舭龙骨对半潜船横摇响应的影响

蔡连财 刘旭 霍浩杰 陈晓明

摘    要：舭龙骨作为一种简单的减摇结构，可有效降低船舶在波浪中的横摇响应，提高船舶耐波性。尤其是对于半潜船，舭龙骨参数的合理选择可有效改善横摇，降低实际营运中货物绑扎量要求，从而降低运营成本。目前船舶设计通常采用经验公式或模型试验来确定舭龙骨参数，存在不确定性和成本高等问题。本文以某10万吨半潜船为研究对象，采用数值模拟方法，对比舭龙骨参数对横摇、横荡的影响，发现舭龙骨的面积、长度和宽度等参数对横摇有显著影响。本文研究结果可为肥大型船舶舭龙骨设计提供参考。

关键词：舭龙骨;横摇响应;半潜船;数值模拟

中图分类号：U661.33                            文献标识码：A

Abstract： As a simple anti-rolling structure， bilge keel can effectively reduce roll response of ships in waves and improve ship seakeeping. Especially for semi-submersible vessels， the reasonable selection of bilge keel parameters can effectively improve rolling， reduce the requirement of cargo binding quantity in actual operation， and thus reduce operating costs. At present， bilge keel parameters are usually determined by using empirical formula or model test in ship design， which could lead to high uncertainty， high cost and other problems. Taking a 100000 DWT semi-submersible vessel as the research object， this paper adopts numerical simulation method to compare the influence of bilge keel parameters on rolling and swaying， and finds that parameters such as area， length and width of bilge keel have significant influence on rolling. The results of this paper can provide ideas for bilge keel design of full formed ships.

Key words： Blige keel; Roll response; Semi-submersible vessel; Numerical simulation

1     前言

舭龍骨作为一种被动式减摇结构，具有成本低、结构简单、易于维护等优势，在各类船舶上得到了广泛使用[1]。

舭龙骨主要通过增加船舶附加阻尼产生减摇效果，其产生的附加阻尼主要由两部分组成：因舭龙骨正背面压力差产生的阻尼;以及因船体表面压力分布改变产生的阻尼[2]。在工程上，一般采用经验公式、半经验公式、模型试验等方法确定带舭龙骨船体的横摇阻尼;随着计算机性能的提高和计算方法的改进，数值模拟方法因具有经济高效、不受模型尺寸限制、计算结果准确等诸多优势，已成为研究船舶耐波性的主流技术手段，得到了广泛应用。

基于经模型试验验证过的数值模拟方法，本文以某100 000 DWT级半潜船为对象，通过选取不同的舭龙骨参数，研究其对半潜船耐波性的影响，为设计类似船型的舭龙骨参数提供参考。

2     耐波性数值模拟

2.1   计算船型及装载情况

以某100 000 DWT半潜船为计算船型，其甲板上装载某海洋平台。半潜船相关参数见表1、平台相关参数见表2，平台的长宽均大于半潜船的型宽，故平台有部分外伸。

2.2   计算方法

本文数值模拟使用OCTOPUS计算软件，该软件基于三维势流理论，能够对船舶运动响应进行数值预报：

（1）建立船舶的湿表面模型;根据三维势流理论，计算辐射势和绕射势;也可以预先计算多个工况下的数据，形成数据库文件，方便以后直接读取相关数据进行计算，提高数值模拟的效率;

（2）通过制定好的航路计划，从内置的不同海区海浪数据库中提取航路上各海区的有义波高，为航路计算海况提供参考;

（3）输入实际装载工况下的吃水、初稳心高、惯性矩等信息，根据装载信息、计算海况和生成的辐射势和绕射势数据，计算对应的RAO;

（4）根据计算海况、波浪谱参数和计算得到的RAO，对船舶在波浪中的运动响应进行数值预报。

使用OCTOPUS进行数值预报的基本流程，如图1所示。

2.3   计算模型

使用OCTOPUS进行数值模拟，首先要建立船体湿表面模型。本文的湿表面模型基于船体型线图建立，总共50个典型肋位;网格设置为船长方向等分80份、船宽方向等分60份。划分后的湿表面模型，如图2所示。

