基于RANS和非线性动力学方法的海洋平台供应船水舱减摇预报（英文）

在探讨带平面被动式减摇水舱的海洋平台工作船在横浪中的减摇问题上,采用RANS方法进行船舶和水舱的强迫运动模拟,通过数值处理得到船舶和水舱的水动力系数。假设在共振频率下船舶和水舱的横摇运动在达到稳态后可以解耦,由非线性动力学的方法求解船舶横摇运动,并在波浪中进行系列模型试验以研究减摇特性。海洋平台工作船具有多工况的特点,不同载况对应不同船舶固有周期,实际航行中对减摇水舱的使用就是通过改变水舱水深使水舱的周期等于船舶固有周期,而通过上述方法的快速计算,选择合适的水深和阻尼隔板可以达到理想的减摇效果。结论表明该方法可以预报不同方案下的船舶横摇运动,该思路在船舶的减摇水舱设计阶段可以提供参考价值,并且在实船航行中可以提供水深加载指导以适应复杂的多工况航行。文中研究结果被运用于一艘实船航行时水舱加水策略中。     

基于Matlab的船舶减摇水舱自动控制与仿真研究

稳定性是船舶航行质量的重要指标,远洋航行的船舶受到海风、海浪的影响,往往会发生横摇、振荡等运动。其中,横摇是指船舶在风浪作用力下产生的周期性摇摆运动,甚至会引起船舶发生倾覆等危险事故。因此,船舶工业领域投入了大量的物力、财力开发船舶的减摇装置,常见的减摇装置包括减摇鳍、减摇水舱等。减摇水舱依靠船舶横摇运动的能量使水舱内的水流动,产生的力矩可以有效地降低船舶横摇,具有结构简单、成本低、易于控制等优点,广泛应用于集装箱运输船、科学考察船等。本文针对船舶的减摇水舱,在仿真平台Matlab中研究了减摇水舱的自动控制系统,并进行了减摇水舱的结构优化设计和控制响应的仿真。本研究对改善船舶减摇水舱的自动化水平,提高结构强度有一定的指导意义。     

平面纯被动减摇水舱设计研究

海洋工程船的减摇是适应其服务的海洋与气象环境的实际需要,关系到海工船工作效率、舒适性和安全性。阐述了横摇的减摇基本原理、减摇的运动微分方程式并编制了适用于平面纯被动减摇水舱的计算程序;分析了自摇周期的经验公式的适用性,以及不同减摇水舱尺寸、不同介质对减摇效果的影响;通过对PSV(海洋平台供应船)和AHTS船(多功能海洋锚作拖船)的减摇计算与分析,展望了纯平面减摇水舱实际使用的前景。     

U型水舱在船舶中的垂向布置问题

基于“船舶－被动式U型减摇水舱”系统运动微分方程，分析了U型减摇水舱在船舶中的垂向位置对船舶横摇质量惯性矩、横摇复原系数、横摇固有频率、船舶与水舱的耦合惯性矩等系统方程参数及对船舶横摇运动和舱内液体运动的影响。结果表明，水舱垂向位置高船舶横摇中心越远，由舱内液体引起的船舶横摇质量惯性矩和横摇复原系数越大，船舶横摇固有频率则越小。而耦合惯性矩则随水舱布置高度的变化呈减小的趋势。对于各种不同类型的船舶，存在一个使舱内液体不发生振荡的奇异位置，这时水舱不产生任何的减摇效果，船舶的横摇运动与不安装水舱时相同。利用我校所研制的减摇水舱模型性能摇摆台进行了水舱模型不同垂向布置时的强迫振荡试验，试验结果与仿真结果具有很好的一致性。指出了除水舱固有频率和水舱阻尼外，水舱在船舶中的垂直方向位置也是影响水舱减摇性能和船舶减摇后的横摇运动的主要因素之一，在减摇水舱设计初期应当予以考虑。     

