船舶水艙減搖效率的研究

船舶水艙減搖效率的研究

為了減少船舶在風(fēng)中航行時(shí)的激烈搖晃，提出了幾種傾斜裝置，但實(shí)際設(shè)計(jì)中僅使用了幾種傾斜裝置。由于其簡(jiǎn)單、可靠、經(jīng)濟(jì)、不需要額外的功率，并且具有低速或無(wú)速等優(yōu)點(diǎn)的振動(dòng)減速效果，已成為許多船舶使用的減速設(shè)備之一。動(dòng)式水裝置在相橋上具有顯著的減速率，但在高、低年級(jí)之間存在增大。幸運(yùn)的是，在高、低年級(jí)，船舶本身的橫向移動(dòng)運(yùn)動(dòng)不大，因此該缺陷并不十分突出。現(xiàn)有參考資料中表示被動(dòng)式水艙的減搖效果在數(shù)值上差別較大,往往令人難以捉模.例如,文獻(xiàn)中提到,被動(dòng)式水艙在諧搖時(shí)的減搖效率一般為60%左右,有時(shí)高達(dá)80%以上,以有義橫搖幅值表示的減搖效率性能優(yōu)良者一般在40%～50%.文獻(xiàn)中則提到,設(shè)計(jì)得好的被動(dòng)式水艙可以使橫搖幅值減少1/2左右;在中等風(fēng)浪條件下,水艙的減搖效率只能在35%～50%左右.文獻(xiàn)中則認(rèn)為被動(dòng)式水艙的減搖效果有爭(zhēng)議.被動(dòng)式水艙的減搖效果與船舶本身在未裝減搖水艙時(shí)的抗搖性能(可用無(wú)因次衰減系數(shù)μ表示)有關(guān).即使性能相同的減搖水艙,裝在差的船舶(μ小)上會(huì)得到高的減搖效率,但裝在抗搖性能好的船舶(μ大)上達(dá)到的減搖效率較低.因此在評(píng)價(jià)被動(dòng)式水艙的減搖效果時(shí)應(yīng)該與船舶本身的抗搖性能μ值通盤(pán)考慮.此外,有關(guān)被動(dòng)水艙減搖效果的評(píng)價(jià)數(shù)值,大多來(lái)自模型試驗(yàn)的數(shù)據(jù),而模型試驗(yàn)一般是在中小波陡的情況下進(jìn)行,基本上屬于橫搖運(yùn)動(dòng)的線性范圍.當(dāng)船舶在高海況時(shí)橫搖幅度較大,非線性影響相當(dāng)嚴(yán)重,如何評(píng)價(jià)被動(dòng)式水艙的減搖效果又是一個(gè)問(wèn)題.本文對(duì)被動(dòng)式水艙在規(guī)則波及不規(guī)則波中進(jìn)行了的模型試驗(yàn),分析了μ對(duì)減搖效果的影響,可作為對(duì)評(píng)價(jià)被動(dòng)式水艙減搖效果的參考.1水艙的安裝位置船模的主要參數(shù)如下:L×B×T=3.1m×0.71m×0.25m;型深D=0.345m;排水量Δ=356kg;重心位置xg=-0.012m(舯后),zg=0.243m(基線上).船模上裝有導(dǎo)管及舵(雙槳、雙舵),舭部裝有1.56m×0.02m的舭龍骨.被動(dòng)式矩形水艙的艙長(zhǎng)與船寬相同,其主要參數(shù)為:長(zhǎng)0.7m,寬0.3m,高0.1m,水艙中的注水高度0.05m.減搖水艙的安裝位置是:水艙底部在基線之上0.245m,水艙末端在尾垂線A.P.前0.66m.3個(gè)減搖水艙方案的外形尺寸及在船模上的安裝位置相同,在水艙中布置了兩排圓柱,其中心線分別位于1/3艙長(zhǎng)處,圓柱的直徑為0.01m.3個(gè)方案的區(qū)別僅在于布置圓柱數(shù)目的多少:方案Ⅰ,水艙每排均勻布置14根圓柱;方案Ⅱ,水艙每排均勻布置18根圓柱;方案Ⅲ,水艙每排均勻布置22根圓柱.模型試驗(yàn)在上海交通大學(xué)海洋工程水池中進(jìn)行.用電阻式浪高儀測(cè)量波浪,TC-6航空陀螺儀測(cè)量船模的橫搖運(yùn)動(dòng).對(duì)于船模裝有3種減搖水艙方案及無(wú)減搖水艙的情況分別在規(guī)則波系列及不規(guī)則波中進(jìn)行了零速橫浪試驗(yàn).為了獲得比較完整的橫搖效率響應(yīng)曲線,規(guī)則波系列的覆蓋范圍是:波長(zhǎng)λ=18～1.15m,相應(yīng)波高H=0.3～0.03m,共11個(gè)規(guī)則波.在規(guī)則波系列中的橫搖試驗(yàn)都是在中小波陡的情況下進(jìn)行,以便盡可能排除非線性的影響.