船舶在波浪上纵向运动与控制分析综述

 

  随着世界各国经济和军事的发展，人们对船舶快速性和耐波性的要求越来越高，诸如深 V 单体船[1]、小水线面双体船[2]、穿浪双体船[3]、高速三体船[4] 等高性能船舶也应运而生。但是，在高速航行或者遭遇恶劣海况时，高性能船容易产生大幅度的摇荡运动，引起失速、艏部砰击、船体结构损坏、乘员晕船[5] 等，对船上设备的运行和航行安全造成不利的影响。因此，为了保证其在高速、高海况航行时依然具有良好的耐波性、快速性和稳性等综合性能，在船体上安装减摇附体成为一种重要手段[6]。目前，高性能船上安装的减摇附体主要包括半潜艏、T 型翼、艉压浪板和扰流板等。半潜艏由日本学者木原和之在上世纪 80 年代中期提出[7]，安装于船艏底部。模型试验和实船测试表明，加装半潜艏可以有效降低运动响应峰值区域附近的纵摇角和艏加速度，降幅高达40%。但是半潜艏排水量约占全船的 15%，船舶湿表面积会增加约 10%。此外，半潜艏会使船艏变大，增加船舶阻力，这与多体高速船的设计目标不符，因此高速多体船上很少有这种设计。

  T 型翼属于水翼的一种。该翼型最早出现于20 世纪 90 年代，安装于船艏底部龙骨下方[8]，由水平翼和垂直翼两部分组成。在船舶航行时，会有效增加船舶的纵向阻尼，继而降低纵摇以及垂荡的运动幅度。同时调整其水平翼的摆角可以产生升力，增加减摇效果。与传统水翼相比，安装在船底的 T 型翼有着更大的浸深，产生的湍流远离船底板，可避免产生空泡或吸气效应，增阻效果不明显。引入可回收装置可以大大减少其维护成本，延长使用寿命。艉压浪板于上世纪 80 年代开始应用于美军高速水面舰艇[9]，它通过改善艉后兴波及增加船舶虚长度来减小兴波阻力。实际应用表明，艉压浪板有很好的减阻效果，同样航速下，可将发动机转速降低 19%，最高航速增加 1 kn。除了减阻效果外，艉压浪板也有一定的减摇效果。西班牙马德里大学于 1997 年对艉压浪板的减摇效果进行了船模试验，结果表明，在不规则波下使用艉压浪板会使船模的纵向运动幅度降低 10% 左右。艉扰流板是上世纪 90 年代提出的一种新型减摇设备[10]，其安装于船舶艉部，对其前方一定区域内的水流起到阻滞作用，继而改变流场以及船底部压力分布，产生升力来调整船舶航行时的纵倾角度，达到改善航态和降低船舶阻力的作用。与压浪板相似，扰流板也有一定的减摇效果。目前艉压浪板大多应用在小型游艇上，在大型高速船舶应用方面主要处于科学研究和技术储备阶段。将主动控制程序引入减摇附体控制系统可以随着船舶航态的改变实时地对以上附体进行控制（自动调节 T 型翼和艉压浪板的摆角、艉扰流板的 伸 出 长 度 等 ） ， 可 以 显 著 增 加 附 体 的 恢 复 力（矩），提高其减摇效果。世界上首个装配于双体船的水翼自动控制系统由挪威 Fjellstrand 公司于1991 年推出[11]，该系统可以实时监控船舶运动并通过调整水翼的摆角来降低船艏的垂向运动。实船试验表明，在 3 m 波高下使用 90% 的动力即可保持 40 kn 的高航速。该系统已在多艘实船上应用。1992 年，挪威 Harding 公司为一艘 35 m 双体船加装了 3 副可控水翼[12]，分别布置于双体船槽道中央以及 2 个片体后方，实际应用表明，该系统可以有效提高双体船的适航性。21 世纪以来，Esteban 等[13] 对 T 型翼和艉压浪板的组合进行了研究，并将其安装于高速渡轮船模上进行了试验，试验结果表明，使用主动式 T 型翼和艉压浪板可使船的垂向加速度降低 65%。此外，澳大利亚 INCAT 公司为美国的 JHSV 双体船和西班牙的穿浪双体船都设计了航态控制系统（Ride ControlSystem, RCS），该系统由 2 个艉扰流板和 1 个可收回的艏部 T 型翼组成，以控制高海况下双体船的纵摇和垂荡运动。总体而言，智能化是未来船舶发展的重要课题，要求船舶的附体可以根据实际遭遇的海况而实时改变位置或摆角。对于减摇附体控制系统的研究主要包含了附体控制策略和船舶运动预报2 大部分，主要采用数值计算、水池试验和实船试验用这 3 种方式。本文将对船舶在波浪上运动与控制的发展进行综述，包含数值计算和模型试验2 大部分，并在最后对相关研究进行展望。

