韓春生，郭 京，焦甲龍，孫樹(shù)政

(1. 中國(guó)人民解放軍92941部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125000；2. 哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

實(shí)際海浪環(huán)境中艦船大尺度模型試驗(yàn)研究進(jìn)展

韓春生1，郭 京1，焦甲龍2，孫樹(shù)政2

(1. 中國(guó)人民解放軍92941部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125000；2. 哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

目前對(duì)艦船總體性能的研究主要是依靠數(shù)值計(jì)算、水池模型試驗(yàn)、實(shí)際海浪環(huán)境大尺度模型試驗(yàn)以及實(shí)船海試等方法，以上各種方法均有一定的適用范圍。實(shí)際海浪環(huán)境中艦船大尺度模型試驗(yàn)技術(shù)是采用適當(dāng)縮尺比的自航船模在自然水域環(huán)境中進(jìn)行的試驗(yàn)，可以研究艦船在開(kāi)闊海域自由航行狀態(tài)下的各項(xiàng)航行性能。分析各種艦船總體性能研究方法的優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)目前艦船總體性能理論與試驗(yàn)研究存在的問(wèn)題分析開(kāi)展艦船大尺度模型海上試驗(yàn)研究的必要性，綜述國(guó)內(nèi)外大尺度模型試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，最后針對(duì)該試驗(yàn)技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)及熱點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)與展望。

艦船試驗(yàn)技術(shù)；船舶水動(dòng)力學(xué)；大尺度模型試驗(yàn)；實(shí)際海浪

0 引 言

研究船舶快速性、耐波性、操縱性、波浪載荷等航行性能的途徑一般包括數(shù)值模擬技術(shù)和物理仿真試驗(yàn)技術(shù)。目前，解決流體動(dòng)力問(wèn)題的勢(shì)流理論、粘流理論以及相應(yīng)的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)已有相當(dāng)?shù)陌l(fā)展。且考慮流固耦合、自由面效應(yīng)以及高速移動(dòng)物面等強(qiáng)非線性因素的無(wú)網(wǎng)格法、粒子法、水彈性理論等新型理論技術(shù)也較好地解決了一些非線性水動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。然而對(duì)于艦船在大風(fēng)浪環(huán)境中的強(qiáng)非線性運(yùn)動(dòng)與載荷響應(yīng)問(wèn)題，尤其是對(duì)于艦船高航速下自由面條件問(wèn)題的處理，數(shù)值模擬技術(shù)尚未能很好解決其中的難題，且數(shù)值計(jì)算的復(fù)雜度隨著計(jì)算精度要求提高而迅速增加。因此，物理仿真試驗(yàn)在研究船舶水動(dòng)力學(xué)性能領(lǐng)域仍然起著重要的作用。

水池實(shí)驗(yàn)室模型試驗(yàn)技術(shù)長(zhǎng)期以來(lái)是世界造船領(lǐng)域中被廣泛采用的一種研究方法[1]。水池環(huán)境中的風(fēng)浪等參數(shù)可控，環(huán)境較為理想，這為模型試驗(yàn)的研究提供了穩(wěn)定可靠的平臺(tái)，因此使得水池試驗(yàn)具有可重復(fù)性的優(yōu)點(diǎn)，可以對(duì)理論方法進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)船舶科學(xué)技術(shù)研究具有重要意義。水池試驗(yàn)中波浪由造波機(jī)生成，然而造波機(jī)模擬波浪的能力有限，且長(zhǎng)形水池中所造波浪大多為單向的長(zhǎng)峰波浪。實(shí)際海浪是三維非線性波，是由風(fēng)和重力的共同作用產(chǎn)生的，且具有尖峰坦谷等非線性特征[2]。充分發(fā)展的海浪需要一定的時(shí)間和足夠的空間來(lái)完成能量的積累和方向的散布，波浪的這些特征在水池環(huán)境中很難模擬出來(lái)。因此水池試驗(yàn)中測(cè)得的模型響應(yīng)與數(shù)值仿真結(jié)果接近，而與實(shí)船差別較大，特別是對(duì)于強(qiáng)非線性動(dòng)力效應(yīng)的研究，如上浪、砰擊、波浪增阻等。