不規(guī)則波采用PM波譜,相應(yīng)于實(shí)船的有義波高為Hs=5.0m.2抗疲勞效率分析2.1衰減系數(shù)計(jì)算由于橫搖試驗(yàn)是在中小波陡的規(guī)則波系列中進(jìn)行的,因此得到的頻率響應(yīng)曲線基本上沒(méi)有非線性的影響,其結(jié)果如圖1所示.圖中ω/ωue001φ為無(wú)因次頻率.諧搖時(shí)被動(dòng)式水艙的減搖效率為η0=[1-(φ/α)s(φ/α)v]×100%(1)η0=[1?(φ/α)s(φ/α)v]×100%(1)式中,(φ/α)s、(φ/α)v分別為船模有、無(wú)減搖水艙在諧搖時(shí)的橫搖放大因數(shù).由于φ/α=1/(2μ),因此,η0還可表示為η0=(1-μv/μs)×100%(2)η0=(1?μv/μs)×100%(2)式中,μs、μv分別為船模有、無(wú)減搖水艙時(shí)的無(wú)因次橫搖衰減系數(shù).Δμ=μs-μv是由于裝了減搖水艙而增加的無(wú)因次橫搖衰減系數(shù).根據(jù)圖1的試驗(yàn)結(jié)果,可以得出μ、Δμ及η0如表1所示.由表1可見(jiàn),本船設(shè)置方案Ⅰ或方案Ⅱ的減搖水艙后在諧搖時(shí)的減搖效率約在50%,明顯低于60%～80%的數(shù)值.這將使人們誤解為本船所采用的被動(dòng)式水艙減搖效果不佳.本船所采用的水艙方案Ⅰ、Ⅱ是性能相當(dāng)優(yōu)良的減搖水艙.被動(dòng)式水艙在諧搖時(shí)能達(dá)到的減搖效率在很大程度上取決于船舶在未裝水艙時(shí)本身抗搖性能的好壞,或者說(shuō)本身μ的大小.對(duì)于μ越小的船舶在裝有減搖水艙后能獲得的η0越高.從理論上的極端例子可以看出,如果船舶本身的μ→0,諧搖時(shí)的放大因數(shù)(φ/α)→∞,則在該船上安裝任何減搖裝置后只要能使橫搖有所減小,其η0→100%.本試驗(yàn)的船模裝有大尺寸舭龍骨及雙導(dǎo)管、雙舵,本身的抗搖性能好,μ高達(dá)0.15以上,在安裝被動(dòng)式水艙以后能達(dá)到的η0≈50%.如果保持船模的其他數(shù)據(jù)不變,將舭龍骨、附體等拆除,其μ將顯著降低,則在設(shè)置上述3種方案的減搖水艙以后,所能得到的減搖效率有明顯的提高.對(duì)不同的μ進(jìn)行分析后得到諧搖時(shí)的η0如表2所示.由此可見(jiàn),被動(dòng)式水艙在諧搖時(shí)的η0隨船舶未裝減搖水艙時(shí)本身的μ而變化,其規(guī)律大致成直線關(guān)系,如圖2所示.根據(jù)上述分析可以認(rèn)為,評(píng)定被動(dòng)式水艙諧搖時(shí)的減搖效果,比較確切的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)將η0與船舶本身的μ統(tǒng)一考慮.船舶設(shè)計(jì)人員在考慮采用被動(dòng)式水艙時(shí)總是希望設(shè)計(jì)出減搖性能優(yōu)良的水艙,因此十分注意水艙的減搖效率并與已有采用水艙后減搖性能優(yōu)秀的船舶進(jìn)行比較.為避免被一般資料發(fā)表的數(shù)據(jù)所誤導(dǎo),應(yīng)該考慮船舶本身的μ,才能比較正確地評(píng)判所設(shè)計(jì)水艙減搖效果的優(yōu)劣.在手頭缺乏確切可靠的資料時(shí),下列經(jīng)驗(yàn)公式可作為參考:η0=(0.92-3μ)×100%(3)η0=(0.92?3μ)×100%(3)如果所設(shè)計(jì)的被動(dòng)式水艙在諧搖時(shí)的η0能達(dá)到或接近上式所給出的數(shù)值,則可認(rèn)為該水艙具有相當(dāng)優(yōu)良的減搖效果.2.2橫向搖頻率響應(yīng)函數(shù)諧搖時(shí)的η0固然是評(píng)定被動(dòng)式水艙減搖效果的一個(gè)重要指標(biāo),但所給出的減搖效率是名義的或者說(shuō)是局部的.因?yàn)樗⑽捶从炒诤Ｉ吓c真實(shí)波浪相遇的情況.因此比較合理的辦法應(yīng)該按不規(guī)則波中得到的減搖效率予以評(píng)定.其減搖效率為η=(1-ˉφs/ˉφv)×100%(4)η=(1?