300t级执法船耐波性研究

毛斌峰　徐文珊　朱仁传　陈亮亮

摘 要：针对细长体船，研究了耐波性预报方法。基于二维切片理论和三维势流理论方法，计算得出传递函数，采用谱分析法对耐波性进行了短期预报。以某300 t级执法船为例，进行了计算并与船模试验结果进行了比较，得到的结论对高速海洋执法船的耐波性研究提供了重要参考，也为细长体船耐波性的评估提供了一定的参考价值。

关键词：细长体；耐波性；切片理论；三维势流理论；短期预报

中图分类号：P751 文献标识码：A

Abstract：The seakeeping analysis of a slender ship is presented in this paper. The analysis is carried out based on strip theory and 3D potential theory. Transfer functions of motions are obtained and the short term predictions of motion responses based on wave spectra and transfer functions are also presented. A case study of 300 t class coastguard ship is carried out and the results from it are compared with those from the model test. The outcomecould be a reference to the seakeeping analysis of high speed coastguard ship and other ofslender ships.

Key words：Slender ship；Seakeeping； Strip theory；3D potential theory；Short-Term Prediction

1 概述

船舶耐波性是研究船舶在波浪中的横摇、纵摇、垂荡、首摇、横荡、纵荡运动性能，以及特殊部位的位移、运动速度、运动加速度、甲板上浪、首部砰击、螺旋桨出水次数等相关联问题的一个分支。剧烈的摇荡运动、砰击、飞车对船舶产生一系列有害的影响， 包括对人员工作效率、安全性和船体结构、各种装备的影响等 。

大量事实证明，在静水中航行性能优良的船舶，在波浪中的航行性能并不一定优良。对公务执法船来说，在波浪中航行应具有良好的运动响应， 为武器装备、电子装备及各类探测设备提供一个良好的稳定平台， 这对提高执法能力起着至关重要的作用。

当前耐波性预报方法一般有理论计算、船模试验以及实船试验三种。实船试验因受多方条件的制约不常采用，而船模试验有时也会受到项目时间和经费的制约而不优先选用，因此寻求可靠实用的理论预报方法是解决以上问题的关键。

二维切片法和三维势流理论是目前耐波性预报广泛采用的方法：切片法具有计算快捷、对船型适用性好等优点，在船舶工程界得到广泛的应用，且特别适用于细长体在一定波浪频率下的运动；对于通常的船舶及海洋平台，一般波长远小于特征尺度，流体黏性的影响相对较小，对于运动和载荷的计算可以忽略，因此基于此假定的势流理论在数值计算中得到了广泛应用。

本文以某300 t级执法船为例，在低航速、中航速、高航速下比较两种方法对耐波性预报方面的异同，通过分析得出运动的响应幅算子，并将预报结果与模型试验值进行比较，采用谱分析法对耐波性进行短期预报。给出了高速细长体船耐波性直接计算的一般步骤和方法，为海洋执法船耐波性评估提供一定的借鉴。

2 计算理论

工程界针对船体细长体的特点，将三维问题简化为二维问题，认为船体是细长的，流场沿纵向变化不大，可近似认为是二维的，将船体沿船长方向分成若干段，船舶流场的求解在各横剖面内进行，求得各剖面的值后，再沿长度方向积分，此即为切片理论。

三维势流理论，通常假定船舶所处的流体是均匀不可压缩和无粘无旋的理想流体。流场势函数应满足Laplace 方程、边界条件、物面条件和初始条件。根据 Laplace方程和边界条件可以求解出速度势。

通常情况下，海面上的随机不规则波浪可以通过规则波叠加而成，因此首先计算船舶在规则波中的波浪载荷响应的传递函数，然后采用谱分析法和概率统计法，结合船舶航线海区的海浪谱，即可完成波浪载荷的短期预报。

