劉宇辰任毅蔡新功王平

（1.哈爾濱工程大學船舶工程學院 哈爾濱 150001；2.七○八研究所 上海 200011）

三體船橫搖運動試驗研究

劉宇辰1，2任毅2蔡新功2王平2

（1.哈爾濱工程大學船舶工程學院 哈爾濱 150001；2.七○八研究所 上海 200011）

三體船；橫搖；試驗研究；運動性能

三體船的側體對其周圍的流場及其自身的耐波性能會產(chǎn)生復雜的影響，導致三體船橫搖運動的純理論計算比較困難。因此，采用耐波性模型試驗（包括自由衰減試驗、規(guī)則波及不規(guī)則波中的航行試驗）考察側體橫向位置、舭龍骨的設置以及航速等因素對三體船橫搖運動的影響，研究結論對相關專業(yè)設計人員具有較好的參考價值。

0 引言

近年來，三體船型引起了人們的廣泛關注。軍用方面，英國海軍于2000年建成了長98.7m的三體試驗艦“RV-Triton”號，并在該艦下水后進行了一系列實船試驗。此后，美國海軍提出瀕海戰(zhàn)斗艦計劃，目前第一艘三體瀕海戰(zhàn)斗艦獨立號已經(jīng)建成并開始服役。民用方面，澳大利亞于2003年設計建造了長126m的三體高速客船“Benchijigua Express”號，該船營運于Canary群島［1］。

三體船水下部分由中體和兩個側體共三個細長船體組成，兩個側體通過連接橋與中體連接成一體。中體為超細長的排水型船體，長寬比介于12~18之間，使得其在高速航行時可以顯著降低興波阻力，提高航速。大多高速三體船側體的排水量占總排水量的10%以下，長度約占船舶總長的1/3，能夠提供足夠的穩(wěn)性及較好的橫搖性能。連接中體和側體的連接橋還能保證足夠的總縱強度，并且容易形成寬闊的甲板面積，方便布置。

橫搖是船舶在波浪中最容易發(fā)生的運動形式，而且在各種搖蕩運動中幅值最大。三體船的側體對其周圍的流場和其自身的耐波性能會產(chǎn)生復雜的影響，導致三體船橫搖運動的純理論計算比較困難，因此目前預報三體船橫搖運動較為可靠的方法仍是模型試驗。

1 試驗模型及內容

1.1 試驗模型

本文對小側體高速三體船型開展了耐波性試驗。實船總長73.0m、總寬15.5m、吃水2.85m、總排水量640 t，船?？s尺比為23.33。

1.2 試驗內容

此次三體船型的橫搖運動試驗主要包括：

（1）側體不同橫向位置的自由衰減試驗；

（2）側體不同橫向位置的零速橫浪不規(guī)則波試驗；

（3）不同舭龍骨設置方案的有航速自由衰減試驗；

（4）規(guī)則波及不規(guī)則波中的航行試驗。

2 試驗結果

2.1 側體不同橫向位置的自由衰減試驗

模型主體兩側加裝舭龍骨，未安裝其他附體。

如圖1所示，側體橫向位置CL指側體縱向中心線與主體縱向中心線間的橫向距離；側體縱向位置ST指側體設計水線尾部與主體設計水線尾部的縱向距離。

圖1 三體船側體位置參數(shù)示意圖

考慮到側體縱向位置對三體船型的橫向運動影響不大，因此試驗中重點考察側體不同橫向位置對橫搖運動阻尼的影響，此時ST=0 m，CL分別為6.5m、7.0m、7.5m三個方案。

在橫搖初始階段，橫搖幅度較大，阻尼力矩中非線性特征較為顯著［2］。為便于進行三種方案下阻尼系數(shù)的比較分析，對橫搖角衰減至小幅的消滅曲線進行擬合，得到線性化阻尼系數(shù)，表示成無因次橫搖阻尼系數(shù)2μφφ的形式［3］。