基于万吨溢油回收船的平面被动式减摇水舱优化及模型试验研究

为了进一步掌握平面被动式减摇水舱中水位变化对减摇效率的影响规律，为减摇水舱总体设计提供参考。根据目标船和减摇水舱结构特点，选择5档水舱水位和无水状态分别进行静水横摇衰减模型试验、规则波模型试验和4级海况不规则波模型试验，针对减摇水舱水位变化对目标船固有周期、阻尼特性、减摇效率的影响规律进行分析，确定最佳水位区间。研究结果表明，水舱水位增加对目标船横摇固有周期和阻尼系数都有影响，水舱水位在水舱总高50%以内，减摇效率随水位增加而提高，在50%~60%之间减摇效率最高，超过60%时，减摇效率有降低趋势。     

变周期减摇水舱控制与仿真

减摇水舱的设计首先要考虑与船体的适配,同时在设计中要重点考虑水舱的阻尼与周期特性,其中周期特性是水舱最基本的特性参数,适用周期范围越宽,减摇效果越理想。针对变周期减摇水舱的相当长度与一般U型水舱相当长度计算的不同之处——其连通道宽度可调且边舱面积随边舱外壁角变化而变化,通过积分方法推导出了可变周期减摇水舱相当长度的计算公式,提出了一种适用于变周期减摇水舱的估算方法。所设计的变周期减摇水舱采用连通道挡板控制改变周期,避免了气阀控制的时间延迟问题,还可根据船体运动规律调整连通道阻尼挡板以提高减摇效果。以某型船为例,建立了船舶减摇水舱仿真模型。经减摇水舱自由衰减振荡数值仿真方法验证,所提出的周期估算公式可靠。采用该模型研究了变周期减摇水舱的控制方法,结果表明,在其工作范围内,可使横摇角始终保持在8°以内,可以在5.5～18 s的周期范围内有效减摇,大大超过了被动式减摇水舱的工作频带。     

基于万吨溢油回收船的平面被动式减摇水舱优化和模型试验

为进一步掌握平面被动式减摇水舱内水位的变化对减摇效率的影响规律,以某万吨级溢油回收船为研究对象,选择5档水舱水位和无水状态分别进行静水横摇衰减模型试验、规则波模型试验和4级海况下的不规则波模型试验,对减摇水舱内水位的变化对目标船固有周期、阻尼特性和减摇效率的影响规律进行对比分析。研究结果表明:水舱内的水位增加对目标船的横摇固有周期和阻尼系数都有影响;当水舱内的水位在水舱总高的50%以内时,减摇效率随水位的增加而提高;当水舱内的水位在水舱总高的50%~60%范围内时,减摇效率最高;当水舱内的水位在水舱总高的60%以上时,减摇效率有下降的趋势。     

可控被动式减摇水舱随机控制策略研究

在"船舶-可控被动式减摇水舱"系统数学模型基础上,根据安装减摇水舱的船舶在随机海浪作用下的横摇运动特点,利用成型滤波器以及在线辨识方法对"船舶-可控被动式减摇水舱"系统横摇运动进行预报,并利用预报信息以及实时测量信号对减摇水舱内液体进行控制,实现船舶横摇运动与水舱内液体运动的相位控制,使减摇水舱在不同航态以及不同海情下均有较好的减摇效果.     

