月池水动力特性及其对船舶运动的影响研究

邹 康，桂满海，罗 良

（上海船舶研究设计院，上海 201203）

月池水动力特性及其对船舶运动的影响研究

邹 康，桂满海，罗 良

（上海船舶研究设计院，上海 201203）

针对某深水多功能水下工程船，运用模型试验方法开展月池的水动力特性及其对船舶运动的影响研究。研究结果表明，该船的月池对外界波浪具有较好的屏蔽作用，月池内波面相对升高与船外相比明显降低，但其对船舶运动的影响有限。此外，从月池内波面相对升高的响应谱来看，月池内水体的振荡具有明显的双峰特性，而月池自激振荡对月池内相对波面升高的影响非常显著。从能量的角度对自激振荡的影响程度进行定量分析，研究成果有助于定量分析月池的振荡特性并为该类月池的设计提供参考。

月池；水动力特性；船舶运动；模型试验

0 引 言

对于大多数水下作业工程船而言，为便于开展水下作业及保护相关作业设备和人员的安全，往往会在船体上开设若干个月池。设计合理的月池通常能有效屏蔽外部波浪的作用，降低月池内波面的相对运动，使作业设备和人员出入水更加安全。月池内水体的运动一般有活塞运动和晃荡运动2种形式，其中：活塞运动在月池深度方向上进行；晃荡运动在月池水平方向上[1]进行，通常在水平尺寸较大的长月池中较为显著。月池运动的固有频率主要受船舶吃水、月池尺寸及阻尼等因素的影响。

目前，研究月池水动力特性的方法主要有模型试验、理论研究和数值计算等。

1) 在模型试验方面：FUKDA[1]通过试验研究月池内流体的运动方式，同时将试验与理论相结合提出一个计算月池垂向活塞运动固有频率的经验公式，该公式至今仍被广泛采用；KAWABE等[2]基于模型试验和理论方法研究钻井船在波浪条件下的月池内波面升高，通过在月池壁面上引入人工阻尼来考虑黏性阻尼的影响，计算结果与模型试验结果的吻合度较好；VEER等[3]采用模型试验方法研究月池对阻力的影响，指出晃荡运动对月池阻力的影响程度与活塞运动相同；姚熊亮等[4]研究不同来流下月池内的振荡特性，指出月池内部同时存在月池固有振荡和流体动力振荡。

2) 在理论研究方面：FALTINSEN[5]通过将月池内的流体活塞运动简化为一维振荡系统，得到月池流体活塞运动固有周期计算公式，表明该固有周期与吃水相关；MOLIN[6]基于势流理论推导二维月池和三维月池内活塞运动的固有频率。

3) 在数值计算方面：CHEN[7]基于三维势流理论求解设有月池船舶的水动力及运动问题，并通过在月池内自由面条件中引入耗散项来考虑流动的耗散性；ALSGAARD[8]通过基于RANS方程的计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法研究二维月池内的活塞运动，并将其与模型试验相比较，二者的吻合度较好；孙采微等[9]基于CFD方法进行设有月池船舶的运动计算。

这里针对某深水多功能水下工程船，通过模型试验开展月池的水动力特性及其对船舶运动的影响研究，并从能量的角度对自激振荡的影响程度进行定量分析。研究成果有助于定量分析月池的振荡特性并为此类月池的设计提供参考。

1 研究对象

研究对象为某深水多功能水下工程船。该船垂线间长、船宽及吃水分别为152m，32m和8.5m；船舯前后共设置有3个月池（包括1个工作月池和2个潜水月池）；月池内四周双层底以上均设置有孔型格栅结构（见图1）。工作月池格栅所围尺寸为8.4m×7.0m，钢围壁所围尺寸为11.2m×9.8m；潜水月池格栅所围尺寸为4.2m×4.3m，钢围壁所围尺寸为5.6m×6.3m。

