多桨船附体对横摇运动的影响研究

王建方，王文全

（中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011）

多桨船附体对横摇运动的影响研究

王建方，王文全

（中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011）

多桨船一般会安装更多的附体，这些附体突出于裸船体表面，必将对耐波性能产生影响。以某一多桨船为研究对象，开展了船模在安装5个不同附体组合情况下多个航速的静水横摇自由衰减试验。通过对测试结果分析，获得了不同附体方案横摇阻尼系数的量化结果。并以此为数据输入，采用耐波性三维理论计算软件预报不规则波中该多桨船的运动响应，并选取横浪下的横摇运动，重点分析不同附体方案对多桨船横摇运动的影响。该研究可为多桨船耐波性线性理论预报中横摇阻尼系数的选取以及附体的初步设计提供技术参考。

多桨船；附体；耐波性；船模试验；横摇运动

0　引 言

一般来说，将裸船体外承担一定功能的附属体称为附体，如舭龙骨、轴包套、呆木、舵、轴支架、螺旋桨和减摇鳍等，这些附体有的是为改善运动性能加装的，如呆木、减摇鳍；有些是推进必需的，如螺旋桨，因此附体的加装各有侧重点［1］。在附体设计中，人们更多地关注加装附体对综合航行性能的影响，如快速性能［2］，或者是某个附体对某一性能的机理性影响［3］，比如呆木的加装更多地关注其对操纵性能的影响，而很少关注其对耐波性的影响。

船舶的耐波性能一直是人们关注的焦点之一。近百年来，造船设计师开拓创新，在摸索耐波性预报方法的同时，结合工程实际需求致力于解决各类耐波性问题，如不同船型的耐波性研究［4］、耐波性输入参数（包括重心位置、惯性矩等）的影响研究等。

目前，尽管许多耐波性理论预报方法渐趋成熟，但线性理论以其计算效率高、准确度可接受成为耐波性预报的首选方法之一。在线性理论预报中，横摇阻尼系数是影响多浪向下船舶横摇运动预报精度的要素之一，不同的船型其横摇阻尼系数各有差异［5］。一般情况下，初步计算时会采用一些通用的经验公式，但其精度有待考核，而工程应用中会较多地借助于船模试验。这对单桨船是如此，对多桨船的耐波性研究同样非常重要，特别是多桨船附体众多，其附体到底会对耐波性特别是横摇运动带来多大的影响，利用船模试验较系统地分析其影响范围及量值的研究目前相对较少，本文针对某一特定多桨船型，通过开展不同附体方案的横摇自由衰减试验，结合不规则波理论预报，为多桨船耐波性预报中横摇阻尼系数的确定提供技术参考。

1　多桨船模主尺度参数及附体方案

某多桨船模设计水线长3.63m，宽约0.47m，吃水约0.12m，排水量≈127kg，常规船型，4轴4桨推进，具有确定的重心高及惯性矩。其附体包括舭龙骨、轴包套、呆木、舵和轴支架等。

为了研究附体的影响效应，针对5个附体方案开展研究工作，附体方案见表1。

表1　附体方案

2　静水中横摇自由衰减试验

采用理论方法确定横摇阻尼系数尚有困难，最可靠的方法仍是由实船或船模试验确定。对表1的5个附体方案开展了4个航速（弗劳德数Fr=0，0.174，0.231，0.289）下的静水横摇自由衰减试验。其船模采用玻璃钢制成，有完整的甲板、船体外型以及相应的附体，如舭龙骨、呆木、轴支架、轴包套等。

通过船模横摇自由衰减试验，可获得各附体方案在不同航速下的横摇衰减曲线。由衰减曲线求得消灭曲线，从而求得消灭系数a与b；同时，通过衰减曲线还可求得横摇固有周期与转动惯量。其中，不同附体方案其消灭系数a与b的变化见图1。

图1的船模试验数值结果表明，在各种附体状态下，有航速时的消灭系数比零航速时要大幅增加。一般情况下，航速越高阻尼系数越大。在增加了舭龙骨后（方案2），船体的消灭系数相对于方案1会大幅增加，在低航速时，消灭系数a增加了约一倍，而消灭系数b增幅达数倍；在高航速时，消灭系数a增加了约50%，而消灭系数b增加了约3倍。在增加了舵后（方案3），与方案2相比，消灭系数a有所增加，但增幅并不明显；对于消灭系数b，低航速时方案3有所增加，而在高航速时有所减小。在增加了轴包套后（方案4和方案5），相对于方案3，消灭系数a略有下降，而消灭系数b略有增加，这些差异主要是轴包套和船体间产生的流体动力干扰造成的。通过综合考察各种附体对横摇阻尼的贡献，研究表明，舭龙骨的贡献是最大的，而轴包套长短所带来的影响相对较小。

