要素
名称
符号
单位
实船
船模
船长
L(LWL )
m
6 .71
1 .974
(1)
式中 , X a w 为波阻增量 , YD 为侧向漂移力 , K b 为波浪扰动力矩 , N D 为波浪漂移力引起的转首力矩 。
2 .1 船体 、桨 、舵水动力ห้องสมุดไป่ตู้算表达
收稿日期 :2000 -03 -08
作者简介 :沈定安(1942 -), 男 ,中国船舶科学研究中心高级工程师 。
16
船舶力学
第 4 卷第 4 期 2000 年 8 月
船舶力学 Journal of Ship Mechanics
Vol .4 No .4 Aug .2000
波浪中船舶操纵性预报
沈定安 1 马向能 1 孙芦忠 2 罗荣彪 2
(1 中国船舶科学研究中心 , 无锡 214082 ;2 工程兵学院濒海工程技术研究所 ,南京 210000)
YH =
Y′0 +Y′v v′+Y′r r′+Y′vv r v′2 r′+Y′vr r v′r′2 +Y′v vvv′3 +Y′r r r r′3
1 2
ρUL2
(2)
KH =
K′0 +K′vv′+K′r r′+K′vv vv′3 +K′r r r r′3
1 2
ρUL3
(3)
NH =
N′0 +N′vv′+N′r r′+N′v vr v′2r′+N′v r r v′r′2 +N′vv vv′3 +N′r r r r′3
第 4 卷第 4 期
2.1.1 船体水动力
2.1.1.1 直航阻力X H 由某工程船阻力试验结果得到如下直航阻力X H 的回归表达式[10] :
X H =a 0 +a 1u +a 2 u2 +a 3 u3 +a 4u 4 +a 5 u5
2.1.1.2 操纵运动水动力 Y H 、K H 和 N H
船体操纵运动侧向力 Y H 、横倾力矩 K H 和偏航力矩 N H 可表达为