三体船横摇运动试验研究

刘宇辰任毅蔡新功王平

（1.哈尔滨工程大学船舶工程学院 哈尔滨 150001；2.七○八研究所 上海 200011）

三体船横摇运动试验研究

刘宇辰1，2任毅2蔡新功2王平2

（1.哈尔滨工程大学船舶工程学院 哈尔滨 150001；2.七○八研究所 上海 200011）

三体船；横摇；试验研究；运动性能

三体船的侧体对其周围的流场及其自身的耐波性能会产生复杂的影响，导致三体船横摇运动的纯理论计算比较困难。因此，采用耐波性模型试验（包括自由衰减试验、规则波及不规则波中的航行试验）考察侧体横向位置、舭龙骨的设置以及航速等因素对三体船横摇运动的影响，研究结论对相关专业设计人员具有较好的参考价值。

0 引言

近年来，三体船型引起了人们的广泛关注。军用方面，英国海军于2000年建成了长98.7m的三体试验舰“RV-Triton”号，并在该舰下水后进行了一系列实船试验。此后，美国海军提出濒海战斗舰计划，目前第一艘三体濒海战斗舰独立号已经建成并开始服役。民用方面，澳大利亚于2003年设计建造了长126m的三体高速客船“Benchijigua Express”号，该船营运于Canary群岛［1］。

三体船水下部分由中体和两个侧体共三个细长船体组成，两个侧体通过连接桥与中体连接成一体。中体为超细长的排水型船体，长宽比介于12~18之间，使得其在高速航行时可以显著降低兴波阻力，提高航速。大多高速三体船侧体的排水量占总排水量的10%以下，长度约占船舶总长的1/3，能够提供足够的稳性及较好的横摇性能。连接中体和侧体的连接桥还能保证足够的总纵强度，并且容易形成宽阔的甲板面积，方便布置。

横摇是船舶在波浪中最容易发生的运动形式，而且在各种摇荡运动中幅值最大。三体船的侧体对其周围的流场和其自身的耐波性能会产生复杂的影响，导致三体船横摇运动的纯理论计算比较困难，因此目前预报三体船横摇运动较为可靠的方法仍是模型试验。

1 试验模型及内容

1.1 试验模型

本文对小侧体高速三体船型开展了耐波性试验。实船总长73.0m、总宽15.5m、吃水2.85m、总排水量640 t，船模缩尺比为23.33。

1.2 试验内容

此次三体船型的横摇运动试验主要包括：

（1）侧体不同横向位置的自由衰减试验；

（2）侧体不同横向位置的零速横浪不规则波试验；

（3）不同舭龙骨设置方案的有航速自由衰减试验；

（4）规则波及不规则波中的航行试验。

2 试验结果

2.1 侧体不同横向位置的自由衰减试验

模型主体两侧加装舭龙骨，未安装其他附体。

如图1所示，侧体横向位置CL指侧体纵向中心线与主体纵向中心线间的横向距离；侧体纵向位置ST指侧体设计水线尾部与主体设计水线尾部的纵向距离。

图1 三体船侧体位置参数示意图

考虑到侧体纵向位置对三体船型的横向运动影响不大，因此试验中重点考察侧体不同横向位置对横摇运动阻尼的影响，此时ST=0 m，CL分别为6.5m、7.0m、7.5m三个方案。

在横摇初始阶段，横摇幅度较大，阻尼力矩中非线性特征较为显著［2］。为便于进行三种方案下阻尼系数的比较分析，对横摇角衰减至小幅的消灭曲线进行拟合，得到线性化阻尼系数，表示成无因次横摇阻尼系数2μφφ的形式［3］。

式中：ΔφA=φAn-φA（n+1）为相邻两次幅值之差；

φAm=为相邻两次幅值的平均值。

表1为零速静水自由横摇衰减试验三种方案试验结果的比较。

表1 侧体不同横向位置对阻尼系数、固有周期的影响

从表1可以看出，CL=7.0 m时的横摇固有周期和无因次横摇阻尼系数均略大于其他两个方案。整体上讲，由于三个方案侧体横向位置差别不是很大，试验结果表现出的差异也不是特别明显。但是值得注意的是，三体船型横向运动阻尼和横摇固有周期并非随着侧体相对主体横向间距的增大而单调增大，而是存在一个较优的位置。究其原因，应当是侧体横向位置对稳性及横摇附加转动惯量的综合影响所致，这为综合平衡三体船型稳性和横向运动的需求来确定侧体的横向位置提供了优化可能。

2.2 侧体不同横向位置的零速横浪不规则波试验

进一步测试上述三个方案在h1/3=2.0m、T1=6.8 s，零航速下的横摇角、垂荡、加速度有义值。试验采用的不规则波为ITTC双参数谱，即：

式中：ω为波浪频率；h1/3为有义波高；T1为谱心周期。

试验结果通过线性方法换算至实船。表2给出了三种方案下的横摇、垂荡和三点垂向加速度的试验结果，其中三个加速度测点分别位于主体重心位置及主体重心横向剖面与两个片体中心线的交点上，左舷侧体靠近来波方向。

