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        新型海上風(fēng)電維護(hù)船的橫搖運動分析

        2014-07-31 20:30:48董能超朱佳歡余洋喆
        江蘇船舶 2014年3期
        關(guān)鍵詞:減幅雙體船靜水

        董能超,陳 悅,朱佳歡,余洋喆

        (江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江212003)

        新型海上風(fēng)電維護(hù)船的橫搖運動分析

        董能超,陳 悅,朱佳歡,余洋喆

        (江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江212003)

        以從事海上風(fēng)電場維護(hù)的某新型雙體船的船模為試驗對象,考慮維護(hù)船工作海域一般為近海,選取較小傾角進(jìn)行靜水橫搖衰減試驗,得出船模隨時間變化而變化的六自由度數(shù)值及衰減曲線。通過求取減幅曲線和阻尼系數(shù)以及船模的橫搖周期,對比普通相似船的經(jīng)驗數(shù)值,得到該雙體船在靜水橫搖方面優(yōu)良性良,也體現(xiàn)了船型設(shè)計的合理性,為以后海上風(fēng)電維護(hù)船的船型設(shè)計提供一些參考。

        風(fēng)能;雙體船;橫搖;船模試驗

        0 引言

        由于海上風(fēng)電場主要集中在近海,因此海上風(fēng)電場的維護(hù)船應(yīng)具有快速性、可操作性和耐波性等優(yōu)點,而雙體船能較好的滿足上述要求。

        對于快速性和耐波性有較高要求的雙體船,通常采用穿浪型雙體船和小水線面型雙體船。所謂小水線面雙體船,是由潛沒在水中的魚類狀下體、高于水面的平臺(上體)和穿越水面連接上下體的支柱三部分組成。其優(yōu)點是水線面面積小,受波浪干擾力較小,具有優(yōu)越的耐波性;穿浪型雙體船是從高速雙體船發(fā)展而來,具有良好的適航性。

        作為海上風(fēng)電場的維護(hù)船,如采用小水線面型雙體船,則艙室設(shè)備布置困難;如采用穿浪型雙體船,建造難度大、造價高。為此,考慮維護(hù)船性能需要,擬采用長球首球尾船型。

        1 雙體維護(hù)船的實驗?zāi)P秃蛯嶒瀮?nèi)容

        雙體船水動力分析的方法主要有數(shù)值模擬和模型試驗2種,本文采用模型試驗法進(jìn)行分析。

        1.1 實驗?zāi)P?/p>

        本次實驗選用按照設(shè)計圖紙制作的一艘新型雙體船作為實驗?zāi)P?,實體圖如圖1所示。

        其主尺度參數(shù):

        船長

        2.10 m

        垂線間長

        1.90 m

        型寬

        0.78 m

        型深

        0.21 m

        設(shè)計吃水

        0.11 m

        片體寬度

        0.21 m

        中心距離

        0.57 m

        方形系數(shù)

        0.4

        圖1 新型雙體船的實體模型

        1.2 實驗內(nèi)容

        實驗內(nèi)容為新型海上風(fēng)電場維護(hù)船(新型雙體船)的靜水橫搖實驗。

        (1)船模放入水中添加壓載使船模吃水達(dá)到設(shè)計吃水。

        (2)將船模放在遠(yuǎn)離岸壁的水池中,對橫蕩、縱蕩和首搖加以約束。

        (3)擺放好實驗設(shè)備,將傳感器固定在船模上,調(diào)整設(shè)備視角和軟件初始坐標(biāo)。

        (4)船模初始角度7°,記錄實驗數(shù)據(jù)。

        2 數(shù)據(jù)處理

        船模橫傾初始角為7°,減幅曲線為曲線,故不能按線性關(guān)系處理。

        假定船模初始傾角為ΦA(chǔ)0進(jìn)行自由橫搖,第n次橫搖幅值為ΦA(chǔ)n,相隔半個周期下一個幅值為ΦA(chǔ)(n+1),則相鄰二次幅值差為:

        ΔΦA(chǔ)=ΦA(chǔ)n-ΦA(chǔ)(n+1)

        (1)

        相鄰二次的平均幅值為:

        ΦA(chǔ)m=0.5(ΦA(chǔ)n+ΦA(chǔ)(n+1))

        (2)

        以ΦA(chǔ)m為橫坐標(biāo),ΔΦA(chǔ)為縱坐標(biāo)即可繪制出減幅曲線。

        設(shè)衰減關(guān)系目標(biāo)函數(shù)為:

        (3)

        式中:m、n為衰減次數(shù);a、b為線性回歸系數(shù)。

        用最小二乘回歸分析法求得,衰減系數(shù)μ可表示為:

        (4)

        3 實驗結(jié)果及分析

        3.1 減幅曲線

        根據(jù)實驗所得船模的衰減曲線用excel表格法繪制出船模的減幅曲線,如圖2所示。由衰減曲線可以算出船模橫搖周期TΦ=1.05 s。

        圖2 實驗所得衰減曲線

        由衰減曲線量取峰值點值,計算繪制減幅曲線。半個周期的幅值平均值及最小幅值見表1,減幅曲線如圖3所示。表1中,ΦA(chǔ)i和ΦA(chǔ)(i+1)分別是半個周期中的第1和第2個峰值,ΦA(chǔ)m為半個周期幅值的平均值,ΔΦ為半個周期中的第2個峰值。

        3.2 衰減系數(shù)

        應(yīng)用最小二乘回歸法求出a和b。因X坐標(biāo)取與計算值重合坐標(biāo),誤差主要來自Y,方程

        (5)

        表1 半個周期的幅值平均值及最小幅值計算

        圖3 減幅曲線

        對a和b分別求偏導(dǎo)數(shù),并令其等于零, 從而解得:

        a=0.065,b=0.018 2。

        ΦA(chǔ)m=8.425,對應(yīng)衰減系數(shù)μ=0.069。

        無因次衰減系數(shù)μ是表征橫搖性能重要參數(shù),自由橫搖的衰減隨衰減系數(shù)的增大而加快,且船舶在規(guī)則波中的頻率響應(yīng)函數(shù)會越小。從實驗數(shù)據(jù)處理得出,本船衰減系數(shù)在初始角為7°時達(dá)到0.069,比已發(fā)表資料中表明的無舭龍骨船的0.035~0.05高出至少38%,充分表明了該新型雙體維護(hù)船在橫搖性能方面的優(yōu)良性。

        4 結(jié)論

        通過對某海上風(fēng)電維護(hù)船的船模進(jìn)行靜水橫搖試驗,選取初始角為7°,得到了船模自由衰減的曲線,并利用所得到的衰減曲線計算得出船模的減幅曲線和衰減系數(shù)。對比現(xiàn)有發(fā)表的資料船的衰減系數(shù),得出了這種新型雙體船在橫搖方面具有的優(yōu)良性,從而為類似船型設(shè)計提供一些參考。

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        [3] 鄭明.兩型最新的小水線面雙體船[J].國防工業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)信息,1999,(8):16-20.

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        2013-11-27

        董能超(1991-),男,本科,主要從事船舶與海洋結(jié)構(gòu)物性能研究;陳悅(1979-),女,講師,主要從事船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計制造;朱佳歡(1992-),男,本科,船舶與海洋工程專業(yè);余洋喆(1992-),女,本科,船舶與海洋工程專業(yè)。

        U661.73

        A

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