船舶水艙減搖效率的研究

船舶水艙減搖效率的研究

為了減少船舶在風中航行時的激烈搖晃，提出了幾種傾斜裝置，但實際設計中僅使用了幾種傾斜裝置。由于其簡單、可靠、經(jīng)濟、不需要額外的功率，并且具有低速或無速等優(yōu)點的振動減速效果，已成為許多船舶使用的減速設備之一。動式水裝置在相橋上具有顯著的減速率，但在高、低年級之間存在增大。幸運的是，在高、低年級，船舶本身的橫向移動運動不大，因此該缺陷并不十分突出?，F(xiàn)有參考資料中表示被動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,文獻中提到,被動式水艙在諧搖時的減搖效率一般為60%左右,有時高達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%.文獻中則提到,設計得好的被動式水艙可以使橫搖幅值減少1/2左右;在中等風浪條件下,水艙的減搖效率只能在35%～50%左右.文獻中則認為被動式水艙的減搖效果有爭議.被動式水艙的減搖效果與船舶本身在未裝減搖水艙時的抗搖性能(可用無因次衰減系數(shù)μ表示)有關.即使性能相同的減搖水艙,裝在差的船舶(μ小)上會得到高的減搖效率,但裝在抗搖性能好的船舶(μ大)上達到的減搖效率較低.因此在評價被動式水艙的減搖效果時應該與船舶本身的抗搖性能μ值通盤考慮.此外,有關被動水艙減搖效果的評價數(shù)值,大多來自模型試驗的數(shù)據(jù),而模型試驗一般是在中小波陡的情況下進行,基本上屬于橫搖運動的線性范圍.當船舶在高海況時橫搖幅度較大,非線性影響相當嚴重,如何評價被動式水艙的減搖效果又是一個問題.本文對被動式水艙在規(guī)則波及不規(guī)則波中進行了的模型試驗,分析了μ對減搖效果的影響,可作為對評價被動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).船模上裝有導管及舵(雙槳、雙舵),舭部裝有1.56m×0.02m的舭龍骨.被動式矩形水艙的艙長與船寬相同,其主要參數(shù)為:長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艙長處,圓柱的直徑為0.01m.3個方案的區(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.模型試驗在上海交通大學海洋工程水池中進行.用電阻式浪高儀測量波浪,TC-6航空陀螺儀測量船模的橫搖運動.對于船模裝有3種減搖水艙方案及無減搖水艙的情況分別在規(guī)則波系列及不規(guī)則波中進行了零速橫浪試驗.為了獲得比較完整的橫搖效率響應曲線,規(guī)則波系列的覆蓋范圍是:波長λ=18～1.15m,相應波高H=0.3～0.03m,共11個規(guī)則波.在規(guī)則波系列中的橫搖試驗都是在中小波陡的情況下進行,以便盡可能排除非線性的影響.不規(guī)則波采用PM波譜,相應于實船的有義波高為Hs=5.0m.2抗疲勞效率分析2.1衰減系數(shù)計算由于橫搖試驗是在中小波陡的規(guī)則波系列中進行的,因此得到的頻率響應曲線基本上沒有非線性的影響,其結果如圖1所示.圖中ω/ωue001φ為無因次頻率.諧搖時被動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、無減搖水艙在諧搖時的橫搖放大因數(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、無減搖水艙時的無因次橫搖衰減系數(shù).Δμ=μs-μv是由于裝了減搖水艙而增加的無因次橫搖衰減系數(shù).根據(jù)圖1的試驗結果,可以得出μ、Δμ及η0如表1所示.由表1可見,本船設置方案Ⅰ或方案Ⅱ的減搖水艙后在諧搖時的減搖效率約在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是性能相當優(yōu)良的減搖水艙.被動式水艙在諧搖時能達到的減搖效率在很大程度上取決于船舶在未裝水艙時本身抗搖性能的好壞,或者說本身μ的大小.對于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%.本試驗的船模裝有大尺寸舭龍骨及雙導管、雙舵,本身的抗搖性能好,μ高達0.15以上,在安裝被動式水艙以后能達到的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.