考虑长周期涌浪影响散货船运动响应研究*

李龙浩 支远哲 严庆新 关宏旭

(武汉理工大学航运学院1) 武汉 430063) (内河航运技术湖北省重点实验室2) 武汉 430063)(中交上海航道勘察设计研究院有限公司3) 上海 200120)

0 引 言

大型散货船进出港时遭遇长周期涌浪侵袭，会导致垂向运动的异常增大，涌浪频率与船舶航行振动频率接近而产生共振，极易发生中拱、中垂、螺旋桨空转等危险现象[1]，严重时可能导致船舶触底，损坏车舵.

有关波浪造成的船舶下沉量的研究是属于流体动力学方面的范畴，通过船池物模试验获取船体运动响应数据.冯铁城等[2]借助43艘船模在规则波中进行迎浪自航试验,通过回归分析将有义纵摇幅值、有义垂荡幅值表示为主尺度及航速的多项式；黄宣军等[3]通过观测打桩船模型在规则波涌浪条件下的运动响应，发现波浪周期接近船舶自振周期或锚泊系统自振周期时，船舶运动量明显增大.物理模型所得到的试验数据更精准，但耗费的时间和费用较高，相对而言数值模拟所需要的成本更小[4].随着计算机水平的发展，学者们开始借助计算机仿真软件计算船舶运动响应，Kim等[5]借助WASIM软件对两艘船舶的运动响应进行求解，并与线性方法的计算结果进行对比；Feng等[6]通过分离入射波和散射波改进了传统完全非线性势流理论以提高计算效率，并采用这一方法对并列驳船间的水动力共振问题进行研究；Hannan等[7]基于完全非线性水波理论，借助数值模拟的方法研究了海上起重驳船的有效工作载荷和非线性运动特性；Jiang等[8]采用数值模拟的方法研究了波浪作用下并排异形箱体的波浪载荷；杨波等[9]基于流体力学的方法，给出船舶在波浪中运动的数值模拟方式，求取垂荡和纵摇运动的响应幅值算子，并验证了数值模拟方法的精确性；谢海波等[10]借助SESAM软件计算了锚泊船在波浪中的下沉量，给出了波高小于2.5 m的风浪环境中，锚泊船的下沉幅值与船舶吃水的关系；杨玥等[11]利用BV船级社的HydroSTAR软件计算了FPSO在双方向风浪及涌浪作用下的运动及载荷响应与浪向的变化特点，并进行了谱峰周期和航道水深的敏感性分析.

以上研究中并未对波浪的详细要素诸如波周期、船浪向角和航道水深进行系统的分析和敏感性分析，本文借助经挪威船级社认证的NT PRO-5000船舶仿真模拟软件对船舶在规则波涌浪作用下散货船横摇幅值、纵摇幅值和垂向运动幅值进行了研究.

1 基本参数及计算模型

1.1 基本参数

目标散货船主尺度见表1.

表1 散货船主尺度

1.2 水动力参数

散货船横摇周期为

(1)

散货船纵摇周期为

(2)

式中：L为船长；Cp为纵摇周期系数，这里取0.6.

散货船垂荡周期为

(3)

船体各固有摇荡周期见表2.

表2 散货船固有摇荡周期 单位：s

经过软件计算得到最大横摇角φ和纵摇角θ，对应的横摇幅值Sφ和纵摇幅值Sθ为

(4)

(5)

2 计算工况

2.1 海况

计算中的波浪要素组成包含短周期风浪和长周期涌浪，短周期波浪采用JONSWAP波谱模拟随机波环境中的海浪，长周期涌浪采用规则波叠加的方式模拟随机波环境，风浪和涌浪的参数见表3.

2.2 海况环境组合

考虑到散货船水下结构对称，因此试验将涌浪方向规定为0°～180°，30°为间隔(0°为迎浪方向，180°为顺浪方向)，波周期为5，25 s，并将该环境参数进行组合，研究中还包含了对谱峰周期上下波动10%的局部敏感性分析，通过对海况设置的谱峰周期和航道水深参数进行分析，得到敏感性系数的大小(见式(1))，可以在实际应用中忽略敏感性系数很小的因素，而重点考虑敏感性系数较大的参数，故增加了波周期为4.5，5.5，22.5，27.5 s，航道水深为10.7和13.0 m的环境组合，总共105种环境组合.

敏感性系数表示为

(6)

式中：R为试验输出值；H为试验参数值；ΔR和ΔH分别为R和H的变化量.

