内倾干舷单体复合船型运动预报

孙树政，缪泉明，李积德

(1.中国船舶科学研究中心，江苏无锡 214082;

2哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨 150001）

内倾干舷单体复合船型运动预报

孙树政1，2，缪泉明1，李积德2

(1.中国船舶科学研究中心，江苏无锡 214082;

2哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨 150001）

本文所研究的船型是以某圆舭船型为母型，采用低内倾干舷和后倾穿浪首设计，应用减纵向运动组合附体技术生成的新型单体复合船型。本文对该新型单体复合船型开展运动预报研究，应用RANS方法计算船体水动力系数，研究该船型水动力特性。对该船型进行纵向运动性能预报，将预报结果与模型试验结果进行对比分析。结果表明，本文采用的预报方法能够反映出内倾干舷单体复合船型的水动力特征，预报精度达到工程精度要求。

内倾干舷;单体复合船型;运动预报;粘性

0 引言

为应对未来信息化海战及海军编队作战需求，舰船环境适应性得到各海军强国的普遍重视，其中尤以美国的DDX船型为代表。该船型突出的性能和技术特点是优良的隐身功能，一体化上层建筑，且采用了倒V形隐身船型，其雷达反射信号仅为现役驱逐舰的1/64，采用电力推进，其噪声将比现役舰船小得多。研究表明单体复合船型在保持快速性与常规圆舭船型相当的前提下耐波性得到大幅提升［1－5］。本文参考该船型隐身构型设计，应用减纵摇组合附体技术，开发新型单体复合船型，针对该船型的特殊构型研究该船型的水动力特性，并根据水动力计算结果对该船型进行纵向运动性能预报。

1 剖面水动力特性

新型内倾干舷单体复合船型剖面与常规船型有所不同，为达到良好的隐身性能，其水线以上部分采用内倾设计，图1所示为内倾干舷船型与常规船型横剖面示意图。

图1 横剖面示意图Fig.1 Sketch of the sections

根据新型单体复合船型剖面的水动力特性，计算8站处剖面作微幅振荡与大幅振荡时的垂荡力。计算结果如图2所示，自由液面示意图如图3所示。

图2 8站剖面计算结果Fig.2 Calculated results of section 8

图3 自由液面示意图Fig.3 Sketch of free-surface

图4 1站剖面附加质量Fig.4 Added mass of section 1

图5 1站剖面阻尼系数Fig.5 Damping coefficient of section 1

图6 10站剖面附加质量Fig.6 Added mass of section 10

图7 10站剖面阻尼系数Fig.7 Damping coefficient of section 10

由图可见，该船型船体剖面粘性效应较明显，随着振荡频率的增加粘性计算阻尼系数结果比势流计算结果逐渐增大，原因是粘性阻尼具有非线性特征，随着振荡频率的增加以平方或更高次方增加。而附加质量属于惯性力范畴与粘性无关，因此粘性计算结果与势流计算结果相差不大。

2 船体首部水动力系数计算

对船体首部带有组合附体部分 (2站之前）采用三维RANS方法计算不同频率下船体附加质量和阻尼系数［7］，计算结果如图8和图9所示，其中二维计算结果为首部各二维剖面 (包括0.35站、0.5站、0.75站、1站、1.25站、1.5站、2站）水动力计算结果沿船长积分结果，自由液面示意图如图10所示。

对于没有组合附体部分船体，由于其细长体特征明显，三维效应不太明显，因此采用二维RANS方法计算折角线位于水线面以下船体剖面 (即5～20站）不同频率下各剖面水动力系数，图11所示为9站和18站船体剖面附加质量和阻尼系数计算结果。

图8 首部附加质量Fig.8 Added mass of bow

图9 首部阻尼系数Fig.9 Damping coefficient of bow

图10 船体自由液面示意图Fig.10 Sketch of free surface on the body

图11 水动力系数计算结果Fig.11 Calculated results of hydrodynamic coefficients

3 纵向运动预报

将船体水动力粘性修正系数与组合附体动升力修正系数代入船舶纵向运动方程求解即可得船体纵向运动响应，对应实船18 kn(Fr=0.26）、24 kn(Fr=0.35）和30 kn(Fr=0.44）迎浪升沉、纵摇及首部加速度运动响应预报结果如图12～图20所示，结果均已经过无因次化处理。下式为修正后的船舶纵向运动方程［8－9］:

式中:带角标“*”者为水动力粘性修正系数;带角标“f”的项为组合附体动升力修正项。

图12 升沉响应 (Fr=0.26）Fig.12 Response of heave(Fr=0.26）

图13 纵摇响应 (Fr=0.26）Fig.13 Response of pitch(Fr=0.26）

图14 首部加速度响应 (Fr=0.26）Fig.14 Response of bow vertical acceleration(Fr=0.26）

图15 24 kn升沉响应 (Fr=0.35）Fig.15 Response of heave(Fr=0.35）

图16 24 kn纵摇响应 (Fr=0.35）Fig.16 Response of pitch(Fr=0.35）

图17 24 kn首部加速度响应 (Fr=0.35）Fig.17 Response of bow vertical acceleration(Fr=0.35）

图18 30 kn升沉响应 (Fr=0.44）Fig.18 Response of heave(Fr=0.44）

图19 30 kn纵摇响应 (Fr=0.44）Fig.19 Response of pitch(Fr=0.44）

图20 30 kn首部加速度响应 (Fr=0.44）Fig.20 Response of bow vertical acceleration(Fr=0.44）

从预报结果可以看出，采用粘性修正的切片法对该船型进行运动预报是可行的。中低速时预报结果与试验值相比升沉响应比较接近，纵摇响应在高频段较接近低频段差异较大;高速时同样是低频段预报结果与试验值差异较大，同时船体运动响应的中心频率发生变化。

下面本文参考静水阻力试验结果对Fr=0.44时船体航行姿态进行修正，此时模型沉深增加11.4 mm，发生尾倾0.37°，由此对船体水动力及回复力进行修正［10］，修正后的预报结果如图21～图23所示。

图21 升沉响应预报结果 (Fr=0.44）Fig.21 Prediction result of heave response(Fr=0.44）

图22 纵摇响应预报结果 (Fr=0.44）Fig.22 Prediction result of pitch response(Fr=0.44）

图23 30 kn首部加速度预报结果 (Fr=0.44）Fig.23 Bow vertical acceleration response(Fr=0.44）

由以上运动预报结果来看，考虑粘性与航态修正的预报结果与试验值更接近，提高了预报精度。由此可见，本文采用的考虑粘性与航态修正的切片法可以提高传统切片法的预报精度，特别是在高速时优势更加明显，该方法可以用于新型单体复合船型的纵向运动预报。

4 结语

本文对自主研发的新型单体复合船型进行了水动力性能及运动预报方法研究，从理论与试验两方面对该船型的纵向运动性能进行研究。研究表明该船型在大幅运动时非线性特征较常规船型更加明显。本文采用考虑粘性和航态修正的切片法对该船型进行纵向运动预报，通过与试验值比较表明该方法可以用于新型单体复合船型的运动预报，但该方法对低频段的预报精度较差，还需进一步研究提高预报精度。

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Research on hydrodynam ics of hybrid monohullwith intilted low-freeboard

SUN Shu-zheng1，2，MIAO Quan-ming1，LIJi-de2
(1.China Ship Scientific Research Center，Wuxi214082，China;2.College of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 15001，China）

The ship researched in this paper is a hybrid monohull based on some round-bilge ship using intilted low-freeboard，wave piercing bow，and longitudinal stability built-up appendage.In this paper，themotion predictionmethod of this new hybrid monohull is researched.RANSmethod is used to calculate the hydrodynamic coefficients.The longitudinalmotion performance of the ship is predicted，and the results of prediction and model test are analyzed in the paper.The results indicate that the method used in this paper can reflect the characters of the ship，and the precision of predictionmeets the engineering request.

intilted freeboard;hybrid monohull;motion prediction;viscous

U661.32

A

1672－7649(2014）05－0019－06

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.05.005

2013－01－08;

2013－05－31

国家自然科学基金资助项目(51209054）;国防课题基金资助项目(9140A14030811CB01）

孙树政(1982－），男，博士，讲师，从事船舶风浪环境适应性研究。