實(shí)船海上試驗(yàn)是獲取艦船真實(shí)響應(yīng)的最有效、直接的研究手段，但是實(shí)施實(shí)船海試并非易事[3]。以船型性能的優(yōu)化研究為例，對(duì)備選船型分別建造全尺度船開(kāi)展海上試驗(yàn)，以期達(dá)到優(yōu)選船型的目的，這在現(xiàn)實(shí)中不可能實(shí)現(xiàn)。實(shí)施實(shí)船試驗(yàn)所需投入的人力、物力、財(cái)力及所需的時(shí)間都是巨大的[4]。此外，對(duì)于船舶在風(fēng)浪環(huán)境中的試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，相當(dāng)一部分研究旨在確定船舶在惡劣海況、甚至極端海況中的響應(yīng)，例如船舶在 20 年一遇或百年一遇海浪中的響應(yīng)，這對(duì)于實(shí)船試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，很難遭遇到。即使遭遇到類(lèi)似海況，其試驗(yàn)過(guò)程具有很大危險(xiǎn)性，通常也很難達(dá)到預(yù)期的試驗(yàn)效果。

基于上述幾種研究方法存在的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外一些研究機(jī)構(gòu)提出了利用實(shí)際海浪環(huán)境開(kāi)展艦船大尺度自航模型試驗(yàn)的技術(shù)。該試驗(yàn)技術(shù)采用適當(dāng)縮尺比的自航船模在自然水域環(huán)境中開(kāi)展類(lèi)似實(shí)船的物理仿真試驗(yàn)，避開(kāi)了水池模型試驗(yàn)和實(shí)船海試中所存在的一些缺點(diǎn)，還綜合了兩者的部分優(yōu)點(diǎn)[5]，減小尺度效應(yīng)，試驗(yàn)環(huán)境更加真實(shí)，試驗(yàn)內(nèi)容不受水池尺寸與功能的限制，能夠更真實(shí)地反映出艦船在航行時(shí)的實(shí)際性能。

大尺度模型試驗(yàn)是指使用相對(duì)較大縮尺比模型在自然水域中開(kāi)展相關(guān)性能試驗(yàn)研究的試驗(yàn)技術(shù)。大尺度模型的尺度根據(jù)所要開(kāi)展的試驗(yàn)內(nèi)容及需求而定，試驗(yàn)通常在湖中或近海等具有開(kāi)闊水域的自然環(huán)境中進(jìn)行。通過(guò)開(kāi)展大尺度模型試驗(yàn)可將測(cè)量結(jié)果推算至實(shí)船，獲取更真實(shí)的艦船運(yùn)動(dòng)與載荷響應(yīng)。大尺度模型海上試驗(yàn)技術(shù)的主要特點(diǎn)包括以下方面：

1）試驗(yàn)是在開(kāi)闊的自然水域中進(jìn)行的，試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦\(yùn)動(dòng)完全自由，六自由度耦合運(yùn)動(dòng)與實(shí)船類(lèi)似，且航行距離、速度及方向等基本不受約束；

2）試驗(yàn)中模型所遭遇的波浪為真實(shí)三維海浪，是由風(fēng)和重力的共同作用而產(chǎn)生的短峰波浪，因而模型的非線性運(yùn)動(dòng)、載荷、砰擊和上浪等物理特征及響應(yīng)特性與實(shí)船更加接近；

3）試驗(yàn)通常采用遙控遙測(cè)自航模型，可將風(fēng)浪流的聯(lián)合作用綜合考慮，并能夠開(kāi)展大風(fēng)浪環(huán)境中的航行性能試驗(yàn)，是對(duì)實(shí)船大風(fēng)浪環(huán)境航行性能試驗(yàn)的很好的補(bǔ)充；

4）可開(kāi)展的試驗(yàn)內(nèi)容豐富，包括耐波性、操縱性、阻力與推進(jìn)性能、穩(wěn)性、抗沉性等，試驗(yàn)費(fèi)效比低。

1 國(guó)外研究與發(fā)展現(xiàn)狀

大尺度模型試驗(yàn)技術(shù)公開(kāi)發(fā)表的研究成果主要集中在美國(guó)、希臘和意大利等一些歐美國(guó)家。研究人員開(kāi)展的大尺度模型試驗(yàn)內(nèi)容較為廣泛，例如快速性、操縱性、耐波性、載荷、穩(wěn)性、水下爆炸等。下面將對(duì)國(guó)外幾個(gè)較典型的大尺度模型試驗(yàn)研究進(jìn)行總結(jié)分析。

