深V型船零速横摇改善措施

董润鹏，董文才，姚朝帮

海军工程大学 舰船工程系，湖北 武汉430033

深V型船零速横摇改善措施

董润鹏，董文才，姚朝帮

海军工程大学 舰船工程系，湖北 武汉430033

针对千吨级深V型船在高海况下其零速横摇幅值较大的问题，在拖曳水池中开展静水阻力、横摇衰减模型试验。通过求解非线性横摇方程，预报规则波中的横摇响应，采用双参数谱预报实船在4，5级海况下的零速横摇幅值。同时，对比分析舭龙骨长度、宽度、安装位置以及连续性对阻力、横摇阻尼系数及横摇幅值的影响规律。研究结果表明：在巡航速度至最大航速范围内，可获得阻力增值不超过4.5%，正横浪零速横摇幅值减小25%以上的舭龙骨设计方案，可为千吨级深V型船在锚泊状态下减少横摇幅值提供技术支撑。

深V型船；舭龙骨；模型试验；横摇衰减试验

0 引 言

深V型船出现于上世纪40年代，早期被用做快艇和小型军用快艇［1］。随着研究的深入和船型的改进优化，上世纪90年代，深V型船的应用开始实现大型化，被广泛应用于高速渡船、游船以及高性能军用舰船的设计中［2-4］。

与常规圆舭型船相比，同吨位的深V型船具有良好的耐波性能，但静水阻力有所增加。因此，近年来研究人员对深V型船的研究主要集中在减阻方面［5-9］，对深V型船耐波性的研究主要集中在减纵摇［10-12］和对横摇阻尼的预报方面［13-14］，而有关深V型船零速横摇方面的研究则较少。

目前发现，已投入使用的千吨级深V型船在4级和5级海况的锚泊状态下，横摇幅值较大，影响了其整体任务要求。因此，有必要针对深V型船零速横摇改善措施开展研究。考虑到深V型船优良的耐波性能，以及减摇措施有可能对阻力产生的影响，本文将重点研究不同位置、不同宽度和连续性不同的舭龙骨方案对深V型船的阻力和零速横摇幅值的影响规律，综合协调舭龙骨对阻力和横摇的影响，以解决加设舭龙骨后在改善横摇与引起阻力增加间的矛盾，希望获得千吨级深V型船横摇降低25%以上，阻力增加不超过5%的舭龙骨方案。

1 试验介绍

1.1 试验模型

试验模型为某深V型船全附体模型，如图1所示。试验模型包括轴系、舵、减摇鳍和艉板，表1所示为试验模型的主要参数。

图1 全附体试验模型Fig.1 Profile lines of test model with full appendages

表1 模型参数Tab.1 Parameters of test model

1.2 舭龙骨方案

共设计了5种舭龙骨方案，均安装于5～15站，并改变不同方案舭龙骨的宽度、距折角线的位置以及连续性，具体参数如表2所示。舭龙骨的安装示意图如图2所示，其中粗体部分为舭龙骨。图2（a）中：α，β为舭龙骨的定位角，5种舭龙骨方案的定位角相同，α=41°，β=28°；b为舭龙骨宽度；s为舭龙骨距折角线的距离。图2（b）为舭龙骨纵向安装位置。

表2 舭龙骨的参数Tab.2 Parameters of bilge keels

图2 舭龙骨安装位置Fig.2 Location of bilge keels

1.3 测量设备

试验在某研究所高速拖曳水池里完成，试验水池长510 m，宽6.5 m，水深5 m。阻力的测量采用BLR-1型拉力传感器，量程为0～40 kgf，精度为0.2%。纵摇的测量采用TC-11A型垂直陀螺仪，测量误差小于0.1°。

1.4 试验内容

开展了无舭龙骨和5组加装舭龙骨方案的阻力试验，航速Fr=0.16～0.51，共10个速度。

开展了无舭龙骨和5组加装舭龙骨方案的横摇衰减试验，初始角度为±5°，±10°，±15°和±20°，共8个初始横倾角。

1.5 横摇衰减试验的数据处理

对横摇衰减试验得到的实测曲线进行光顺和中心化处理，之后，采用峰值处理方法获得横摇阻尼特性曲线［13］。曲线光顺处理和峰值处理后线性拟合出的曲线分别如图3、图4所示。

