统一模型下船舶纵浪中的非线性横向失稳运动的预报与规避研究

【摘要】：恶劣海况下,船长通常会保持在横向干扰小的纵浪下航行以避免横风横浪下大幅横摇引起失稳倾覆的发生。然而近年来,船舶尤其是一些特定船型在纵浪中航行时发生参数横摇和骑浪横甩等非线性横向失稳现象的概率也大幅提高,其危害不可忽视。国际海事组织(International Maritime Organization,IMO)也正着手将包括参数横摇和骑浪横甩在内的五种波浪中失稳模态纳入第二代完整稳性规范的制定中,其生效将给我国造船业带来巨大的机遇与挑战。由此本文进行了两种主要的船舶纵浪中横向失稳运动——参数横摇与骑浪横甩的数值模拟、实验和规避研究,以期对纵浪中横向失稳运动的发生机理、影响因素和规避有深入理解,为我国的二代完整稳性规范IMO提案提供有力理论支撑。研究中首先基于统一理论开发操纵性和耐波性运动耦合的弱非线性六自由度(6Degrees of Freedom,6DOF)时域数值模拟程序Safe-Stab(Safety Assessment of Ship Dynamic Stability in Waves)用于参数横摇和骑浪横甩等纵浪中失稳模态的数值模拟,同时对程序中的各模块单独进行了验证。实验研究对于深入了解参数横摇和骑浪横甩的发生机理以及数值模型的验证起着重要作用。本文在拖曳水池中进行了KCS(KRISO Container Ship)集装箱船和一艘万箱集装箱船的迎浪参数横摇自航模实验,还分析了一艘42m围网渔船尾随浪下骑浪横甩自航模实验的结果。参数横摇实验中,发现参数横摇会发生在横摇固有周期T_(roll)与波浪遭遇周期T_e比T_(roll)/T_e约为2附近,当航速过小或过大时,T_(roll)/T_e偏离2这一参数横摇发生条件过大,造成参数横摇很难发生。舭龙骨对于削弱参数横摇发生时达到的稳定横摇幅值具有重要作用。同时实验中发现与相对小的KCS集装箱船不同,大型万箱集装箱船发生参数横摇后由于增阻降速与舵出水会发生一定的偏航。此外还分析了不规则波中参数横摇的普遍非各态历经性,验证了不规则波中参数横摇的分析需要进行同一工况下的多次重复实验,以克服普遍非各态历经性。同时还进行了短峰波中的参数横摇实验,发现短峰波中的横摇既包括了参数横摇又包括了周期与波浪遭遇周期相当的常规横摇。骑浪横甩自航模实验中选取了具有不同速度和波高的工况。各工况结果显示当傅汝德数达到0.35到0.4附近时,骑浪以及骑浪后横甩会随着波高增大而发生。基于实验结果对Safe-Stab程序的准确性进行验证。首先采用程序对KCS和万箱集装箱船的迎浪参数横摇进行了数值预报,并通过与两者的实验结果进行对比验证了程序在这两艘具有不同尺度的集装箱船上均可以得到与实验符合较好的参数横摇预报结果。然后采用程序对42m围网渔船和ITTC A2围网渔船尾随浪中的骑浪横甩运动进行了数值模拟,并与实验结果进行了定性和定量的对比,结果均符合的较好,充分验证了此程序在骑浪横甩数值模拟上的准确性。采用经过充分实验验证的Safe-Stab程序进行了参数横摇和骑浪横甩的影响因素和规避研究。对一艘3100箱集装箱船进行迎浪规则波和不规则波下的参数横摇数值预报,发现随着航速的增加,由于T_(roll)/T_e更加接近2,参数横摇随之发生且达到的稳定幅值也会增大。随着波陡的增加,由于波浪中回复力变化幅度变大,参数横摇幅值变大。通过不规则波中的数值模拟验证了不规则波中参数横摇的普遍非各态历经性。指出在进行不规则波中参数横摇统计分析时,同一波谱工况下需进行至少8次长约半小时的重复实现以克服普遍非各态历经性。通过重复实现可以一定程度上抑制普遍非各态历经性,但却无法完全消除。通过对围网渔船的骑浪横甩数值模拟发现舵出水及波浪粒子速度对舵来流速度的削弱是尾随浪下舵效损失的主要原因。舵效损失是尾随浪下骑浪后横甩运动发生的关键影响因素,且影响主要在傅汝德数达到0.36时开始显现。参数横摇和骑浪横甩的发生伴随有船舶大幅横摇甚至倾覆,会造成较大的经济损失,因此对于两者的超前预警和规避研究有着重要的工程应用价值。本文中,基于增量实时Hilbert-Huang变换(Incremental Real-time Hilbert Huang Transform,IR-HHT)开发了一种参数横摇超前预警算法,通过数值模拟和模型实验验证了超前预警算法可以有效地在横摇角较小的时刻预报参数横摇的发生。然后通过数值模拟和规则波、不规则波中的实验充分验证了舵减参数横摇的有效性。研究发现在参数横摇发生初期,横摇幅值较小的时候,通过超前预警算法的预报结果来开启舵减摇控制器,减摇效果较好。以ITTC A2围网渔船为基础,在船舶设计阶段通过改变船舶浮心纵向位置和设置舭龙骨来规避骑浪横甩的发生。船舶的浮心纵向位置对船舶阻力和纵荡力有很大的影响,随着浮心向船尾移动,船舶在达到波速时的阻力减小,骑浪运动更易发生,即骑浪的临界速度越小。反之随浮心向船艏移动,骑浪发生的临界速度增大。另外研究发现舭龙骨对于尾随浪下的骑浪发生界限没有影响。然而在尾斜浪下特别是在浪向角大于10度之后,由于无法提供足够的横摇阻尼,无舭龙骨船舶上更易发生骑浪、横甩以及倾覆等大幅非线性运动。