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船舶迎浪中考虑波浪增阻影响的参数横摇预报

作　者: 鲁江
导　师: 马坤；梅田直哉
学　校: 大连理工大学
专　业: 船舶与海洋结构物设计制造
关键词: 波浪稳性参数横摇波浪增阻迎浪规则波不规则波
分类号: U661.3
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

航行在波浪中的船舶,当横摇频率等于或接近遭遇频率的一半时,横摇运动最明显,这种横摇运动被称为参数横摇。参数横摇是船舶在波浪中三种典型倾覆现象——纯稳性丧失,参数横摇,横甩——之一,是波浪中船舶复原力变化引起的非线性现象。1998年,巴拿马型C11集装箱船APL CHINA号在北太平洋海域迎浪时遭遇严重参数横摇,横摇角甚至达40°,损失400个集装箱,其他货物几乎全部受到损坏。经过这次事故,参数横摇引起船舶界的重视,参数横摇是大型集装箱船在纵浪中最危险的现象之一。其后一艘汽车卡车专运船在北大西洋亚舒尔群岛也遭遇严重的迎浪参数横摇。这些严重的参数横摇事故促使人们要对国际海事组织(IMO)的完整稳性规范(Intact Stability Code (IS code))进行重新评估,研究制定基于性能的衡准代替现有的描述性衡准,这个新的基于性能的衡准中就包括三种典型倾覆现象之一的参数横摇。在现阶段,需要一个具有定量精确性的参数横摇预报方法。第24(2004)届和25(2008)届ITTC之波浪稳性委员会也把参数横摇预报研究作为其一个主要任务。因此,急需开发一个准确的方法来预报参数横摇。参数横摇是时变的复原力力臂导致的横摇运动,评估复原力变化是参数横摇预报的关键。一般采用和静水中复原力臂计算相似的原理来计算波浪中复原力臂,把排水量不变和纵倾平衡作为约束条件。也就是说船—波瞬时相对位置是由船舶重力—浮力平衡和纵倾力矩平衡来决定的。这种方法可以用来研究波浪中船舶复原力变化规律,然而在波浪中船舶横摇运动还伴随着垂荡和纵摇运动,尤其是在迎浪中更为明显。因此,在预报迎浪参数横摇时应该考虑用垂荡和纵摇运动确定船—波瞬时相对位置,以提高迎浪参数横摇预报精度。为提高参数横摇预报精度,首先,基于切片理论,求解出船舶无横倾时在波浪中时间序列垂荡和纵摇运动,用垂荡纵摇运动确定船—波瞬时相对位置,也就是说横摇复原力的Froude-Krylov部分是通过对波浪压力沿船长湿表面积分得到的,船长瞬时湿表面由无横倾时的垂荡纵摇运动确定的船—波瞬时相对位置确定。其次,考虑了由作用在横倾船舶上的辐射力和绕射力组成的动态复原力的影响。纵荡运动也影响时域内船—波瞬时相度位置,纵荡运动可能会调节复原力变化周期,这会在一定程度上影响参数横摇。在考虑垂荡、纵摇的基础上,进一步考虑了纵荡和波浪增阻对迎浪规则波中参数横摇数值预报的影响。随浪中,遭遇频率远低于垂荡和纵摇的固有频率,因此和垂荡纵摇的耦合不是很明显,另外随浪中波浪增阻通常很小但迎浪中,参数横摇预报很复杂,这是因为和垂荡纵摇的耦合很明显,同时波浪增阻不能忽视。本论文中,不仅研究了垂荡纵摇运动对参数横摇的影响,也进一步研究了波浪增阻对参数横摇的影响。本文尝试开发一个预报迎浪参数横摇的数值方法,在这个方法中复原力变化和波浪增阻的Kochin函数的计算都基于切片理论。在耐波性领域,目前有许多对波浪增阻计算方法的验证,主要集中在短波长情况,这是因为大型船的能量消耗依赖于这种短波长情况。其中之一,Kashiwagi等采用一艘modified Wigley船型对其计算波浪增阻的Enhanced Unified theory (EUT)方法的有效性作了一系列系统研究。本文采用了相同的Wigley船型,在计算波浪增阻时采用了不同的源密度分布函数,并和Kashiwagi的试验结果以及他的EUT计算结果进行了比较。通过比较,确认Maruo & Ishii的方法更适合迎浪规则波中参数横摇预报。另一方面,为找出迎浪规则波中参数横摇和波浪增阻的内在联系,应该研究参数横摇对波浪增阻的影响。波浪增阻主要是由船舶运动产生的辐射势以及入射波碰到船体后产生的绕射势导致的能量损耗造成的。Maruo公式在线性势流理论框架里作为完整的理论被广泛接受,其公式推导是基于动量和能量守恒定律。在线性船舶动力学里,船舶摇动频率等于遭遇频率,纵浪中没有横摇、横荡和艏摇运动发生。目前为止所有的波浪增阻计算方法都没有考虑迎浪参数横摇导致的辐射势,没有讨论参数横摇对波浪增阻的影响。基于Maruo波浪增阻理论,从理论上推导出迎浪规则波中考虑参数横摇时的波浪增阻新公式。