式中：ΔφA=φAn-φA（n+1）為相鄰兩次幅值之差；

φAm=為相鄰兩次幅值的平均值。

表1為零速靜水自由橫搖衰減試驗三種方案試驗結果的比較。

表1 側體不同橫向位置對阻尼系數(shù)、固有周期的影響

從表1可以看出，CL=7.0 m時的橫搖固有周期和無因次橫搖阻尼系數(shù)均略大于其他兩個方案。整體上講，由于三個方案側體橫向位置差別不是很大，試驗結果表現(xiàn)出的差異也不是特別明顯。但是值得注意的是，三體船型橫向運動阻尼和橫搖固有周期并非隨著側體相對主體橫向間距的增大而單調增大，而是存在一個較優(yōu)的位置。究其原因，應當是側體橫向位置對穩(wěn)性及橫搖附加轉動慣量的綜合影響所致，這為綜合平衡三體船型穩(wěn)性和橫向運動的需求來確定側體的橫向位置提供了優(yōu)化可能。

2.2 側體不同橫向位置的零速橫浪不規(guī)則波試驗

進一步測試上述三個方案在h1/3=2.0m、T1=6.8 s，零航速下的橫搖角、垂蕩、加速度有義值。試驗采用的不規(guī)則波為ITTC雙參數(shù)譜，即：

式中：ω為波浪頻率；h1/3為有義波高；T1為譜心周期。

試驗結果通過線性方法換算至實船。表2給出了三種方案下的橫搖、垂蕩和三點垂向加速度的試驗結果，其中三個加速度測點分別位于主體重心位置及主體重心橫向剖面與兩個片體中心線的交點上，左舷側體靠近來波方向。

從表2來看，CL=7.0m的橫搖運動和垂向加速度均略小于其他兩方案，而三個方案的垂蕩運動則較為接近。

表2 側體不同縱向位置對橫搖、垂蕩、垂向加速度的影響

2.3 不同舭龍骨設置方案的有航速自由衰減試驗

為了考察舭龍骨對三體船橫搖運動的影響，設置了三種試驗方案：

（1）主體與側體均不設置舭龍骨；

（2）側體內側設置舭龍骨，主體不設置舭龍骨；

（3）主體設置舭龍骨，側體不設置舭龍骨。

其中安裝在主體的舭龍骨長22m、寬0.5m；安裝在側體內側的舭龍骨長17m、寬0.4m。

圖2和圖3分別為10 kn和18 kn航速時，不同舭龍骨設置方案在靜水中橫搖衰減情況的比較。

圖2 10 kn航速不同方案在靜水中的橫搖衰減曲線

圖3 18 kn航速不同方案在靜水中的橫搖衰減曲線

由圖2和圖3可以看出，該三體船主體兩側加裝舭龍骨方案的橫搖性能要優(yōu)于舭龍骨設置于側體內側的方案以及不設置舭龍骨的方案。這可能是由于主體上加裝的舭龍骨面積比側體上的舭龍骨面積增大了約62%的緣故，同時，側體內側設置舭龍骨所產(chǎn)生的阻尼力的力臂也未必大于主體上設置的舭龍骨。需要注意的是，實際上三體船型側體的線型非常瘦削，長度只有主體長度的1/3左右，結構也較為薄弱，能設置的舭龍骨尺寸不可能很大，因此，三體船型舭龍骨以設置在主體為宜。

將三體船橫搖阻尼分為與橫搖角速度成正比的線性項和與橫搖角速度平方成正比的平方項兩部分，此時靜水中的橫搖自由衰減方程為以下形式：

根據(jù)等效線性化原理，令：

則線性無因次衰減系數(shù)為：

等效線性化無因次衰減系數(shù)：

根據(jù)圖2和圖3的靜水衰減曲線，可以得到線性項和平方項的橫搖阻尼系數(shù)，并進一步計算得到等效線性化的阻尼系數(shù)。表3和表4是10 kn和18 kn航速下三個方案橫搖阻尼系數(shù)的比較。

從表3和表4的比較結果來看，在10 kn和18 kn航速下，都是主體設置舭龍骨方案的阻尼系數(shù)最大，說明主體設置舭龍骨能夠明顯增大橫搖阻尼，改善目標船的橫搖性能。而側體內側設置舭龍骨方案的橫搖阻尼相比不設置舭龍骨的方案略大，進一步說明了對于試驗船來說，舭龍骨設置在側體的內側并不能明顯改善橫搖運動。