图1　静水横摇阻尼消灭系数

3　不规则波中附体对横摇运动的影响分析

为进一步研究不同附体方案对横摇运动的影响，采用船级社开发的三维频域理论预报软件［6］，以船模试验获得的横摇阻尼系数为输入，开展了不规则波中实船（与船模的尺度比≈78）在不同附体方案下的横摇运动响应预报。为了简化问题，考虑到横浪下船舶一般具有相对较大的横摇运动，因此选择横浪作为典型工况。计算中不规则波采用ITTC双参数谱，并考虑了3个海况级别：四级、五级及六级，H1/3=2.5m、4.0m与6.0m，海浪特征周期分别对应为6.2s、6.8s与8.7s。不同附体方案相对方案2的横摇运动响应结果见表2。

由理论计算结果可知，由于不同附体方案其横摇阻尼系数各有差异，因此横摇运动响应也存在一定的变化。在四级、五级海况下各附体方案在同一航速下的差异相对较小，最大仅为1.7%。在六级海况下差异较显著，特别是方案1相比方案2增大约12.50% ～ 46.5%，对比船模试验中横摇阻尼系数的变化规律，很明显两者结果保持一致，因此在5种附体方案中，舭龙骨对横摇运动改善带来的贡献最大。

对于不同的轴包套方案，六级海况下短包套方案对改善横摇运动相对更有利，相比方案2在Fr=0.174时可改善约3%；而长包套方案在某些航速下反而加剧了横摇运动，如在六级海况、Fr=0.174时，相比方案2横摇运动增加约6.4%。

表2　不同附体方案的横摇运动比较

4　结 语

通过开展横摇自由衰减船模试验，结合横浪不规则波下的横摇响应运动的理论预报，以船模试验获得的横摇阻尼系数为输入，研究了不同附体方案对横摇阻尼以及横摇运动的影响，计算表明：

1） 在低海况（如四级、五级）下，不同附体方案对横摇的影响相对较小，低于2%。因此在多桨船耐波性预报时，若多桨船航行实际海况较小，则可以忽略附体对横摇的影响效应；在横摇阻尼系数确定时，可不考虑附体的影响。类似本文介绍的船型，其消灭系数a和b可取不同航速下方案1（加装呆木）的数值；

2） 在中高海况（如六级）下，不同附体方案对横摇的影响相对较大，在5个附体方案中舭龙骨加装带来的影响最为显著，最大情况可改善横摇50%左右，因此若多桨船航行实际海况较高，则理论预报时横摇阻尼系数取值建议考虑附体的影响，尤其是必须考虑舭龙骨的加装，否则将严重影响耐波性理论的预报精度。类似本文介绍的船型，其消灭系数a、b至少需采用方案2（加装舭龙骨）的数值；

3） 在中高海况（如六级）下，两种轴包套方案中方案4（加装短包套）更利于改善横摇运动，但改善幅值不大，最大约3%左右。因此在工程设计中，建议轴包套可按实际需求如轴系的安装、对阻力的影响等进行设计，在此基础上可考虑改变轴包套尺度以适度改善多桨船的耐波性能。

［1］ 沈海龙，蔡昊鹏，苏玉民. 肥大型船整流附体的性能研究［J］. 船舶力学，2012， 16 （4）： 359-367.

［2］ 冯 毅. 多桨船附体阻力的预报方法［J］. 船舶，2010， 21 （2）： 15-19.

［3］ 何德明，李远林. 船舶前置导流管流态的数值计算与分析［J］. 船舶工程，2004， 26 （4）： 22-25.

［4］ 许 勇，董文才. 一种高速双体船耐波性的快速预报方法［J］. 船舶力学，2014 （6）： 644-661.

［5］ 潘徐杰. 海洋工程辅助船横摇阻尼及舭部形状优化研究［J］. 船舶与海洋工程，2013， 29 （4）： 23-28.

［6］ 姜宗玉. 船舶在波浪线性运动的三维频域计算技术研究［D］. 大连：大连理工大学，2008.

Study on the Influence of Appendages of a M ulti-screw Ship on Roll M otions

WANG Jian-fang， WANG Wen-quan

（Marine Design & Research Institute of China， Shanghai 200011）

Multi-screw ships usually have more appendages which extrude outside the bare hull and inevitably influence the ship seakeeping performance. This study carries out free roll decay tests on a multi-screw ship w ith five different appendage combinations under different ship speeds in calm water， and obtains quantitative results of the roll damping coefficients corresponding to different appendage schemes by analyzing the test data. When these data are taken as input，the motion responses of the multi-screw ship in irregular waves could be predicted w ith a 3D seakeeping theoretical computation software， and the roll motions in beam waves could be selected to analyze the influence of each appendage scheme on ship roll motions. The study provides reference for the determ ination of roll damping coefficients of the multi-screw ship seakeeping prediction， as well as for the preliminary design of appendages.

multi-screw ship； appendage； seakeeping； model test； roll motion

U661.32

A

2095-4069 （2016） 02-0001-03

10.14056/j.cnki.naoe.2016.02.001

2015-06-01

王建方，女，高级工程师，1977年生。2005年毕业于哈尔滨工程大学流体力学专业，现从事船舶总体设计工作。