內傾干舷單體復合船型運動預報

孫樹政，繆泉明，李積德

(1.中國船舶科學研究中心，江蘇無錫 214082;

2哈爾濱工程大學船舶工程學院，黑龍江哈爾濱 150001）

內傾干舷單體復合船型運動預報

孫樹政1，2，繆泉明1，李積德2

(1.中國船舶科學研究中心，江蘇無錫 214082;

2哈爾濱工程大學船舶工程學院，黑龍江哈爾濱 150001）

本文所研究的船型是以某圓舭船型為母型，采用低內傾干舷和后傾穿浪首設計，應用減縱向運動組合附體技術生成的新型單體復合船型。本文對該新型單體復合船型開展運動預報研究，應用RANS方法計算船體水動力系數，研究該船型水動力特性。對該船型進行縱向運動性能預報，將預報結果與模型試驗結果進行對比分析。結果表明，本文采用的預報方法能夠反映出內傾干舷單體復合船型的水動力特征，預報精度達到工程精度要求。

內傾干舷;單體復合船型;運動預報;粘性

0 引言

為應對未來信息化海戰(zhàn)及海軍編隊作戰(zhàn)需求，艦船環(huán)境適應性得到各海軍強國的普遍重視，其中尤以美國的DDX船型為代表。該船型突出的性能和技術特點是優(yōu)良的隱身功能，一體化上層建筑，且采用了倒V形隱身船型，其雷達反射信號僅為現役驅逐艦的1/64，采用電力推進，其噪聲將比現役艦船小得多。研究表明單體復合船型在保持快速性與常規(guī)圓舭船型相當的前提下耐波性得到大幅提升［1－5］。本文參考該船型隱身構型設計，應用減縱搖組合附體技術，開發(fā)新型單體復合船型，針對該船型的特殊構型研究該船型的水動力特性，并根據水動力計算結果對該船型進行縱向運動性能預報。

1 剖面水動力特性

新型內傾干舷單體復合船型剖面與常規(guī)船型有所不同，為達到良好的隱身性能，其水線以上部分采用內傾設計，圖1所示為內傾干舷船型與常規(guī)船型橫剖面示意圖。

圖1 橫剖面示意圖Fig.1 Sketch of the sections

根據新型單體復合船型剖面的水動力特性，計算8站處剖面作微幅振蕩與大幅振蕩時的垂蕩力。計算結果如圖2所示，自由液面示意圖如圖3所示。

圖2 8站剖面計算結果Fig.2 Calculated results of section 8

圖3 自由液面示意圖Fig.3 Sketch of free-surface

圖4 1站剖面附加質量Fig.4 Added mass of section 1

圖5 1站剖面阻尼系數Fig.5 Damping coefficient of section 1

圖6 10站剖面附加質量Fig.6 Added mass of section 10

圖7 10站剖面阻尼系數Fig.7 Damping coefficient of section 10

由圖可見，該船型船體剖面粘性效應較明顯，隨著振蕩頻率的增加粘性計算阻尼系數結果比勢流計算結果逐漸增大，原因是粘性阻尼具有非線性特征，隨著振蕩頻率的增加以平方或更高次方增加。而附加質量屬于慣性力范疇與粘性無關，因此粘性計算結果與勢流計算結果相差不大。

2 船體首部水動力系數計算

對船體首部帶有組合附體部分 (2站之前）采用三維RANS方法計算不同頻率下船體附加質量和阻尼系數［7］，計算結果如圖8和圖9所示，其中二維計算結果為首部各二維剖面 (包括0.35站、0.5站、0.75站、1站、1.25站、1.5站、2站）水動力計算結果沿船長積分結果，自由液面示意圖如圖10所示。

對于沒有組合附體部分船體，由于其細長體特征明顯，三維效應不太明顯，因此采用二維RANS方法計算折角線位于水線面以下船體剖面 (即5～20站）不同頻率下各剖面水動力系數，圖11所示為9站和18站船體剖面附加質量和阻尼系數計算結果。

圖8 首部附加質量Fig.8 Added mass of bow

圖9 首部阻尼系數Fig.9 Damping coefficient of bow

圖10 船體自由液面示意圖Fig.10 Sketch of free surface on the body

圖11 水動力系數計算結果Fig.11 Calculated results of hydrodynamic coefficients

3 縱向運動預報

將船體水動力粘性修正系數與組合附體動升力修正系數代入船舶縱向運動方程求解即可得船體縱向運動響應，對應實船18 kn(Fr=0.26）、24 kn(Fr=0.35）和30 kn(Fr=0.44）迎浪升沉、縱搖及首部加速度運動響應預報結果如圖12～圖20所示，結果均已經過無因次化處理。下式為修正后的船舶縱向運動方程［8－9］:

式中:帶角標“*”者為水動力粘性修正系數;帶角標“f”的項為組合附體動升力修正項。

圖12 升沉響應 (Fr=0.26）Fig.12 Response of heave(Fr=0.26）

圖13 縱搖響應 (Fr=0.26）Fig.13 Response of pitch(Fr=0.26）

圖14 首部加速度響應 (Fr=0.26）Fig.14 Response of bow vertical acceleration(Fr=0.26）

圖15 24 kn升沉響應 (Fr=0.35）Fig.15 Response of heave(Fr=0.35）

圖16 24 kn縱搖響應 (Fr=0.35）Fig.16 Response of pitch(Fr=0.35）

圖17 24 kn首部加速度響應 (Fr=0.35）Fig.17 Response of bow vertical acceleration(Fr=0.35）

圖18 30 kn升沉響應 (Fr=0.44）Fig.18 Response of heave(Fr=0.44）

圖19 30 kn縱搖響應 (Fr=0.44）Fig.19 Response of pitch(Fr=0.44）

圖20 30 kn首部加速度響應 (Fr=0.44）Fig.20 Response of bow vertical acceleration(Fr=0.44）

從預報結果可以看出，采用粘性修正的切片法對該船型進行運動預報是可行的。中低速時預報結果與試驗值相比升沉響應比較接近，縱搖響應在高頻段較接近低頻段差異較大;高速時同樣是低頻段預報結果與試驗值差異較大，同時船體運動響應的中心頻率發(fā)生變化。

下面本文參考靜水阻力試驗結果對Fr=0.44時船體航行姿態(tài)進行修正，此時模型沉深增加11.4 mm，發(fā)生尾傾0.37°，由此對船體水動力及回復力進行修正［10］，修正后的預報結果如圖21～圖23所示。

圖21 升沉響應預報結果 (Fr=0.44）Fig.21 Prediction result of heave response(Fr=0.44）

圖22 縱搖響應預報結果 (Fr=0.44）Fig.22 Prediction result of pitch response(Fr=0.44）

圖23 30 kn首部加速度預報結果 (Fr=0.44）Fig.23 Bow vertical acceleration response(Fr=0.44）

由以上運動預報結果來看，考慮粘性與航態(tài)修正的預報結果與試驗值更接近，提高了預報精度。由此可見，本文采用的考慮粘性與航態(tài)修正的切片法可以提高傳統切片法的預報精度，特別是在高速時優(yōu)勢更加明顯，該方法可以用于新型單體復合船型的縱向運動預報。

4 結語

本文對自主研發(fā)的新型單體復合船型進行了水動力性能及運動預報方法研究，從理論與試驗兩方面對該船型的縱向運動性能進行研究。研究表明該船型在大幅運動時非線性特征較常規(guī)船型更加明顯。本文采用考慮粘性和航態(tài)修正的切片法對該船型進行縱向運動預報，通過與試驗值比較表明該方法可以用于新型單體復合船型的運動預報，但該方法對低頻段的預報精度較差，還需進一步研究提高預報精度。

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CAIXin-gong，LI Ji-de，LIU Ya-dong，et al.Prediction of motion of ships with built-up stabilizing appendage［J］.Journal of Hydrodynamics，2003，18(2）:145 －155.

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SUN Shu-zheng，LIJi-de，ZHAO Xiao-dong.Motion prediction of hybridmonohull considering viscous and bow up state effect［J］.Journal of Ship Mechanics，2009，13(2）:177 －183.

Research on hydrodynam ics of hybrid monohullwith intilted low-freeboard

SUN Shu-zheng1，2，MIAO Quan-ming1，LIJi-de2
(1.China Ship Scientific Research Center，Wuxi214082，China;2.College of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 15001，China）

The ship researched in this paper is a hybrid monohull based on some round-bilge ship using intilted low-freeboard，wave piercing bow，and longitudinal stability built-up appendage.In this paper，themotion predictionmethod of this new hybrid monohull is researched.RANSmethod is used to calculate the hydrodynamic coefficients.The longitudinalmotion performance of the ship is predicted，and the results of prediction and model test are analyzed in the paper.The results indicate that the method used in this paper can reflect the characters of the ship，and the precision of predictionmeets the engineering request.

intilted freeboard;hybrid monohull;motion prediction;viscous

U661.32

A

1672－7649(2014）05－0019－06

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.05.005

2013－01－08;

2013－05－31

國家自然科學基金資助項目(51209054）;國防課題基金資助項目(9140A14030811CB01）

孫樹政(1982－），男，博士，講師，從事船舶風浪環(huán)境適應性研究。