美國(guó)海軍“朱姆沃爾特”級(jí)驅(qū)逐艦 DDG-1000 在其設(shè)計(jì)階段進(jìn)行了多次大尺度模型試驗(yàn)，分別采用不同縮尺比的大尺度模型對(duì)該艦的運(yùn)動(dòng)性能、結(jié)構(gòu)載荷及水下爆炸等進(jìn)行了一系列試驗(yàn)研究。DDG-1000 實(shí)船總長(zhǎng)為 183 m，排水量為 14 264 t。其大尺度模型縮尺比從 1/20，1/10 到 1/4，分別開(kāi)展運(yùn)動(dòng)性能、氣動(dòng)性能、隱身性能、結(jié)構(gòu)性能及綜合電力系統(tǒng)等，其中 1/4 模型空船重達(dá) 90 t以上，長(zhǎng)度達(dá) 45 m，如圖 1 所示，主要完成結(jié)構(gòu)沖擊載荷及綜合電力系統(tǒng)的測(cè)試。美國(guó)海軍并不局限于研究大尺度船模的水動(dòng)力學(xué)性能，還基于該模型進(jìn)行了一系列軍事演練，研究了人為因素對(duì)于海戰(zhàn)勝敗的影響。

希臘 Grigoropoulos（2004）等在遮蔽海域中進(jìn)行了某艦船的耐波性試驗(yàn)，測(cè)量模型響應(yīng)的同時(shí)還用方向型浪高儀測(cè)量了海浪的頻譜及方向分布。模型采用電力推進(jìn)，為人工遙控，如圖 2 所示。模型上配備了發(fā)電機(jī)組來(lái)提供推進(jìn)的動(dòng)力，采用 2 臺(tái)電機(jī)分別帶動(dòng) 2部槳軸轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)改變電機(jī)的輸入電壓以實(shí)現(xiàn)航速改變，且采集系統(tǒng)會(huì)記錄實(shí)時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速和控制電壓。采用先進(jìn)的衛(wèi)星定位設(shè)備來(lái)記錄模型的航行軌跡和速度。軸系布置了測(cè)量轉(zhuǎn)矩的法蘭裝置對(duì)槳軸上的扭矩進(jìn)行測(cè)量并記錄。六自由度運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)主要由 7 個(gè)捷聯(lián)式加速度計(jì)組成，通過(guò)求解非線性方程組可以得到船舶六自由度運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。此外，還在螺旋槳周?chē)贾昧宋⑿⌒蛿z像機(jī)用來(lái)研究螺旋槳性能。

意大利 Coraddu（2013）等在靜水湖泊中開(kāi)展了大尺度模型操縱性試驗(yàn)，旨在研究某雙槳船的非對(duì)稱(chēng)推進(jìn)性能。研究人員主要開(kāi)展了回轉(zhuǎn)圓運(yùn)動(dòng)、Z 折線10/10 和 20/20 和螺旋線等操縱性試驗(yàn)項(xiàng)目。采用的試驗(yàn)?zāi)Ｐ烷L(zhǎng)為 7.2 m，長(zhǎng)寬比 7.5，船寬與吃水比 3.25，如圖 3 所示。通過(guò)模擬實(shí)船的軸系布置并在軸系上布置力學(xué)傳感器以測(cè)量軸系的非對(duì)稱(chēng)性能。模型的每個(gè)槳軸均由1臺(tái)無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，每個(gè)槳軸還連有減速箱。對(duì)于開(kāi)展操縱性試驗(yàn)，在每個(gè)槳軸上配有測(cè)力計(jì)以測(cè)量螺旋槳軸系的扭矩和推力。模型上還裝備了GPS，IMU 等設(shè)備以測(cè)量模型航態(tài)信息。試驗(yàn)在意大利的一個(gè)火山湖中進(jìn)行，該湖由于長(zhǎng)期水位平靜且湖面寬闊，適合做靜水中的操縱性和快速性試驗(yàn)。