  对船舶耐波性数值计算的研究始于 20 世纪50 年代，Korvin-Kroukovsky[14] 在空气动力学中细长体理论的基础上将船舶势流理论中的三维问题化简为二维问题，初期只能计算迎浪情况下的升沉和纵摇运动。随后，Tasai[15]，Grim 和 Schenzle[16]将该方法推广到了斜浪和横向运动中，即普通切片法（Ordinary Strip Method, OSM）。20 世纪 70 年代，Salvesen 等[17] 在此基础上提出了基于细长体假 设 和 高 频 低 速 假 设 的 Salvesen-Tuck-Faltinsen（STF）切片理论，引入了绕射势，以考虑船体对入射波流场的影响，继而实现了船舶在波浪上迎浪和斜浪下各种摇荡运动（除纵荡外）的求解。鉴于传统切片理论仅适合于计算低弗汝德数条件下船体的运动，Chapman[18] 提出了高速细长体理论（2.5D 理论），此后 Faltinsen 和 Zhao[19] 将其推广到可以求解任意细长体船型在高速下的水动力问题，该方法在切片理论的基础上保持了三维有航速的自由面条件，以反映航速的影响。Duan 等[20]将 2.5D 理论的定解问题看作二维时域的物面非线性问题，通过格林函数的记忆效应来考虑自由面的三维效应，提高了 2.5D 理论求解水动力问题的效率和稳定性。Ma 等[21] 采用时域格林函数方法求解斜浪中单体和多体船的运动响应和波浪载荷，将计算结果与模型试验结果和 STF 方法进行了比较，并将频域内线性 2.5D 理论进行扩展，求解了船舶航行于迎浪大幅规则波中时的垂向非线性运动和波浪诱导载荷响应。这些基于势流理论的方法有着计算效率高的优点，但其忽略了黏性的作用，未考虑船舶运动时大幅度的运动、船体附近破波现象等非线性因素，而这些因素有时会对船舶在波浪上的运动产生显著影响。计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）是求解黏性流场中船舶运动的重要方法，其过程主要是通过不同的湍流模型求解雷诺时均方程（Reynolds Averaged Navier-Stokes, RANS）的方法，求解思想是将计算域划分为若干网格，在网格上对方程进行离散，将偏微分方程简化为代数方程组。上世纪 70 年代时大多是在势流理论的基础上利用边界层理论来计算粘流。1978 年，Abdelmeguid 等[22] 基于传热问题求解了船舶的三维黏性绕流问题。1980 年代，对黏性流的计算逐渐发展起来。Patel[23] 通过流场试验的测量结果，从物理上分析阐明了船舶 CFD 数值方法应采用何 种 近 似 方 法 ， 该 阶 段 的 CFD 是 基 于 简 化 的RANS 方程。上世纪 90 年代以来，随着计算机技术的进步，大量基于 CFD 的软件被用于求解船舶耐波性问题，包括船艏破波[24]、船舶数值水池、黏性流场中的船舶运动[25]、带附体和螺旋桨船舶附近的流场[26] 等。astiglione 等[27] 完成的数值预报与试验结果的对比研究表明，非稳态 RANS（Un-steady RANS，URANS）方法可以有效模拟高航速和复杂海况下的多体船运动问题。Deng 等[28]、梁洪光[29]、邱永吉[30] 等均采用 CFD 方法计算了被动式 T 型翼对三体船阻力和耐波性的影响。但由于船舶附体（如舭龙骨、T 型翼）的边缘部分对网格质量要求较高，CFD 方法需要大量的计算时间。∂ ∂UnχYeung 等[31] 提出了自由表面随机涡方法（FreeSurface Random Vortex Method, FSRVM），结合船舶 2.5D 理论以及离散涡法，推导出了适用的非线性自由水面边界条件、瞬时水下物面上不可穿透和无滑移条件、边界积分方程和载荷的计算公式，建立了可以模拟多体高速船在波浪中多自由度运动响应的数值模型[32]，在时域内可预报多体高速船在迎浪或斜浪下的垂荡和纵摇运动、自由表面兴波以及运动控制装置的减摇减荡作用。Jiang等[33] 在整体模型中建立了各个运动控制装置的子模型，子模型根据多体船状态计算运动控制装置作用于多体船的载荷，并将载荷传递到多体船总的运动方程中。该方法提出的数值模型采用了一种虚拟的扩展速度概念，用来模拟船舶航速对二维平面流体的影响。图 1 和图 2 所示为二维计算平面模型和扩展速度的示意图。图中：pex 为施加于某一区域自由表面上用于造波的额外压强分布函数；βh 为入射波的无旋复速度势； Df 为自由表面边界； Db 为物面边界； D∑为无穷远边界；（ xb O,i， yb O,i）为动坐标系下点的坐标； 为船体表面某点的法向向量沿船长方向的速度分量。船舶在穿过某一固定平面时，与平面相切的船体轮廓会不断发生变化，当前时刻物面上的流体微团会被推至下一时刻的物面上，以满足不可穿透条件。该方法以无网格的方式，高效地求解了这一复杂问题，有效克服了数值黏性和畸形单元等问题。作为一种降阶方法，其与传统网格化计算流体力学方法相比，在计算时间上具有很大优势，同时保持了较高的计算精度。