3 计算结果及分析

3.1 计算结果

通过计算得到在不同海况环境中散货船垂向运动幅值时历曲线和运动响应幅值(见表4)，由于存在浅水效应，相同工况环境中水深为11.9 m船体运动响应较深水条件更为剧烈，限于篇幅，文中只列出了散货船样本模型在25 s涌浪条件中，船艏迎浪的横摇角幅值、纵摇角幅值和垂向运动响应时历曲线图，见图1.

表4 不同工况散货船运动响应计算结果

图1 水深11.7 m，波浪周期25 s船首迎浪船体运动时历

3.2 计算结果分析

通过表3和图1可知：

1) 在指定的环境工况组合中，波周期5 s的船体垂向运动幅值最大为1.51 m，发生在浪向角180°时船艉附近，纵摇引起的垂向运动幅值大于横摇；波周期25 s船体垂向运动幅值最大为2.14 m，发生在浪向角0°船艏附近，纵摇运动显著为1.64 m.

2) 相同水深和浪向角的工况下，长周期涌浪对散货船的影响更为明显，其中纵摇所引起的船体下沉幅值大于横摇，主要原因在于虽然横摇角度较大，但由于船舶设计为细长体，船长远大于船宽，且船体型线剖面呈曲线状，进一步降低横摇运动所造成的船体下沉幅值.

3) 对于两种不同周期的波浪，船体横摇角度最大位置均出现在浪向90°横浪处，其中短周期风浪所引起的船体横摇较大，是因为风浪短周期5 s更迫近船舶横摇固有周期.而纵摇角幅值最大位置均出现在首尾迎浪处，长周期涌浪所引起的船体纵摇较大，是由于涌浪长周期25 s更迫近船体纵摇固有周期的二倍周期造成的.

4 环境条件参数敏感性分析

以基准环境条件作用下散货船样本的运动响应作为标准，选取浪向角0°进行敏感性分析.基准环境条件参数见表5.

表5 基准环境条件参数

4.1 谱峰周期敏感性分析

基准环境条件参数中风浪和涌浪的谱峰周期分别为5和25 s，分别将其±10%进行了船体运动响应计算，获取横摇幅值、纵摇幅值和垂向运动幅值的变化，并获取其响应标准差随波周期的变化，计算结果见表6.

表6 谱峰周期敏感性分析结果

由表6可知：散货船样本的横摇、纵摇和垂向运动均对谱峰周期较为敏感，且样本固有横摇周期10.7 s，固有纵摇周期8.9 s，固有垂荡周期为6.7 s，因此扩大涌浪周期范围后，当涌浪周期朝迫近其运动固有周期变化时，其运动响应迅速增大；反之则相应减小，如5 s附近减小波周期，横摇、纵摇和垂向运动相应减小，而25 s附近，增大波周期，横摇、纵摇和垂向运动反而增大.

4.2 航道水深敏感性分析

基准环境参数中水深为11.9 m，分别计算在涌浪周期25 s时航道水深±10%的船体运动响应变化量和响应标准差随航道水深，结果见表7.

表7 航道水深敏感性分析结果

由表7可知：散货船样本在不同水深条件下的横摇、纵摇和垂向运动对于水深敏感性较小，由于浅水效应的存在，水深较浅时其运动相应反而增大，且随着水深的增加，其运动响应迅速降低.

综合谱峰周期和航道水深敏感性分析的计算结果可知，散货船运动响应对于涌浪周期的变化较为敏感，在进出港航道水深设计的计算和分析时，需要结果散货船运动响应的谱峰周期环境参数进行敏感性分析，才能得到较为可靠的计算结果，确保设计船型进出港航行的安全.

5 结 论

1) 散货船样本模型在横浪中横摇角较大，纵浪中纵摇角较大，但是船体下沉数值主要取决于纵摇运动，涌浪环境中散货船的最大垂向运动出现在波向角0°和180°附近的船艏和船艉，建议船舶进出港航行时宜避开船艏迎浪和船艉顺浪，以免船体下沉异常，造成触底事故.

2) 涌浪的谱峰周期敏感性对散货船的船体运动响应影响较大，而对水深的影响较小，在进行涌浪载荷分析和运动响应分析时，应结合船体固有摇荡周期对涌浪周期进行敏感性分析，同时建议船舶进出港应避开谐摇周期和固有周期的倍频周期，以免船体产生谐摇，引发船体触底事故.