意大利 Fossati（2015）等針對(duì) 1 艘游艇進(jìn)行了全尺度模型設(shè)計(jì)，測(cè)量了游艇在海中航行時(shí)的運(yùn)動(dòng)與載荷（波浪載荷與風(fēng)載荷）。文中詳細(xì)介紹了其團(tuán)隊(duì)在游艇設(shè)計(jì)、建造與實(shí)施試驗(yàn)等方面的關(guān)鍵技術(shù)。該全尺度游艇總長(zhǎng) 9.99 m（根據(jù)意大利法律規(guī)定 10 m 以上的船舶出海航行需要經(jīng)政府審批）。游艇主要由殼體、鋼骨架、甲板和風(fēng)帆組成，如圖 4 所示。試驗(yàn)主要采用以下儀器設(shè)備：力傳感器（單向測(cè)力單元測(cè)量骨架上典型節(jié)點(diǎn)所受的力）、運(yùn)動(dòng)測(cè)量設(shè)備（測(cè)量x，y，z 三個(gè)方向的加速度、角度和磁場(chǎng)強(qiáng)度）、GPS航態(tài)測(cè)量裝置（測(cè)量風(fēng)速和方向、船速、航向角）和風(fēng)帆測(cè)量裝置（風(fēng)帆形狀及其壓力分布）。

2 國(guó)內(nèi)研究與發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)海軍工程大學(xué)、大連海事大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)等高校及多家研究機(jī)構(gòu)近年來(lái)也開(kāi)展了多項(xiàng)大尺度船模在自然環(huán)境中的物理仿真試驗(yàn)研究。其中一部分工作是在自然水域環(huán)境中開(kāi)展的潛艇、潛器等大尺度模型試驗(yàn)；另一部分工作為在自然環(huán)境中針對(duì)水面艦船開(kāi)展的大尺度模型試驗(yàn)。本文主要介紹水面艦船試驗(yàn)研究工作，主要包括快速性、操縱性、耐波性、波浪載荷等性能的試驗(yàn)，其中快速性、操縱性試驗(yàn)主要是在平靜水域中完成的。

哈爾濱工程大學(xué)自 2006 年以來(lái)開(kāi)展實(shí)際海浪環(huán)境下大尺度模型試驗(yàn)研究，在“十一五”期間建立了一套海上大尺度船模遙控遙測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)并提出了相應(yīng)海上測(cè)試方案。該項(xiàng)目中采用了圓舭型和深 V 型單體復(fù)合船，建造了 2 個(gè)總長(zhǎng)約 7 m（縮尺比 1:19）的自航模型，模型水線長(zhǎng) 6.6 m，型寬約 0.75 m，吃水約 0.22 m，排水量約 490 kg，模型如圖 5 所示。

2006–2008 年期間，在哈爾濱某靜水湖泊中對(duì)模型開(kāi)展了一系列遙控遙測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試與調(diào)試工作。2007 年在葫蘆島的近海海域開(kāi)展了圓舭船模型的耐波性試驗(yàn)。2009 年在大連小平島海域針對(duì)圓舭型和深 V型 2 個(gè)模型開(kāi)展了耐波性試驗(yàn)研究[16]。通過(guò)這一系列大尺度模型試驗(yàn)，完善和改進(jìn)了大尺度模型遙控遙測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)和耐波性試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)，同時(shí)也對(duì) 2 種船型耐波性能進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。將相同船型的大尺度模型試驗(yàn)和水池小尺度模型的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，分析了大尺度模型在三維海浪中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)與船模水池不規(guī)則波試驗(yàn)中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的差異。

基于之前開(kāi)展的整體模型耐波性試驗(yàn)的基礎(chǔ)，哈爾濱工程大學(xué)于 2014–2015 年期間開(kāi)展了 2 個(gè)大尺度分段船模的波浪載荷試驗(yàn)。兩模型如圖 6 所示，其中圖 6（a）所示的模型主要是針對(duì)運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行測(cè)量，所以只將模型分成兩段并在船中剖面測(cè)量垂向和水平彎矩。該模型采用的縮尺比為 1:15，總長(zhǎng)約 12 m，排水量約 4 t。圖 6（b）所示的模型主要針對(duì)波浪載荷性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，該模型的縮尺比為 1:25，總長(zhǎng)約12.5 m，排水量約 4.5 t。該模型在第 2，4，6，8，10和 12 站共 6 個(gè)剖面將模型切開(kāi)將其分成 7 段，并在切口剖面測(cè)量模型的剖面載荷，尾部空間用來(lái)布置推進(jìn)裝置[18–19]。針對(duì)該模型，開(kāi)展了縮尺比為 1:50 的水池模型試驗(yàn)。兩模型除比尺不同外，船體結(jié)構(gòu)和傳感器布置完全相同，兩模型如圖 7 所示。其中大尺度模型在近海實(shí)際海浪環(huán)境中開(kāi)展試驗(yàn)，小尺度模型在水池實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)峰波中開(kāi)展相應(yīng)工況試驗(yàn)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究。