模型试验在零航速及不规则波条件下进行，有义波高为3.0m（有义波幅为1.5m），谱峰周期为11.0s，波浪谱形式为JONSWAP谱，γ值取3.3。试验测量月池全开和关闭状态下船舶的运动及月池内波面的相对升高。图2～图4分别为横浪模型试验、工作月池模型和潜水月池模型。

图1 月池布置示意

图2 横浪模型试验

图3 工作月池模型

图4 潜水月池模型

2 试验结果与分析

2.1 月池对船舶运动的影响分析

图5～图7分别为不同浪向下月池开启和关闭状态下的垂荡、纵摇及横摇运动响应单幅有义值模型试验结果比较，其中横坐标为浪向。从图5～图7中可看出：就本船而言，月池对垂荡运动和纵摇运动的影响较小，在月池开启和关闭状态下垂荡与纵摇运动的差别均＜3%；月池对横摇运动的影响略大，在月池开启状态下横摇值有所增大，横浪90°时最大，约增加10%，原因可能是在船舶重心高度不变、月池开启状态下同时改变了船舶的初稳性高和横摇惯量值，继而改变了横摇特性；但总体上就本船来说，月池的存在对船舶运动的影响非常有限。

2.2 月池对外界波浪的屏蔽作用分析

图8为工作月池内相对波面升高响应的单幅有义值，其中横坐标为浪向。从图8中可看出：月池内波面升高的最大值发生在随浪和艉斜浪处，约0.95m：最小值发生在艏斜浪处，约0.75m；而外界波浪的有义波幅为1.5m。由此可见，该工作月池对外界波浪的屏蔽作用明显，波面运动幅度减少量最大达50%左右。

图6 纵摇运动响应单幅有义值对比

图5 垂荡运动响应单幅有义值对比

图7 横摇运动响应单幅有义值对比

图8 工作月池内相对波面升高响应的单幅有义值

2.3 月池内相对波面升高运动时历分析

为研究月池内波面运动特性和频率成分，对月池内相对波面升高运动时历进行谱分析。图9～图11分别为不同浪向下工作月池和左/右舷潜水月池内相对波面升高的响应谱。从图9～图11中不难发现，月池内相对波面升高响应谱具有明显的双峰特性，其中：低频峰值频率约为0.57rad/s（对应周期约为11s），对应外界波浪的谱峰频率（强迫振荡成分）；高频峰值频率约为0.85rad/s，对应工作月池和潜水月池的固有频率（自激振荡成分）。

由文献[1]可知月池垂向活塞运动固有频率计算的经验公式为

式(1)中：d为吃水，m；g为重力加速度，m/s2；A为月池截面积，m2。计算得到工作月池和潜水月池的固有频率分别为0.87rad/s及0.95rad/s。由此可见：对于工作月池，通过模型试验和经验公式得到的固有频率较为吻合；而对于潜水月池，两者有一定的差别；总体而言，模型试验值均小于经验公式计算值。造成该差别的原因可能是月池内设置的孔型阻尼格栅会增加月池内流体振荡的阻尼，而经验公式未考虑孔型格栅的阻尼影响，从而会降低无阻尼振荡运动的固有频率，使经验公式计算得到的月池固有频率值偏大。

图9 不同浪向工作月池波面升高响应谱

图10 不同浪向左舷潜水月池波面升高响应谱

此外，从图9～图11中还可看出，不同浪向下月池内强迫振荡成分和自激振荡成分所占的比例不尽相同。以工作月池为例，横浪90°时自激振荡成分比强迫振荡多，而顶浪180°和顺浪0°时强迫振荡成分较多。具体来说，若以频率0.7rad/s作为强迫振荡和自激振荡的区分点，则不同浪向下工作月池中强迫振荡能量和自激振荡能量占总能量的百分数见表1。从表1中可看出，浪向从随浪0°变化至顶浪180°的过程中，自激振荡能量百分数先增大后减小，横浪时最大（达到67%），顶浪时最小（为18%）。