表3 10 kn航速不同方案的橫搖阻尼系數(shù)

表4 18 kn航速不同方案的橫搖阻尼系數(shù)

2.4 規(guī)則波及不規(guī)則波中的航行試驗

圖4為試驗船在0 kn、10 kn、18 kn航速時，橫浪規(guī)則波試驗中橫搖運動頻率響應函數(shù)的比較。

表5列出了利用以上橫搖頻率響應函數(shù)推算得到的4~6級海況下橫搖運動的預報值與4級、5級海況不規(guī)則波的模型試驗值。同時，本文應用法國BV船級社基于三維線性勢流理論開發(fā)的水動力分析軟件Hydrostar對試驗船的橫搖運動進行了預報計算，其計算結果也列入了表中。

由圖4和表5可以看出，該船在所考察的中低航速范圍內、橫浪情況下，航速對橫搖有影響，但是影響并不明顯。整體上講，隨著航速的增大，橫搖阻尼增大、橫搖幅值有減小的趨勢。此外，通過比較也說明了采用三維線性勢流理論計算低速三體船型的橫搖運動是可行的。

圖4 橫浪橫搖頻率響應函數(shù)的比較

表5 橫浪中橫搖運動預報結果的比較

3 結語

通過對某小側體三體船型的橫搖試驗分析，可以得到如下主要結論：

（1）三體船側體的橫向位置對其橫搖性能有一定影響，但是，三體船型橫向運動阻尼和橫搖固有周期并非隨著側體橫向間距的增大而單調增大，而是存在一個較優(yōu)的位置；

（2）設置舭龍骨有助于改善三體船的橫搖運動性能。對于試驗船來說，主體設舭龍骨能明顯增加橫搖阻尼。側體內側設舭龍骨由于其作用力矩較小，對改善橫搖運動方面的作用不明顯；

（3）相同海況下，三體船的橫搖幅值在無航速時最大。隨著航速的增加，三體船周圍的流場發(fā)生變化，橫搖阻尼也會隨之變化。整體上講，橫搖幅值會隨著航速的增加而降低；

（4）利用基于三維線性勢流理論的Hydrostar軟件來預報低航速時三體船的橫搖運動預報可行，其結果是偏于保守的。

［1］盧曉平，酈云，董祖舜.高速三體船研究綜述［J］.海軍工程大學學報，2005，17（2）:43-48.

［2］盛振邦，劉應中.船舶原理［M］.上海:上海交通大學出版社，2004.

［3］李培勇，馮鐵城，裘泳銘.三體船橫搖運動［J］.中國造船，2003，44（3）:25-30.

［4］李培勇，裘泳銘，顧敏童，王文富.超細長三體船耐波性試驗研究［J］.海洋工程，2002，20（4）:1-10.

［5］姜宗玉，宗智，陳小波，等.三體船橫搖運動性能三維數(shù)值研究［J］.水動力學研究與進展A輯，2009，24（4）:527-534.

Experimental research on trimaran rolling

Liu Yu-chen Ren Yi Cai Xin-gong Wang Ping

trimaran；rolling；test research；sea keeping and maneuvering behavior

As the trimaran’s side hull has complicated influence on fluid field all around and on sea keeping behavior of itself，the rationalistic calculation on trimaran rolling is hard to make.Therefore，it is advisable to apply the sea keeping model test（including free-attenuation test，sea trial both in regular wave and irregular wave）to investigate the influence of transverse position，bilge keel location and ship speed on trimaran rolling.The conclusion could be reference for designers.

U661.32

A

1001-9855（2011）02-0020-04

2010-12-17

劉宇辰（1985-），男，漢族，碩士研究生，主要從事船舶總體設計工作。

任毅（1980-），男，漢族，工程師，主要從事船舶總體設計工作。

蔡新功（1974-），男，漢族，高級工程師，主要從事船舶總體性能研究工作。

王平（1968-），男，漢族，研究員，主要從事船舶總體設計工作。