基于船模水池试验的船舶顺浪纯稳性损失计算扩展模式

李 东，石爱国，薛亚东，杨 波，张新宇，西文韬

(海军大连舰艇学院，辽宁 大连 116018)

基于船模水池试验的船舶顺浪纯稳性损失计算扩展模式

李 东，石爱国，薛亚东，杨 波，张新宇，西文韬

(海军大连舰艇学院，辽宁 大连 116018)

船舶顺浪航行的纯稳性损失研究，已成为国际航海界和国际海事组织（IMO）关注的课题之一。在Ю.И.涅查耶夫根据28艘渔船和运输船船模水池试验的船舶顺浪纯稳性损失计算方法的基础上，提出了扩展模式，扩大了其适用范围，并给出了大长宽比（船长/船宽）舰艇纯稳性损失的算例，同时实现了该扩展模式的程序化，生成了实用化的软件。最后通过与CFD试验方法和一般理论计算法所得结果的对比，验证了该扩展模式计算结果的可信度。

纯稳性损失；顺浪；扩展模式；船模水池试验

0 引 言

顺浪航行是船舶，尤其是中小型船舶大风浪中航行优选的航法，以其往往能减轻摇荡和动力响应的影响。然而，进一步的研究和海上实践表明，顺浪航行的船舶可能陷入纯稳性损失、参数横摇和骑浪/横甩等不利局面[1]。

所谓纯稳性损失，是指船舶顺浪航行时，由于船体较长时间处于水线面变化的状态，以及动水压力场变化等因素的作用，致使船舶静稳性降低的情况。当前，IMO正在制定船舶第2代完整稳性衡准[2]，“纯稳性损失”是完整稳性失效模式之一，是航海界、造船界密切关注的课题。

现有的纯稳性损失的研究一般采用以下2种方法：

1）水池试验法：优点是更加贴近海上实际；缺点是试验的次数、船型等受经费的约束较大[3 – 5]；

2）计算法：优点是适用性比较好，不受时空等限制；缺点是计算繁琐，至少要计算4个自由度的摇荡，并且所计算的水动力受到诸多约制，譬如傅汝德-克里洛夫（Frude-Krylov）力和斯密斯（Smith）效应，误差较大[6 – 8]。

针对以上情况，本文根据Ю.И.涅查耶夫[9]基于28艘渔船和运输船船模水池试验给出的顺浪航行纯稳性损失计算方法（以下简称涅法），提出切合实用需求的扩展模式。涅法的优势是描述了顺浪航行船舶船体和波浪间复杂的耦合作用，计算结果有较高的可信度；缺点是适用面太窄，难以用于水面舰艇及其他类型的船舶。扩展模式拓宽了涅法的适用范围，并且实现了该算法的程序化，生成了便捷的实用化软件。

本文最后借助CFD方法和一般的理论计算法[10]，验证了船舶顺浪航行纯稳性损失扩展模式计算结果的可信度。

1 涅法数模化

上述数模化之后的函数图象与原图基本重合，误差可以忽略。

按照上述方法最后只能得到6个固定角度的值，为了扩展这一局限性，本文用函数拟合的方法将最后的6个点扩展成1条曲线，可以求得60°以内的任意度数的值。

2 扩展适用范围

基于28艘渔船和运输船船模水池试验顺浪航行骑浪状态纯稳性损失计算法，其优势是计及了船体与水体之间复杂的耦合动态响应；它的不足之处是适用范围过窄，具体参数约束见表1。

表 1 某舰艇6个参数与试验规定标准船模的偏差Tab. 1 Deviation between a naval vessel and the standard ship model in six parameter

为拓宽其适用范围，使其适用于包括舰体细长、航速高的水面舰艇之类的船舶，本文提出了扩展算法，思路如下：

2）设每一参数对纯稳性损失的影响权重相同；

3）超过表1所述适用范围的船舶，其参数值如大于范围上限则扩展值为负值，小于下限则扩展值为正值。

扩展公式如下：

以某型舰为例，进行扩展计算。该舰与标准船模的差值见表1。

表1数据代入式（3）求得K为：

3 扩展至船舶顺浪航行任意状态

为使上述计算模式不仅适用于多类船舶顺浪航行骑浪状态的纯稳性损失计算，而且适用于非骑浪状态，本文参考有关文献[9]，提出适用于船舶顺浪航行任意航态纯稳性损失的扩展近似算法；

4 应用软件化

本文采用Qt语言对算法进行编程实现，最终生成软件的计算界面如图2所示。

该界面需要输入船型参数、波浪参数、傅汝德数以及横倾角等10个参数。参数输入之后选择“扩展模式”，再点“计算”按钮，程序就会按照扩展模式算法给出结果；如果不选“扩展模式”直接点“计算”程序就会按照原算法给出结果。最后的结果会直接显示在软件的“结果”对应的方框中。