图3 实测曲线的光顺Fig.3 Smooth of the measured curves

图4 无因次横摇衰减系数曲线Fig.4 Non-dimensional roll decay coefficient curve

2 试验结果分析

2.1 舭龙骨对阻力的影响

2.1.1 安装位置的影响

方案1、方案2距折角线的位置分别为0.01Bwl和0.03Bwl，均是宽度为0.03Bwl、长度为0.5Lwl的连续型舭龙骨，其阻力试验结果对比如图5所示。图中为增阻率，η=（Rtn-Rt0）/Rt0，其中Rt0为无舭龙骨的模型阻力，Rtn为方案n的模型阻力；Rt为模型阻力；W为模型总重。

图5 舭龙骨安装位置对阻力的影响Fig.5 Resistances at different locations of bilge keel

由图5可看出，相比于无舭龙骨方案，加装舭龙骨后，阻力有所增加，其中方案2的阻力略小于方案1。当Fr=0.16～0.51，舭龙骨距折角线的距离为0.01Bwl～0.03Bwl时，阻力增值均不超过6%。

2.1.2 舭龙骨宽度对阻力的影响

方案1、方案4和方案5的舭龙骨宽度分别为0.03Bwl，0.04Bwl和0.05Bwl，均是长度为0.5Lwl、距折角线距离为0.01Bwl的连续型舭龙骨，其阻力试验结果对比如图6所示。

图6 舭龙骨宽度对阻力的影响Fig.6 Resistances with different width of bilge keel

由图6可知，随着舭龙骨宽度的增加，船体阻力随之增加。当Fr=0.179时，加装宽度为0.05Bwl舭龙骨的船模阻力的增值率甚至接近于10%。随着Fr的增大，增阻率逐渐减小。这是由于低速时，船体阻力主要为摩擦阻力，宽度越大的舭龙骨其湿表面积越大，摩擦阻力也越高。随着航速的增加，兴波阻力占总阻力的比重增加，摩擦阻力占总阻力的比例逐渐减小。因由湿表面积增加而引起的阻力增值在总阻力中的比重逐渐下降，故增阻率得以降低。

2.1.3 舭龙骨连续形式的影响

方案1和方案3的舭龙骨宽度均为0.03Bwl，距折角线的距离均为0.01Bwl。其中方案1为连续型舭龙骨，长度为0.5Lwl，方案3的舭龙骨在减摇鳍处间断，长度为0.45Lwl，其阻力试验结果对比如图7所示。

图7 舭龙骨连续性对阻力的影响Fig.7 Resistances with different continuity of bilge keel

由图7可知，在减摇鳍处，不连续舭龙骨的增阻率较连续舭龙骨的增阻率要高，这是因为纵向不连续的舭龙骨对流体的扰动增加了船模的总阻力。

2.1.4 阻力对比

对于该深V型船，速度Fr=0.32～0.47时的增阻率如表3所示。由表3可知，在该速度区间下，方案1、方案2、方案3和方案4的增阻率均不超过5%，方案1与方案2的增阻率均不超过4.5%。

表3 不同航速下各舭龙骨方案的增阻率Tab.3 Resistance addition rate at different speed in different cases

2.2 舭龙骨对横摇阻尼的影响

2.2.1 安装位置对横摇阻尼特性的影响

图8所示为距折角线不同位置的舭龙骨横摇阻尼曲线。由图可知，距折角线位置越近，横摇阻尼越大，减摇效果便越好。对深V船型来说，从理论上讲，安装在折角线处的减摇效果最好，但同时还需考虑工程上的安装要求，不能距折角线过近。

图8 舭龙骨安装位置对横摇阻尼的影响Fig.8 Roll dampings at different locations of bilge keel

2.2.2 舭龙骨宽度对横摇阻尼特性的影响

图9所示为不同宽度舭龙骨拟合出的横摇阻尼曲线。由图可知，舭龙骨越宽，对船体来说产生的突变就越大，涡旋阻尼增加越多，船舶的横摇幅值也就越小。

图9 舭龙骨宽度对横摇阻尼的影响Fig.9 Roll dampings with different width of bilge keel

2.2.3 舭龙骨的连续形式对横摇阻尼特性的影响

图10所示为连续型不同舭龙骨的横摇阻尼曲线。在实际工程应用中，一般为避免干扰减摇鳍工作，舭龙骨均采用分段式以错开减摇鳍，因此对舭龙骨的连续性进行了探究。结果表明，连续性舭龙骨的减摇效果较优，不过其与间断式舭龙骨之间的差距不大。