對不同的μ進行分析后得到諧搖時的η0如表2所示.由此可見,被動式水艙在諧搖時的η0隨船舶未裝減搖水艙時本身的μ而變化,其規(guī)律大致成直線關系,如圖2所示.根據(jù)上述分析可以認為,評定被動式水艙諧搖時的減搖效果,比較確切的標準應將η0與船舶本身的μ統(tǒng)一考慮.船舶設計人員在考慮采用被動式水艙時總是希望設計出減搖性能優(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)秀的船舶進行比較.為避免被一般資料發(fā)表的數(shù)據(jù)所誤導,應該考慮船舶本身的μ,才能比較正確地評判所設計水艙減搖效果的優(yōu)劣.在手頭缺乏確切可靠的資料時,下列經(jīng)驗公式可作為參考:η0=(0.92-3μ)×100%(3)η0=(0.92?3μ)×100%(3)如果所設計的被動式水艙在諧搖時的η0能達到或接近上式所給出的數(shù)值,則可認為該水艙具有相當優(yōu)良的減搖效果.2.2橫向搖頻率響應函數(shù)諧搖時的η0固然是評定被動式水艙減搖效果的一個重要指標,但所給出的減搖效率是名義的或者說是局部的.因為它并未反映船在海上與真實波浪相遇的情況.因此比較合理的辦法應該按不規(guī)則波中得到的減搖效率予以評定.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、無減搖水艙時的有義橫搖幅值,其數(shù)值可從規(guī)則波系列試驗的橫搖頻率響應曲線(見圖1)和給定的不規(guī)則波譜分析得到,其關系為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結合給定的不規(guī)則波PM波譜(相當于實際有義波高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.與分析諧搖時水艙減搖效率的情況相類似,被動式水艙在不規(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.為了考察η與μ之間的關系,對方案Ⅱ減搖水艙作進一步的分析,圖4是船模在不同μ時有、無水艙的頻率響應曲線,圖5為有、無水艙時橫搖功率譜曲線,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,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)則波系列試驗得到的橫搖頻率響應曲線,輔之以不規(guī)則波譜得到的有義橫搖幅值,并以此來預報被動式水艙的減搖效率.雖然這是目前評定減搖效果的常用辦法,但其不足之處是顯然的,因為它只能預報中等海況時的橫搖統(tǒng)計特性.設置被動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動,這時非線性影響相當嚴重,用上述方法預報的所謂減搖效率很不正確,最好的辦法應直接在不規(guī)則波浪中進行試驗.為此,對船模在相應于實船有義波高Hs=5.0m、PM波譜的不規(guī)則波中進行了試驗,其減搖效率的比較如表5所示.由表5可見,直接從不規(guī)則波試驗分析中得到的減搖效率明顯低于從規(guī)則波系列試驗換算所得出的數(shù)值,表明船舶大角度橫搖運動具有非線性的本質.橫搖角度越大,非線性的影響越嚴重.由于無減搖水艙時船舶橫搖幅值受非線性的影響最嚴重,預報的幅值差別最大,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,以減搖效率來評價水艙的效果基本上已沒有實際意義.比較好的方法是直接在給定的不規(guī)則波中進行試驗,得出有義橫搖幅值.如果該數(shù)值能滿足船舶的實際使用要求,則可以認為所設計的被動式水艙已達到了預期的減搖效果.3規(guī)則波系列中試驗的數(shù)值范圍(1)以諧搖時的減搖效率η0來評定水艙的減搖效果時,應與船舶本身的μ統(tǒng)一考慮.(2)以有義橫搖幅值表示的減搖效率η來評定水艙的減搖效果時,同樣應與船舶本身的μ統(tǒng)一考慮.在μ小的船舶上加裝被動式水艙后,無論是η0或η都有較高的數(shù)值.η0、η與μ大體成線性關系.(3)規(guī)則波系列中試驗是在中小波陡的情況下進行的,基本上沒有非線性的影響,其結果只能用于預報中等海況時的橫搖統(tǒng)計特性.(4)對于高海況時用減搖效率來評價被動式水艙的減