因此，在设计月池过程中，在满足布置和强度等要求的同时，还要根据作业海况的特点合理设计月池相关参数，尽量避免发生共振。同时，可在月池作业过程中选择合理的浪向，以便进一步降低月池内的振荡。

图11 不同浪向右舷潜水月池波面升高响应谱

表1 不同浪向下工作月池中强迫振荡能量和自激振荡能量占总能量的百分数

3 结 语

针对某深水多功能水下工程船，运用模型试验方法开展月池的水动力特性及其对船舶运动的影响研究，可得到以下结论：

1) 就研究对象而言，月池对船舶运动的影响非常有限，对垂荡运动和纵摇运动的影响≤3%；

2) 月池对外界波浪具有较好的屏蔽作用，工作月池对外界波浪的屏蔽作用最大达到50%左右；

3) 月池内水体的振荡具有明显的双峰特性，而月池自激振荡对月池内相对波面升高的影响非常显著，自激振荡能量成分最多可达67%；

4) 从月池共振频率来看，模型试验结果较经验公式计算值小，原因可能是经验公式未考虑孔型格栅的阻尼影响，而孔型格栅的设置会增加月池内流体振荡的阻尼，从而降低无阻尼振荡运动的固有频率；

5) 研究成果有助于定量分析月池的振荡特性并为该类月池的设计和作业等提供参考。

[1] FUKUDA K. Behavior of water in vertical well with bottom opening of ship, and its effect on ship motions [J]. Journal of the Society of Naval Architects of Japan, 1977, 141: 107-122.

[2] KAWABE H, KWAK HU, PARK JJ, et al. The numerical and experimental study on moonpool water surface response of a ship in wave condition [C]. 20th ISOPE, 2010: 469-474.

[3] VEER R V, THOLEN H J. Added resistance of moonpools in calm water [C]. 27th OMAE, 2008: 130-139.

[4] 姚熊亮，康庄. 圆形月池流激振荡实验研究[J]. 力学学报，2007, 39 (3): 333-342.

[5] FALTINSEN OM. Sea loads on ships and offshore structures [M]. Cambridge: Cambridge University Press, 1990.

[6] MOLIN B. on the piston and sloshing modes in moonpools [J]. Journal of Fluid Mechanics, 2001, 430:27-50.

[7] CHEN XB. Hydrodynamics in offshore and naval applications [C]. 6th International Conference on HydroDynamics, 2004.

[8] ALSGAARD JA. Numerical investigations of piston mode resonance in a moonpool using OpenFOAM[J]. Department of Marine Technology, 2010, 48 (4): 595-599.

[9] 孙采微，杨建民，吕海宁. 波浪作用下带月池结构船体运动数值预报[J]. 海洋工程，2013, 31 (4): 21-29.

Study on Moonpool Hydrodynamics and Its Effect upon Ship Motions

ZOU Kang，GUI Man-hai，LUO Liang

（Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute, Shanghai 201203, China）

This paper studies the moonpool hydrodynamics and its effect on ship motions through the model test of a deepwater multi-purpose subsea construction vessel. The result shows that the moonpool has a good ability to keep out the outside waves. It has only limited the effect on the ship motions but the wave elevations inside the moonpool are clearly reduced when compared with those outside the ship. Moreover, the response spectrum of wave elevation inside the moonpool has an obvious double-peak feature, and the self-oscillation of the moonpool influences significantly on the wave elevation inside. The level of the self-oscillation influence is studied quantitatively from the energy point of view.The result is useful for the quantitative analysis of the moonpool oscillation characteristics and could provide references for the design of this type of moonpools.

moonpool; hydrodynamic characteristic; ship motion; model test

U661.1

A

2095-4069 (2017) 05-0059-05

10.14056/j.cnki.naoe.2017.05.011

2016-04-13

邹康，男，高级工程师，硕士，1982年生。2009年毕业于江苏科技大学船舶与海洋结构物设计制造专业，现从事船舶与海洋工程水动力学研究。