图10 舭龙骨连续性对横摇阻尼的影响Fig.10 Roll dampings with different continuity of bilge keel

3 零速横摇幅值预报

采用单自由度非线性横摇运动方程［15］和实测横摇阻尼曲线对规则波中的正横浪进行预报，横摇运动方程及解如式（1）和式（2）所示。横摇阻尼曲线采用1.5节的方法求出，不同方案的横摇阻尼曲线如表4所示。预报出的不同频率入射波下的船体横摇运动响应曲线如图11所示，图中横坐标为波长与船长比，纵坐标为横摇幅值与波幅比。

式中：νθ为横摇圆频率，其中Tθ为横摇周期；ω为自然频率；ωe为遭遇频率；α0为波倾角幅值；θa为横摇角的幅值。

从图11中可以看出，在1≤λ/Lwl≤2.5时，加装舭龙骨后，规则波中正横浪的横摇幅值明显降低。相比于无舭龙骨方案，在峰值处，方案5的减摇幅值可达到50.5%。

表4 不同方案无因次横摇衰减系数Tab.4 Non-dimension roll decay coefficients in different cases

图11 规则波中正横浪横摇曲线Fig.11 Roll curves in the regular waves

采用ITTC双参数谱及谱分析法对不规则波下的船舶横摇进行预报，其中双参数谱如式（3）所示，预报得出的在4级和5级海况下（有义波高为2.5～4 m）的正横浪零速横摇幅值分别如表5和表6所示。表中：θa(1/3)为有义幅值；ηa为横摇减幅，其中 (θa(1/3))0为无舭龙骨时的有义幅值；(θa(1/3))i为方案1～5的有义幅值。

表5 4级海况下正横浪零速横摇幅值Tab.5 Roll amplitude with zero speed in sea state 4

表6 5级海况下正横浪零速横摇幅值Tab.6 Roll amplitude with zero speed at in sea state 5

由表5和表6可以看出，方案1与方案3在4级和5级海况下的横摇减幅可达23%以上，方案4和方案5甚至可以达到33%以上。

4 结 论

深V型船加装舭龙骨后，会引起阻力增加，横摇阻尼增大，零速横摇幅值减小。其阻力增值和横摇减幅与舭龙骨的宽度、连续性以及安装位置密切相关。

1）舭龙骨宽度对深V型船的阻力和横摇影响较大，宽度越宽，增阻率越高，减摇效果越好。

2）舭龙骨距离折角线越近，阻力增值越大，减摇效果便越好，当距折角线的距离为0.01Bwl～0.03Bwl时，由舭龙骨引起的阻力对深V型船的影响较小。

3）本文所研究的千吨级排水型深V型船在巡航速度至最大航速范围内，可以获得阻力增值不超过4.5%、正横浪横摇幅值减少25%的舭龙骨方案。

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［责任编辑：卢圣芳］

Method of reducing the roll amplitude of a deep-vee hull at zero speed

DONG Runpeng，DONG Wencai，YAO Chaobang
Department of Naval Architecture Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China

A series of resistance and roll decay model tests are conducted in order to solve the large roll amplitude problem of one kiloton deep-vee ship with zero speed under rough sea condition.The roll re⁃sponse in regular waves is first obtained by solving the nonlinear roll motion equation,and the roll ampli⁃tude of the full scale hull in seaway is then predicted in the ITTC wave spectrum.The influences of length, width,location,and continuity of blige keel on resistance,roll damping,and roll amplitude are studied,re⁃spectively.The results indicate that incorporating a kind of bilge keel can reduce the rolling amplitude at zero speed by 25%and control the drag addition within 4.5%from cruising speed to maximum speed. These tests provide technical support to reduce the roll amplitude of kiloton deep-vee hull under the moor⁃ing state in seaway.

deep-vee ship；bilge keel；model test；roll decay test

U661.1

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2015.06.003

http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20151110.1025.006.html期刊网址：www.ship-research.com

董润鹏，董文才，姚朝帮.深V型船零速横摇改善措施［J］.中国舰船研究，2015，10（6）：15-20. DONG Runpeng，DONG Wencai，YAO Chaobang.Method of reducing the roll amplitude of a deep-vee hull at zero speed［J］.Chinese Journal of Ship Research，2015，10（6）：15-20.

2015-06-10 < class="emphasis_bold"> 网络出版时间：

时间：2015-11-10 10:25

董润鹏，男，1990年生，硕士生。研究方向：船舶流体力学。E-mail：dongxiaopeng1990@163.com董文才（通信作者），男，1967年生，博士，教授，博士生导师。研究方向：高性能船水动力性能，舰船波浪中运动性能，水面、水下航行器减阻技术。E-mail：haigongdwc@163.com