同时把数值计算结果和发生迎浪参数横摇的自由航模试验做一比较。把规则波中参数横摇预报方法拓展到不规则波中,在考虑垂荡、纵摇的基础上,进一步考虑了纵荡和波浪增阻对迎浪长峰不规则波中参数横摇数值预报的影响。本文研究了三种计算迎浪不规则波中波浪增阻的方法,然后把考虑了迎浪不规则波中时变波浪增阻的Pinkster方法进一步延伸作了研究。前面已经确认每个谐波中的波浪增阻计算采用Maruo公式,其源密度分布函数采用Maruo & Ishii的方法。通过零航速的模型试验和数值模拟研究了迎浪不规则波中参数横摇的“实际非各态历经(practical non-ergodicity) "的特点,同时通过数值模拟研究了迎浪不规则波中波浪增阻对参数横摇的影响。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
1 绪论  11-19
  1.1 研究背景及意义  11-14
  1.2 船舶参数横摇研究历史回顾  14-17
  1.3 本文研究主要内容  17-19
2 静平衡法计算规则波中复原力变化  19-31
  2.1 船舶运动坐标系以及转换关系  19-21
  2.2 船和波瞬时相对位置的确定  21-24
    2.2.1 波浪中船舶瞬时姿态参数的确定  21
    2.2.2 波浪中船舶左右舷与波面的瞬时交点  21-22
    2.2.3 波浪中船舶各浸水横剖面面积及其面积心计算  22-24
  2.3 基于Froude—Krylov假说的复原力计算  24
  2.4 波浪中船舶复原力变化规律分析  24-30
  2.5 结论  30-31
3 迎浪规则波中船舶参数横摇及复原力变化研究  31-78
  3.1 波浪增阻预报  32-48
    3.1.1 波浪增阻计算  32-33
    3.1.2 垂荡纵摇计算  33-37
    3.1.3 数值计算与试验比较  37-48
  3.2 复原力变化计算  48-54
    3.2.1 纵荡计算  48-49
    3.2.2 垂荡纵摇计算  49
    3.2.3 波浪中船舶左右舷与波面的瞬时交点  49-50
    3.2.4 复原力之Froude—Krylov部分的计算  50
    3.2.5 复原力之辐射力和绕射力部分的计算  50-54
  3.3 参数横摇预报  54-77
    3.3.1 参数横摇数学模型  54
    3.3.2 参数横摇结果和讨论  54-77
  3.4 结论  77-78
4 迎浪长峰不规则波中船舶参数横摇及复原力变化研究  78-96
  4.1 波浪增阻预报  78-80
    4.1.1 长峰不规则波波形模拟  78-79
    4.1.2 波浪增阻计算  79-80
  4.2 复原力变化计算  80-83
    4.2.1 纵荡计算  80-81
    4.2.2 垂荡纵摇计算  81-82
    4.2.3 波浪中船舶左右舷与波面的瞬时交点  82
    4.2.4 复原力之Froude—Krylov部分的计算  82-83
    4.2.5 复原力之辐射力和绕射力部分的计算  83
  4.3 参数横摇预报  83-95
    4.3.1 参数横摇数学模型  83-84
    4.3.2 参数横摇结果和讨论  84-95
  4.4 结论  95-96
5 迎浪规则波中参数横摇对波浪增阻的影响  96-113
  5.1 波浪增阻理论  96-106
    5.1.1 坐标系  96-97
    5.1.2 考虑参数横摇时的波浪增阻公式  97-105
    5.1.3 波浪增阻公式中的Kochin函数公式  105-106
  5.2 结果和讨论  106-112
  5.3 结论  112-113
6 总结与展望  113-115
  6.1 研究工作总结  113
  6.2 后续工作展望  113-115
创新点摘要  115-116
附录A 船舶二维水动力系数和Kochin函数计算方法  116-125
参考文献  125-131
攻读博士学位期间发表学术论文情况  131-132
攻读博士学位期间参与的科研项目情况  132-133
致谢  133-135
谢辞  135-136
作者简介  136-137

船舶迎浪中考虑波浪增阻影响的参数横摇预报

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