, ,

(1.高速水動(dòng)力航空科學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 荊門 448035;2.中國特種飛行器研究所,湖北 荊門 448035)

Visual Studio是美國微軟公司的開發(fā)工具包系列產(chǎn)品,它具有基本完整的開發(fā)工具集,所寫的目標(biāo)代碼適用于微軟支持的所有平臺(tái)[1]。

船舶耐波性是船舶在波浪中運(yùn)動(dòng)特性的統(tǒng)稱,它包括船舶在波浪中所產(chǎn)生的各種搖蕩運(yùn)動(dòng)以及由這些運(yùn)動(dòng)引起的砰擊、飛濺、上浪、失速、螺旋槳飛車和波浪彎矩變化等。船舶在任意時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)可以分解為O-xyz坐標(biāo)系內(nèi)船舶重心沿3個(gè)坐標(biāo)軸的直線運(yùn)動(dòng)及船體繞3個(gè)坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。這些運(yùn)動(dòng)又分為單向運(yùn)動(dòng)和往復(fù)運(yùn)動(dòng),因此共有12種運(yùn)動(dòng)形式。船舶搖蕩運(yùn)動(dòng)中橫搖、縱搖和垂蕩對(duì)船舶航行影響最大,是船舶搖蕩運(yùn)動(dòng)研究的主要內(nèi)容。遭遇浪向在左右舷之間0°～15°時(shí)稱為順浪,遭遇浪向在左右舷之間165°～180°時(shí)稱為頂浪。順浪和頂浪統(tǒng)稱為縱向?qū)?縱向?qū)酥饕a(chǎn)生縱向運(yùn)動(dòng),它包括縱搖、縱蕩和垂蕩。遭遇浪向在左右舷之間75°～105°時(shí)稱為橫浪,橫浪主要產(chǎn)生橫向運(yùn)動(dòng),它包括橫搖、艏搖和橫蕩。遭遇浪向在左右舷之間15°～75°時(shí)稱為尾斜浪,遭遇浪向在左右舷之間105°～165°時(shí)稱為首斜浪。尾斜浪和首斜浪既產(chǎn)生縱向運(yùn)動(dòng),又產(chǎn)生橫向運(yùn)動(dòng)。為了預(yù)報(bào)實(shí)船在海浪上的性能,必須對(duì)海浪進(jìn)行研究。波面可以用簡(jiǎn)單函數(shù)表達(dá)的波浪稱為規(guī)則波。規(guī)則波不僅能近似表示涌,還是研究不規(guī)則波的基礎(chǔ)[2]。

本文基于規(guī)則波的波面進(jìn)行耐波性預(yù)報(bào)[3-4]。在拖曳水池對(duì)船模進(jìn)行拖曳,通過船模試驗(yàn)測(cè)得船模耐波性數(shù)據(jù),再根據(jù)船模與實(shí)船之間的換算關(guān)系式得到實(shí)船耐波性數(shù)據(jù)。通過本文提出的耐波性預(yù)報(bào)系統(tǒng)可以直接由船模數(shù)據(jù)得到實(shí)船數(shù)據(jù),為船舶試驗(yàn)設(shè)計(jì)專用軟件的開發(fā)及應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)預(yù)報(bào)模型[1]

1.1 遭遇頻率

設(shè)船以航速v在規(guī)則波(波長為λ,速度為c)中航行,船的航向與波浪傳播方向夾角為β,如圖1所示。

圖1 船在規(guī)則波中的航行示意圖Fig.1 Sketch map of ship moving in regular wave

波浪作用于船的遭遇周期

(1)

遭遇頻率

(2)

無因次頻率換算公式為

(3)

式中:ω為頻率;L為垂線間長;g為重力加速度。根據(jù)式(1)和式(2)可得出船舶的遭遇頻率。

1.2 頻率響應(yīng)函數(shù)

船舶的耐波性預(yù)報(bào)主要對(duì)平均阻力增量、角度雙幅值、升沉雙幅值、艏部加速度雙幅值、舯部加速度雙幅值和艉部加速度雙幅值等進(jìn)行分析,因此首先必須得出它們的頻率響應(yīng)函數(shù)。在波浪作用下船體的動(dòng)態(tài)特征可以用頻率范圍內(nèi)的頻率響應(yīng)法來描述。船舶的頻率響應(yīng)函數(shù)