2.4   计算海况

本文数值模拟使用JONSWAP波浪谱生成系列计算海况，其谱密度表示为：

3     數值模拟

3.1   计算参数及测量点位置

为了研究不同舭龙骨参数对半潜船耐波性的影响，先选定不同参数，比较这些参数对应的数值模拟结果。

在数值模拟中，舭龙骨参数一般通过舭龙骨的长度（或位置）、宽度来定义。本文选取了9组舭龙骨参数，如表4所示。

本文选取的测量点为如下4组：

P1： 首楼左舷;

P2： 首楼右舷，与P1点对称;

P3： 尾甲板中线上;

P4： 货物桩腿中心。

3.2   模型试验

为了验证数值模拟结果的准确性，需要开展耐波性试验，试验模型包括船体模型及货物模型两部分，缩尺比均为1：52。为方便结果对比，试验海况、横荡加速度测量点与数值模拟中的设定保持一致（见表3）。

试验使用不规则波，海浪谱为JONSWAP谱。耐波性模型试验地点为中国船舶科学研究中心耐波性试验水池。试验模型见图3。

表5、表6分别列出船舶横摇角和P4测量点横荡加速度模型试验和数值模拟结果对比;货物桩腿处P4横荡加速度结果涉及到半潜船实际营运的货物绑扎设计，所以选取该点的横荡加速度进行对比。

通过表5、表6的结果对比可知：

（1）在Hs=5 m海况下，数值模拟与模型试验的偏差在10%以内，两者结果较为吻合，验证了数值模拟的准确性;

（2）在Hs=7 m海况下，数值模拟计算得到的横摇角、横荡加速度比试验结果要大，最大偏差接近20%。这主要是因为所装载平台有部分外伸，在Hs=7 m工况下，该平台外伸部分入水会产生额外阻尼减少半潜船横摇响应，进而降低横荡加速度;由于数值模拟所建立的湿表面模型只考虑了船体部分，并没有考虑货物外伸部分，导致数值模拟没有计及这部分阻尼对船舶横摇响应的影响，因此两者误差较大;另外，在波高较大的工况下，船舶非线性运动所占的比例提高，这也会导致数值计算结果与模型试验结果偏差较大。因此，在工程应用必要的情况下，需要考虑货物入水和恶劣海况下船舶非线性运动的影响，并作出相应修正，以提高数值模拟结果的精度。

3.3   舭龙骨参数对半潜船耐波性的影响

因舭龙骨参数对纵摇、首摇、纵荡、垂荡的影响较小，所以本文主要关注舭龙骨参数对横摇角和横荡加速度的影响。

不同舭龙骨参数下，横摇角、横荡加速度数值模拟结果对比如表7、表8、图4所示。因测量点P1、P2左右对称，两者结果一致，故图表中只列出P1点的数值模拟结果。

将表7、表8和图4中各组参数对应的数值模拟结果进行对比，得出以下结论：

（1）通过对比第1～8组的结果可以发现，随着舭龙骨面积增加，横摇响应和横荡加速度均减小，舭龙骨面积越大，减摇效果越好;

（2）通过对比第1～6组的结果可以发现，减小舭龙骨宽度会增加横摇响应和横荡加速度，当舭龙骨宽度为零（即无舭龙骨）的情况下，横摇响应比有舭龙骨的明显增大，说明舭龙骨的存在能有效减小半潜船在波浪中的横摇。

4    结论

本文基于数值模拟方法，通过研究不同舭龙骨参数对某100 000 DWT半潜船耐波性的影响规律，并将其与模型试验结果对比，得到主要结论如下：

（1）数值模拟结果与模型试验结果非常吻合，验证了数值模拟的准确性，说明基于数值模拟方法研究舭龙骨的影响具有科学性;

（2）增加舭龙骨的面积，能有效地改善半潜船的横摇响应;

（3）一般的数值模拟湿表面模型仅考虑了半潜船的船体部分，如果货物有外伸到半潜船型宽以外的情况，在恶劣海况下因船舶的非线性运动和货物入水，会导致数值模拟方法得到的横摇响应误差较大，不利于工程实际中合理控制绑扎件设计成本，从而影响船东的营运效益。因此，应通过更深入的研究，在数值模拟中对此做出相应的修正，以提高计算精度。

参考文献

[1]  洪超， 陈莹霞. 船舶减摇技术现状及发展趋势[J]. 船舶工程， 2012（2）：        236-244.

[2]  盛振邦， 刘应中. 船舶原理[M]. 上海：上海交通大学出版社， 2004.