2.1 规则波中的运动响应

2.1.1 切片法

对于细长船体的小幅运动，把三维流动简化成绕各横截面的平面运动，按二维流动求得各横截面遭受的流体作用力后，沿船长方向积分求得船体上的总的流体作用力。

2.2 不规则波中的运动预报

确定了运动响应函数后，即可采用谱分析法预报船舶在不规则波中的运动。

要对船舶进行响应统计分析，首先要确定波浪谱。目前国际上广泛采用的波浪谱有 P-M谱、ITTC谱、 JONSWAP 谱，其中 JONSWAP 谱形状陡而尖，适用于风程被限定的海域。300 t级执法船主要航行于沿海海域，采用ITTC推荐的JONSWAP波浪谱，对各个海况下的船舶运动响应分别进行计算。

JONSWAP谱密度函数为：

3 模型试验

试验在华中科技大学船模拖曳水池进行，水池尺度为：长×宽×深 = 175× 6×4（m）。

3.1 试验模型

试验模型为缩尺比1：15的木质模型，表面打磨、抛光。

3.2 试验内容

试验航速为低、中、高航速（实船V=10 kn、18 kn、28 kn）；浪向为180°顶浪、 135°首斜浪、90°横浪以及45°尾斜浪，测试参数有横摇、纵摇和垂荡运动响应，以及首部10站、重心处和尾部0.5站的垂向加速度。

4 计算结果比较及分析

为了与试验结果进行比较，数值计算中选取与试验工况相对应的参数。分别使用切片法和三维势流理论法对 300 t级执法船在低、中、高航速（Fn = 0.229、 Fn = 0.412、Fn= 0.641） 条件下迎浪航行时的垂荡和纵摇运动进行了预报，并分别对运动响应RAO 与水池实验结果进行了比较。比较结果见图2至图13，图中STF-表示切片法计算结果，3D PT-表示三维势流理论计算结果， Exp-表示模型试验结果。

4.1 运动响应比较

4.2 耐波性短期预报结果比较

迎浪纵摇、垂荡预报结果比较，见图8至图13。

4.3 计算结果分析

由图2～7及图8～13比较曲线可以看：

（1）切片法计算的纵摇运动响应与试验值在高、中、低速段吻合度均很好，且在高速段吻合度更高；

（2）三维势流理论计算纵摇运动响应较切片法和实验值趋势基本一致，但结果较切片法和试验值偏大；

（3）垂荡运动响应在低、中、高航速时，预报结果与试验值基本对应，高速段吻合度优于低速段；

（4）切片法预报纵摇运动，在6级海况下较接近实验值，垂荡运动在5级海况以下较接近实验值，但6级海况预报结果误差偏大。

由此可知，切片法在各速度段均较三维势流理论法精度要高。

5 结语

本文利用切片法和三维势流理论法分别对 300 t级执法船迎浪航行时，不同航速下的纵摇运动和垂荡的幅值响应进行了计算， 并将计算结果与模型实验结果进行了比较，结果表明 ： 在高、中、低速条件下，切片法在精度上满足预报要求，在高航速条件下（Fn达到0.64），预报结果与试验值相比偏差较低，计算结果更为满意。纵摇及垂荡运动预报值在高达5～6级海况下，均较接近试验值，故切片法可以应用于高速船的耐波性预报。

参考文献

[1]刘应中，缪国平.船舶在波浪上的运动理论. [M].上海交通大学

出版社， 1986.

[2]盛振邦，刘应中.船舶原理.[M].上海交通大学出版社，2004.

[3]张凤伟，匡晓峰，范亚丽.三维势流理论与切片法预报耐波性的数

值比较[C].第十三届全国水动力学学术会议暨第二十六届全国水

动力学研讨会文集.

[4]董文才，左文锵，吴晓光.水面舰船耐波性指标及对Seakeeper软

件的评价[J].中国舰船研究，2006（4）.

[5]马山，宋竞正，段文洋.二维半理论与切片法的数值比较研究[J].船

舶力学， 2004，8.

[6]吴小平，400000 DWT 超大型矿砂船耐波性分析[J].上海造船，

2009 （4）.