(4)

1.3 譜密度函數(shù)

規(guī)則波中的船舶研究是不規(guī)則波中船舶研究的基礎(chǔ)。除了船舶的無因次頻率響應(yīng)函數(shù)曲線,還要根據(jù)船舶航區(qū)的特點(diǎn)和氣象條件確定航區(qū)的三一波高和譜心周期,進(jìn)而計(jì)算出相應(yīng)的譜密度函數(shù),最終才能對(duì)實(shí)船耐波性進(jìn)行預(yù)報(bào)。

第十一屆國際船模水池會(huì)議(ITTC)和國際船舶結(jié)構(gòu)會(huì)議(ISSC)先后推薦雙參數(shù)波譜,它的一般形式為

(5)

式中:ξωβ為三一平均波高;T1為譜心周期。

雙參數(shù)波譜不僅適用于充分發(fā)展的海浪,還適用于成長中的海浪或含有涌浪成分的海浪。

當(dāng)船舶以某一航速在規(guī)則波中航行時(shí),波浪對(duì)船舶的擾動(dòng)力頻率為ωe,因此作為輸入的波浪譜密度應(yīng)以擾動(dòng)力頻率ωe表示,而不是以自然頻率ω表示。以不同頻率表示譜密度時(shí),遭遇譜下面的總面積與原來波譜下面的總面積應(yīng)相等,也就是譜密度曲線下的微面積所代表的能量并未發(fā)生變化,因此存在以下關(guān)系:

Sξ(ωe)dωe=Sξ(ω)dω

(6)

由式(6)求導(dǎo)可得

(7)

1.4 譜距

對(duì)于線性系統(tǒng),不規(guī)則波的隨機(jī)擾動(dòng)輸入和輸出均為譜密度函數(shù),輸出的譜密度等于輸入的譜密度乘以頻率響應(yīng)幅值算子,其對(duì)應(yīng)關(guān)系為

Sy(ω)=Sξ(ω)|Yyξ(ω)|

(8)

譜密度對(duì)原點(diǎn)的n階距表示譜密度對(duì)原點(diǎn)的分布情況,其表示形式為

(9)

式中:n=0,2,4,…;mn為譜距。

2 系統(tǒng)分析[5-7]

2.1 耐波性預(yù)報(bào)系統(tǒng)分析

實(shí)踐發(fā)現(xiàn),在進(jìn)行船模拖曳試驗(yàn)時(shí),可以采用規(guī)則波模型試驗(yàn)并通過譜分析方法對(duì)實(shí)船進(jìn)行耐波性預(yù)報(bào)。因?yàn)橐?guī)則波不僅能近似表示涌,還是研究不規(guī)則波的基礎(chǔ)。在實(shí)船耐波性預(yù)報(bào)中,通常使用已測(cè)得的波高資料,并選用某一理論分布進(jìn)行擬合,以便達(dá)到外延的目的。利用譜分析法預(yù)報(bào)實(shí)船在不規(guī)則波中的性能,需要對(duì)航行海區(qū)的海浪譜密度進(jìn)行估算。實(shí)測(cè)一個(gè)海區(qū)的海浪譜是相當(dāng)麻煩的工作,因此海洋工作者和造船工作者根據(jù)大量的海上觀測(cè)和理論工作得到了各種海浪譜的表達(dá)式。本文耐波性預(yù)報(bào)系統(tǒng)采用的是ITTC提出的波譜公式。

2.2 系統(tǒng)任務(wù)需求分析

一般情況下耐波性預(yù)報(bào)系統(tǒng)的主要任務(wù)是:根據(jù)船模在水中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律來建立數(shù)學(xué)模型,然后利用船模在水中拖曳的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)船的耐波性進(jìn)行預(yù)報(bào)。傳統(tǒng)的實(shí)船預(yù)報(bào)過程采用Excel進(jìn)行實(shí)船預(yù)報(bào),預(yù)報(bào)過程復(fù)雜,每次試驗(yàn)都要建立計(jì)算公式,并且多次重復(fù)計(jì)算同一個(gè)公式,界面繁瑣,預(yù)報(bào)過程麻煩、易出錯(cuò)。本文系統(tǒng)立足于簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)人員的操作過程,提高設(shè)計(jì)效率,降低出錯(cuò)率,縮短耐波性預(yù)報(bào)周期。