从表2来看，CL=7.0m的横摇运动和垂向加速度均略小于其他两方案，而三个方案的垂荡运动则较为接近。

表2 侧体不同纵向位置对横摇、垂荡、垂向加速度的影响

2.3 不同舭龙骨设置方案的有航速自由衰减试验

为了考察舭龙骨对三体船横摇运动的影响，设置了三种试验方案：

（1）主体与侧体均不设置舭龙骨；

（2）侧体内侧设置舭龙骨，主体不设置舭龙骨；

（3）主体设置舭龙骨，侧体不设置舭龙骨。

其中安装在主体的舭龙骨长22m、宽0.5m；安装在侧体内侧的舭龙骨长17m、宽0.4m。

图2和图3分别为10 kn和18 kn航速时，不同舭龙骨设置方案在静水中横摇衰减情况的比较。

图2 10 kn航速不同方案在静水中的横摇衰减曲线

图3 18 kn航速不同方案在静水中的横摇衰减曲线

由图2和图3可以看出，该三体船主体两侧加装舭龙骨方案的横摇性能要优于舭龙骨设置于侧体内侧的方案以及不设置舭龙骨的方案。这可能是由于主体上加装的舭龙骨面积比侧体上的舭龙骨面积增大了约62%的缘故，同时，侧体内侧设置舭龙骨所产生的阻尼力的力臂也未必大于主体上设置的舭龙骨。需要注意的是，实际上三体船型侧体的线型非常瘦削，长度只有主体长度的1/3左右，结构也较为薄弱，能设置的舭龙骨尺寸不可能很大，因此，三体船型舭龙骨以设置在主体为宜。

将三体船横摇阻尼分为与横摇角速度成正比的线性项和与横摇角速度平方成正比的平方项两部分，此时静水中的横摇自由衰减方程为以下形式：

根据等效线性化原理，令：

则线性无因次衰减系数为：

等效线性化无因次衰减系数：

根据图2和图3的静水衰减曲线，可以得到线性项和平方项的横摇阻尼系数，并进一步计算得到等效线性化的阻尼系数。表3和表4是10 kn和18 kn航速下三个方案横摇阻尼系数的比较。

从表3和表4的比较结果来看，在10 kn和18 kn航速下，都是主体设置舭龙骨方案的阻尼系数最大，说明主体设置舭龙骨能够明显增大横摇阻尼，改善目标船的横摇性能。而侧体内侧设置舭龙骨方案的横摇阻尼相比不设置舭龙骨的方案略大，进一步说明了对于试验船来说，舭龙骨设置在侧体的内侧并不能明显改善横摇运动。

表3 10 kn航速不同方案的横摇阻尼系数

表4 18 kn航速不同方案的横摇阻尼系数

2.4 规则波及不规则波中的航行试验

图4为试验船在0 kn、10 kn、18 kn航速时，横浪规则波试验中横摇运动频率响应函数的比较。

表5列出了利用以上横摇频率响应函数推算得到的4~6级海况下横摇运动的预报值与4级、5级海况不规则波的模型试验值。同时，本文应用法国BV船级社基于三维线性势流理论开发的水动力分析软件Hydrostar对试验船的横摇运动进行了预报计算，其计算结果也列入了表中。

由图4和表5可以看出，该船在所考察的中低航速范围内、横浪情况下，航速对横摇有影响，但是影响并不明显。整体上讲，随着航速的增大，横摇阻尼增大、横摇幅值有减小的趋势。此外，通过比较也说明了采用三维线性势流理论计算低速三体船型的横摇运动是可行的。

图4 横浪横摇频率响应函数的比较

表5 横浪中横摇运动预报结果的比较

3 结语

通过对某小侧体三体船型的横摇试验分析，可以得到如下主要结论：

（1）三体船侧体的横向位置对其横摇性能有一定影响，但是，三体船型横向运动阻尼和横摇固有周期并非随着侧体横向间距的增大而单调增大，而是存在一个较优的位置；

（2）设置舭龙骨有助于改善三体船的横摇运动性能。对于试验船来说，主体设舭龙骨能明显增加横摇阻尼。侧体内侧设舭龙骨由于其作用力矩较小，对改善横摇运动方面的作用不明显；

（3）相同海况下，三体船的横摇幅值在无航速时最大。随着航速的增加，三体船周围的流场发生变化，横摇阻尼也会随之变化。整体上讲，横摇幅值会随着航速的增加而降低；

（4）利用基于三维线性势流理论的Hydrostar软件来预报低航速时三体船的横摇运动预报可行，其结果是偏于保守的。

［1］卢晓平，郦云，董祖舜.高速三体船研究综述［J］.海军工程大学学报，2005，17（2）:43-48.

［2］盛振邦，刘应中.船舶原理［M］.上海:上海交通大学出版社，2004.

［3］李培勇，冯铁城，裘泳铭.三体船横摇运动［J］.中国造船，2003，44（3）:25-30.

［4］李培勇，裘泳铭，顾敏童，王文富.超细长三体船耐波性试验研究［J］.海洋工程，2002，20（4）:1-10.

［5］姜宗玉，宗智，陈小波，等.三体船横摇运动性能三维数值研究［J］.水动力学研究与进展A辑，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

刘宇辰（1985-），男，汉族，硕士研究生，主要从事船舶总体设计工作。

任毅（1980-），男，汉族，工程师，主要从事船舶总体设计工作。

蔡新功（1974-），男，汉族，高级工程师，主要从事船舶总体性能研究工作。

王平（1968-），男，汉族，研究员，主要从事船舶总体设计工作。