3 研究?jī)?nèi)容及方向展望

盡管我國(guó)在大尺度模型試驗(yàn)研究方面取得了一些成果，但是該技術(shù)中仍存在一些需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。為了研究大尺度船舶模型在自然海浪中的水動(dòng)力學(xué)性能，充分了解和掌握試驗(yàn)區(qū)域的海況信息是必要的。此外，為建立穩(wěn)定可靠的海上試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，還需進(jìn)一步完善大尺度模型試驗(yàn)的測(cè)試方案設(shè)計(jì)、測(cè)試系統(tǒng)以及試驗(yàn)實(shí)施方案的優(yōu)化。再者，需要針對(duì)大尺度模型試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)開(kāi)展專(zhuān)門(mén)的數(shù)據(jù)分析技術(shù)研究。將大尺度模型試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容推廣到快速性、操縱性、穩(wěn)性、抗沉性等方面，并基于測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)艦船風(fēng)浪環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行綜合評(píng)估（見(jiàn)圖8）。本文對(duì)大尺度模型試驗(yàn)未來(lái)的發(fā)展方向展望如下：

1）進(jìn)一步研究和掌握近海試驗(yàn)海域風(fēng)浪環(huán)境的規(guī)律特征。對(duì)試驗(yàn)海域的固定區(qū)域（約 10 km × 10 km）進(jìn)行風(fēng)浪環(huán)境的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)所建立的海浪信息數(shù)據(jù)庫(kù)分析，掌握風(fēng)浪等環(huán)境信息規(guī)律，為開(kāi)展船舶在不同風(fēng)浪條件下的試驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。

2）完善試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)及系統(tǒng)。提高模型控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)及無(wú)線通信系統(tǒng)的可靠度，特別是在大風(fēng)浪環(huán)境中的系統(tǒng)可靠性，保證試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠。

3）深入研究并制定試驗(yàn)實(shí)施方案。根據(jù)船舶穩(wěn)性、快速性、操縱性、耐波性、波浪載荷、生命力等不同試驗(yàn)項(xiàng)目，開(kāi)展各項(xiàng)試驗(yàn)的大尺度模型試驗(yàn)實(shí)施方案研究，制定科學(xué)的試驗(yàn)測(cè)試方法和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，形成可靠的試驗(yàn)規(guī)程。

4 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)際海浪環(huán)境大尺度自航模型試驗(yàn)技術(shù)是船舶綜合航行性能研究的一條新的途徑，本文通過(guò)總結(jié)分析該試驗(yàn)技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，得到以下結(jié)論：

1）實(shí)際海浪環(huán)境大尺度模型試驗(yàn)技術(shù)在國(guó)外新研制船型及高性能船型的綜合航行性能評(píng)估中發(fā)揮了重要作用，是對(duì)現(xiàn)有理論與試驗(yàn)研究體系很好的補(bǔ)充；

2）大尺度模型試驗(yàn)技術(shù)使艦船性能在更真實(shí)的試驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)于深入研究我國(guó)現(xiàn)有高技術(shù)艦船的實(shí)戰(zhàn)環(huán)境適應(yīng)性，指導(dǎo)新船型的設(shè)計(jì)和性能評(píng)估具有重要意義。

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Review of large-scale model ship tests under actual sea conditions

HAN Chun-sheng1, GUO Jing1, JIAO Jia-long2, SUN Shu-zheng2
(1. No. 92941 Unit of PLA, Huludao 125000, China; 2. College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

For the integrated performance of ships, the traditional investigations for ship hydrodynamics are carried out by numerical simulation, scaled model towing tank test, large-scale model test in real environment and real ship sea trial. A new testing approach is to perform tests at real sea by using property ratio large scale model to research the navigation performances of ships. Firstly, characteristics of numerical simulation, tank model test and real ship sea trial are introduced in this paper. Large-scale model testing method is proposed based on the conventional methods. Then large-scale model testing techniques both overseas and domestic are reviewed. Finally, an overview of the current testing technique and its future development directions is undertaken.

ship experimental technique；ship hydrodynamics；large-scale model test；actual sea waves

U661.73

A

1672–7619(2017)05–0001–05

10.3404/j.issn.1672–7619.2017.05.001

2017–01–15

韓春生(1963–)，男，高級(jí)工程師，主要從事水面靶標(biāo)總體研究。