2.3 系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

針對(duì)工程計(jì)算問題提出可視化輸入輸出的程序化設(shè)計(jì)思路,初始界面如圖2所示。讀取的文件是txt格式,如圖3所示。輸出界面如圖4所示,保存的文件是txt格式。

圖2 耐波性預(yù)報(bào)系統(tǒng)的初始界面Fig.2 Initial interface of sea-keeping forecasting system

在圖4的輸出界面中,計(jì)算輸出的值有平均阻力、角度雙幅值、升沉雙幅值、艏部加速度雙幅值、舯部加速度雙幅值、艉部加速度雙幅值。在界面截圖時(shí),由于滾動(dòng)條只能位于一側(cè),因此其余地方看不到。

圖3 耐波性預(yù)報(bào)系統(tǒng)的讀取文件Fig.3 Read file of sea-keeping forecasting system

圖4 耐波性預(yù)報(bào)系統(tǒng)的輸出界面Fig.4 Output interface of sea-keeping forecasting system

在保存文件中,保存的是符號(hào)說明、輸入變量、計(jì)算結(jié)果。其中,計(jì)算結(jié)果包括平均阻力、角度雙幅值、升沉雙幅值、艏部加速度雙幅值、舯部加速度雙幅值、艉部加速度雙幅值。

(1)系統(tǒng)功能分析

預(yù)報(bào)系統(tǒng)設(shè)置的界面為默認(rèn)初始環(huán)境,因此只需輸入測(cè)得的船模試驗(yàn)數(shù)據(jù),點(diǎn)擊計(jì)算按鈕,預(yù)報(bào)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)輸出并保存實(shí)船的耐波性預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。計(jì)算程序均為Windows系統(tǒng)可執(zhí)行程序,滿足推廣應(yīng)用的要求。

(2)實(shí)例驗(yàn)證

本文分別利用規(guī)則波180°遭遇角與90°遭遇角對(duì)耐波性預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)式(1)～(6)計(jì)算得到的結(jié)果與系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,誤差均在0.3%以內(nèi)。如平均阻力的譜密度公式計(jì)算值為0.004 589 387 734 221 46,耐波性預(yù)報(bào)系統(tǒng)計(jì)算值為0.004 6。

誤差來源如下所示:

(1)水的質(zhì)量密度。譜密度公式使用的數(shù)據(jù)為淡水質(zhì)量密度998.1 kg·m-3,海水質(zhì)量密度1 024.7 kg·m-3;耐波性預(yù)報(bào)系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)為淡水質(zhì)量密度998.144 kg·m-3,海水質(zhì)量密度1 024.742 kg·m-3。預(yù)報(bào)系統(tǒng)是根據(jù)第十屆ITTC給出的數(shù)據(jù)來擬合的溫度與密度、溫度與黏性系數(shù)的方程。

(2) 圓周率。圓周率譜密度公式計(jì)算值為3.141 592 653 589 79,耐波性預(yù)報(bào)系統(tǒng)計(jì)算值為3.141 592 654。

(3)輸出位數(shù)。系統(tǒng)設(shè)置的保存位數(shù)是4位小數(shù),而譜密度公式計(jì)算值保留位數(shù)隨機(jī)。

3 結(jié)論

本文分析了實(shí)船耐波性預(yù)報(bào)的一般需求,提出了實(shí)船耐波性預(yù)報(bào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路與系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)。本文的耐波性預(yù)報(bào)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):

(1)針對(duì)工程計(jì)算問題提出可視化輸入輸出的程序化設(shè)計(jì)思路。

(2)提高工作效率,降低出錯(cuò)率,縮短產(chǎn)品研制周期。

(3)計(jì)算的程序均為Windows系統(tǒng)可執(zhí)行程序,滿足推廣應(yīng)用要求。

(4)減少了實(shí)船耐波性預(yù)報(bào)時(shí)間,簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)人員的操作過程,提高了設(shè)計(jì)效率。

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