迎浪规则波中参数横摇的限界 0 迎浪中的参数横摇模型 由于超级大国的巨大浮力，由于转向运动，零延迟运动对正常海拔高度的影响，导致巨大损坏和经济损失。国际海事组织（imo）开始审查完整的稳定程序（国际船务委员会，2002年）和指导文件《mscsirc.707，1995）。此后,迎浪中的参数横摇现象受到越来越多的关注,日本、荷兰、美国、巴西、韩国等国的研究人员相继开展了模型试验和数值模拟研究,并取得了一定进展。2005年以来,国际拖曳水池水池会议(ITTC)波浪中稳性专家委员会对现有的ITTC推荐程序文件《完整稳性模型试验程序》(7.5-02-07-04.1,2005)进行了修订,增加了有关迎浪中的参数横摇模型试验的内容。目前,正在选择一些典型船舶的模型试验结果,用于即将开展的数值模拟程序的基准性研究。 本文按照新修订的ITTC推荐程序文件《完整稳性模型试验程序》进行了4 000 TEU集装箱船在迎浪规则波中的参数横摇的自航船模试验,重点考察波高、波长、航速、舭龙骨、外界干扰等对发生参数横摇的限界的影响。模型试验结果可以作为数值模拟程序验证的依据。 本文还应用上海交通大学开发的三自由度时域非线性运动数值计算程序ParaRoll,预报了4 000 TEU集装箱船在迎浪规则波中的参数横摇,并利用上述模型试验结果对该程序进行了验证。 1 船型参数和试验模型 1.1 船型参数 4 000 TEU集装箱船实船和船模的主要参数见表1,船模缩尺为1∶100。 1.2 试验系统和设备 船模采用玻璃钢制作,水密至主甲板。上层建筑及其水密性不作模拟。 采用自由自航船模,直流电机带动螺旋桨,由可充电的锂电池组供电。 通过调节螺旋桨(即电机)转速改变船模速度,电机转速由单片机和伺服控制器控制。采用两对沿水池纵向布置的间距已知的光电传感器测量船模航速测速,通过测量船模经过两对光电传感器的时间间隔,可以得到船模的平均速度。试验前首先在静水中确定螺旋桨转速与船模速度之间的关系,根据航速要求,确定螺旋桨转速,试验过程中螺旋桨转速保持不变。 采用PD自动控制模块控制数码舵机实现转舵,纠正船模的航向角和角速度的偏移,自动保持航向。PD自动控制模块采用纯硬件电路搭建,反应更快,控制效果更好。 采用航向陀螺和航向角速度陀螺分别测试船模的航向角和角速度,采用垂直陀螺测试船模的纵摇和横摇角,上述陀螺均采用锂电池组和三相中频电源供电。 试验中同时测试船模的纵摇、横摇、航向、舵角、螺旋桨转速等模拟或脉冲信号,采用C8051F单片机采集上述信号并转换为数字信号,然后通过数传电台无线传输到岸上的PC机,PC机采集处理测试数据,并在屏幕上实时显示。波幅变化采用电容式浪高仪测量,也由PC机采集处理和实时显示。 为确保船模的安全,配备了两套停船装置:一套是自动停船装置,由一对安装于靠近拖曳水池造波端的光电传感器控制船模上的无线遥控开关,当船模到达该光电传感器位置时,光电传感器产生一脉冲信号,关闭船模上的无线遥控开关,实现停船;另一套是手动停船装置,由遥控器控制船模上的无线遥控开关,实现紧急停船。 试验在七○八研究所具有造波功能的拖曳水池进行。水池长70 m、宽5 m、深2.5 m。采用冲箱式造波装置,最大造波高度为0.13 m,最小造波周期为1 s。 2 模型试验 2.1 参数横摇试验 在船模无舭龙骨和有舭龙骨两种情况下,相对于实船零速、10 kn、20 kn和25 kn四种航速下,进行了自由横摇衰减试验,得到衰减曲线,由此确定船模的横摇固有周期和阻尼系数。 对于参数横摇试验,根据遭遇周期为横摇固有周期的一半附近易发生参数横摇现象的规律,确定遭遇周期与横摇固有周期的比值的取值范围为0.4~0.7,由此得到不同航速时产生波浪的周期范围。在同一周期下,先进行高试验,然后逐渐减小波高进行试验,以确定发生参数横摇的临界波高。无舭龙骨情况下,进行了相应于实船零速、20 kn和25 kn三种航速下的试验,在20 kn航速时观察了初始干扰(即在船模启动伊始用外力使其产生初始横倾)对参数横摇的影响;有舭龙骨情况下,进行了零速、10 kn和20 kn三种航速下的试验,均采用初始干扰加快参数横摇的发生,以便在有限的试验段内观察到这一现象。 文中所列的航速均为实船在静水中的航速,未考虑波阻增加引起的速降。在试验数据分析时,将船模的纵摇频率作为波浪遭遇频率,考虑了速降对遭遇频率的影响。 2.2 试验结果 2.2.1 横摇固有周期 分析静水中自由横摇衰减试验结果,得到船模在各种状态下的横摇固有周期和横摇阻尼系数,换算到实船的结果列于表2。 表2中的横摇阻尼系数a和b为以下公式中的系数: Δ?=a?m+b?2mΔ?=a?m+b?m2 其中,Δ?=?n-?n+1, ?m=(?n+?n+1)/2 ?n为自由横摇衰减试验中第n个的横摇角峰值。 从表2中可以看出:随着航速的增加横摇固有周期略有减小,安装舭龙骨后横摇固有周期略有增大,但差别都很小;航速的增加和舭龙骨的安装均可明显增加横摇阻尼,对减少横摇幅值有利。 2.2.2 有龙骨船模和无对策时的临界波高曲线 通过系列模型试验,确定了各种状态下发生参数横摇的临界波高曲线。由于造波条件的限制,相应于实际的最高为10 m。 图1和图2分别为无舭龙骨和有舭龙骨两种状态下,不同航速时发生参数横摇的临界波高曲线 kn航速下,无舭龙骨船模在有初始干扰和无初始干扰时发生参数横摇的临界波高的比较。图4为20 kn航速下,有舭龙骨和无舭龙骨时发生参数横摇的临界波高的比较。上述图中,横坐标为遭遇波浪周期与横摇固有周期的比值,纵坐标为波高,曲线内部为发生参数横摇的区域。 2.3 参数横摇的发生 由模型试验结果可以得到以下几点结论: (1)参数横摇的发生对应一个临界波高,当波高达到或超过临界波高时,才会发生参数横摇; (2)当波浪遭遇周期为横摇固有周期一半时,发生参数横摇的临界波高最小,在其附近区域内易发生参数横摇; (3)随着航速的增加,发生参数横摇的临界波高增大; (4)安装舭龙骨后,发生参数横摇的临界波高明显增大; (5)当有外界初始干扰时,发生参数横摇的临界波高减小。 3 横摇稳定性计算方法 为预报

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