φˉˉs/φˉˉv)×100%(4)式中,ˉφφˉˉs、ˉφφˉˉv分別為船模有、無(wú)減搖水艙時(shí)的有義橫搖幅值,其數(shù)值可從規(guī)則波系列試驗(yàn)的橫搖頻率響應(yīng)曲線(見(jiàn)圖1)和給定的不規(guī)則波譜分析得到,其關(guān)系為S(φ)=|Yφ(ω)|2S(ω)(5)S(φ)=|Yφ(ω)|2S(ω)(5)式中:S(ue001φ)為橫搖功率譜;Yue001φ(ω)=(φ/α)(ω2/g),為橫搖頻率響應(yīng)函數(shù);S(ω)為不規(guī)則波波譜.圖3中所示的橫搖譜S(ue001φ)諸曲線,是根據(jù)圖1結(jié)合給定的不規(guī)則波PM波譜(相當(dāng)于實(shí)際有義波高Hs=5.0m)按式(5)求得.然后借譜分析方法得到有義橫搖幅值,由式(4)計(jì)算得出的η如表3所示.由表3中的分析數(shù)據(jù)表明,本船所采用的方案Ⅰ和方案Ⅱ被動(dòng)式水艙能夠獲得的減搖效率只有30%左右,明顯低于40%～50%或35%～50%的數(shù)值.與分析諧搖時(shí)水艙減搖效率的情況相類(lèi)似,被動(dòng)式水艙在不規(guī)則波中以有義橫搖幅值表示的η同樣與船舶本身μ的大小有關(guān).為了考察η與μ之間的關(guān)系,對(duì)方案Ⅱ減搖水艙作進(jìn)一步的分析,圖4是船模在不同μ時(shí)有、無(wú)水艙的頻率響應(yīng)曲線,圖5為有、無(wú)水艙時(shí)橫搖功率譜曲線,由此得出的有義橫搖幅值及減搖效率如表4所示.由表4可見(jiàn),在同一不規(guī)則波的情況下,以有義橫搖幅值表示的減搖效率η隨船舶本身μ的減小而增加,即η=(0.67-2.2μ)×100%(6)η=(0.67?2.2μ)×100%(6)從規(guī)則波系列試驗(yàn)得到的橫搖頻率響應(yīng)曲線,輔之以不規(guī)則波譜得到的有義橫搖幅值,并以此來(lái)預(yù)報(bào)被動(dòng)式水艙的減搖效率.雖然這是目前評(píng)定減搖效果的常用辦法,但其不足之處是顯然的,因?yàn)樗荒茴A(yù)報(bào)中等海況時(shí)的橫搖統(tǒng)計(jì)特性.設(shè)置被動(dòng)式減搖水艙的根本目的是希望在高海況的條件下減小船舶的橫搖運(yùn)動(dòng),這時(shí)非線性影響相當(dāng)嚴(yán)重,用上述方法預(yù)報(bào)的所謂減搖效率很不正確,最好的辦法應(yīng)直接在不規(guī)則波浪中進(jìn)行試驗(yàn).為此,對(duì)船模在相應(yīng)于實(shí)船有義波高Hs=5.0m、PM波譜的不規(guī)則波中進(jìn)行了試驗(yàn),其減搖效率的比較如表5所示.由表5可見(jiàn),直接從不規(guī)則波試驗(yàn)分析中得到的減搖效率明顯低于從規(guī)則波系列試驗(yàn)換算所得出的數(shù)值,表明船舶大角度橫搖運(yùn)動(dòng)具有非線性的本質(zhì).橫搖角度越大,非線性的影響越嚴(yán)重.由于無(wú)減搖水艙時(shí)船舶橫搖幅值受非線性的影響最嚴(yán)重,預(yù)報(bào)的幅值差別最大,這是造成減搖效率低下的根本原因所在.在高海況的情形下,以減搖效率來(lái)評(píng)價(jià)水艙的效果基本上已沒(méi)有實(shí)際意義.比較好的方法是直接在給定的不規(guī)則波中進(jìn)行試驗(yàn),得出有義橫搖幅值.如果該數(shù)值能滿(mǎn)足船舶的實(shí)際使用要求,則可以認(rèn)為所設(shè)計(jì)的被動(dòng)式水艙已達(dá)到了預(yù)期的減搖效果.3規(guī)則波系列中試驗(yàn)的數(shù)值范圍(1)以諧搖時(shí)的減搖效率η0來(lái)評(píng)定水艙的減搖效果時(shí),應(yīng)與船舶本身的μ統(tǒng)一考慮.(2)以有義橫搖幅值表示的減搖效率η來(lái)評(píng)定水艙的減搖效果時(shí),同樣應(yīng)與船舶本身的μ統(tǒng)一考慮.在μ小的船舶上加裝被動(dòng)式水艙后,無(wú)論是η0或η都有較高的數(shù)值.η0、η與μ大體成線性關(guān)系.(3)規(guī)則波系列中試驗(yàn)是在中小波陡的情況下進(jìn)行的,基本上沒(méi)有非線性的影響,其結(jié)果只能用于預(yù)報(bào)中等海況時(shí)的橫搖統(tǒng)計(jì)特性.(4)對(duì)于高海況時(shí)用減搖效率來(lái)評(píng)價(jià)被動(dòng)式水艙的減