程序内部的计算流程：

1）判断“扩展模式”是否被选择，若是，修正超范围参数后转步骤2；若否，且存在超范围参数则报输入错误并退出程序，参数皆符合范围则转步骤2；

2）根据涅查耶夫算法分别计算10°，20°，30°，40°，50°，60°对应的纯稳性损失，如果“扩展模式”被选中，则按照第2节的思路对这6个值进行修正，转步骤3；否则，直接转步骤3;

5 验证及结论

本文借助基于CFD的舰艇骑浪状态下纯稳性损失计算和一般的理论计算法的结果与涅法扩展模式进行对比，比较结果如图3所示。

从图中可以看出，扩展模式得到的结果与CFD法和计算法基本一致。CFD方法作为一种前沿的计算比较精确的方法，其结果已经基本可以达到与水池试验等效的程度，因此为进一步确认准确度，表2列出了扩展模式法和一般计算法跟CFD试验法的比对误差值。从中可以得出：扩展模式法更加接近CFD试验结果，其准确性得到证明。

通过分析对比可以看出，本文提出的扩展模式法能够适应细长舰艇的要求，并能够扩展到任意顺浪航行航态，计算简洁且精度较高，优于一般的纯计算的方法，为船舶顺浪纯稳性损失的计算提供了一种新的模式。

表 2 CFD试验、扩展模式法和计算法结果对比表Tab. 2 Comparison table of CFD test, extended mode method and calculation method

[ 1 ]中国船舶重工集团第七〇二研究所, 等. 工信部高技术船舶项目——船舶第二代完整稳性衡准技术研究建议书[R]. 中国船舶重工集团第七〇二研究所, 2012.

[ 2 ]顾民, 鲁江. 王志荣. IMO第二代完整稳性衡准评估技术进展综述[J]. 中国造船, 2014, 55(4): 185–193.GU Min, LU Jiang, WANG Zhi-rong. Review on the progress of IMO second generation of complete stability assessment techniques[J]. Shipbuilding of China, 2014, 55(4): 185–193.

[ 3 ]顾民, 王田华, 鲁江, 等. 波浪中纯稳性丧失试验和数值研究[C]// 第二十七届全国水动力学研讨会文集(下册), 2015.

[ 4 ]顾民, 鲁江, 兰波, 等. 波浪中船舶横摇复原力变化试验和数值研究[C]// 中国造船工程学会船舶力学学术委员会第八次全体会议文集, 2014.

[ 5 ]邱敏芝. 船舶随浪稳性与航行安全性研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2008.

[ 6 ]马坤, 甘鄂, 谢微. 船舶纯稳性丧失薄弱性衡准样船计算分析[J]. 中国造船, 2015, 56(S1): 193–200.MA Kun, GAN E, XIE Wei. Calculation and analysis of ship’s pure stability loss[J]. Shipbuilding of China, 2015, 56(S1):193–200.

[ 7 ]胡开业, 丁勇, 聂芳. 基于NURBS方法的船舶随浪航行纯稳性损失研究[J]. 中国造船, 2015(S1): 29–36.HU Kai-ye, DING Yong, NIE Fang. Study on pure stability loss of ship with wave navigation based on NURBS method[J].Shipbuilding of China, 2015(S1): 29–36.

[ 8 ]Proposed amendments to part B of the 2008 IS code to assess the vulnerability of ships to the pure loss of stability failure mode[R]. The Correspondence Group, IMO SDC_ISCG, 2014.

[ 9 ]A. H. 霍洛季夫, A. H. 什梅列夫. 船舶耐波性和在波浪上的稳定措施[M]. 北京: 国防工业出版社, 1980.

[10]黄衍顺, 林欣. 船舶在随浪中的稳性计算[C]// 第五届船舶耐波性学术讨论会论文集, 1991.

[11]李积德. 舰船耐波性[M]. 哈尔滨: 哈尔滨船舶工程学院出版社, 1992.

Extended model for calculation of the pure stability loss of ships in following waves based on ship model basin test

LI Dong, SHI Ai-guo, XUE Ya-dong, YANG Bo, ZHANG Xin-yu, XI Wen-tao
(Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China)

Research on pure loss of stability of ships sailing in following waves is becoming one of the subjects of international navigation and International Maritime Organization (IMO). Based on Ю.И. Nechaev’s method[1] of the calculation of pure stability loss of ships sailing in following waves according to ship model tank test of 28 fishing ships and transport shipsan extended model is proposed, which extends the scope of application of the original algorithm, and the example of ship with large ratio of length to width is given. Also the programming of the extended model is implementedand a practical software is generated. Finally, the reliability of the extended model is verified by comparing with the results obtained from the CFD test method and the general theoretical calculation method.

pure loss of stability；following waves；extended model；ship model basin test

U661.2+2

A

1672 – 7649(2017)09 – 0045 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.09.009

2016 – 10 – 10；

2016 – 11 – 02

李东(1990 – )，男，硕士研究生，主要从事舰船操纵与避碰研究。