减摇水舱台架系统中横摇阻尼的模拟实现

在减摇水舱台架模拟实船运动过程中，横摇阻尼的模拟是个技术难点。给出了船舶横摇阻尼和阻尼模拟的理论基础，提出了一种新的阻尼模拟方法，并对阻尼模拟在规则波和不规则波下进行了仿真。结果表明此模拟方法具有可行性，最后应用到减摇水舱台架系统中，实验证明方法行之有效，从而在此基础上做横摇、横荡实验，为实船装备减摇水舱提供试验数据。     

参数频率响应法在"双水舱"系统中的应用

使用两个具有不同固有频率的被动式U型减摇水舱能给横稳心高变化范围很宽的船舶提供很好的减摇效果,本文给出了参数频率响应法,推导了装备两个具有不同固有频率的被动式U型减摇水舱的船舶横摇频率响应函数,分析了影响船舶横摇频率响应幅值的水舱参数。通过仿真详细研究了水舱参数对船舶横摇减摇的影响。研究结果对于双被动式U型减摇水舱的设计具有重要的指导作用。     

船舶非线性横摇运动数值模拟研究

非线性大角横摇运动是危害船舶安全的重要因素,也是船舶水动力学关注的热点及难点问题。文章采用CFD方法,对某型驱逐舰船模在不同波长规则波中横浪航行时的横摇运动进行了数值模拟。通过与水池实验比对,数值仿真得到的稳定横摇幅值与实验值的误差在10%左右。同时,数值模拟证实了非线性横摇的两种典型特征—“多值”及“跳跃”现象。数值模拟结果表明,CFD方法可作为研究船舶非线性横摇运动的有效手段。     

渔船非线性横摇理论研究分析

为讨论船舶在波浪中的非线性横摇,应用非线性动力学的方法对现象进行理论分析,得到主共振情况下船舶运动稳态响应的解析解,并对实船进行稳定性分析。通过不同波浪条件下船舶非线性横摇运动的模拟计算,预报船舶在横浪中的横摇运动,预报结果与试验结果比较一致。     

粘性流中船舶横摇阻尼计算

船舶横摇阻尼的确定是准确预报船舶在波浪中运动的关键之一.本文以粘性流理论为基础,以连续性方程和N-S方程为控制方程.对Series 60船型的二维横剖面绕流进行了数值模拟,计算分析了不同工况下船体剖面的横摇阻尼系数,并与相关实验结果进行了比较.对比和研究表明,本文的方法能给出船舶横摇运动诱导的涡,船体的横摇阻尼等,可进一步拓展应用于船舶在波浪中运动的分析预报和优化设计等方面.     

Influence of initial heeling angle on ship roll motion response北大核心CSCD

[目的]系统地研究初始横倾角对随机横浪下船舶横摇运动响应的影响。[方法]以路径积分法为基础,通过数值求解控制横摇运动微分方程概率属性的Fokker-Planck方程,得到横摇运动响应的概率分布。[结果]结果显示,初始横倾角对船舶横摇运动响应谱的影响有限,但对横摇角概率分布以及横摇运动响应极值分布的影响十分明显,且会造成船舶安全性的显著恶化。[结论]路径积分法可作为研究随机海浪下船舶横摇运动特性的有效数值方法。     

Study of damaged ship motions taking into account floodwater dynamics

This paper presents an application of shallow water theory to describe the motion of floodwater inside a rolling ship in damage condition. The time domain theoretical approach to the coupled problems of ship and water inside compartment motions is briefly described, including the method used to solve for the water motion characteristics and forces exerted on the ship. This approach is applied to the study of the behaviour of a passenger Ro–Ro ship in regular beam seas and numerical results are given for the intact and damaged conditions. Comparison is made with experimental results. For the damaged condition, the characteristics of the floodwater motion are studied in the time domain for a number of different wave frequencies. The shape of the free-surface and phase of water motion in relation to the ship roll motion are shown for several wave frequencies. The dynamic floodwater roll moment is also shown and compared with the static roll moment (flat horizontal free surface), allowing the conclusion that the dynamic roll moment is much larger than the static roll moment, for high wave frequencies, and is in phase opposition in relation to the roll motion.     

基于CFD分析的船舶横摇运动统计特征

船舶大幅度横摇的准确预报一直是船舶工程界关注的热点研究方向之一。基于CFD软件Fluent对船舶横摇问题进行了数值模拟研究,建立了船体自由横摇运动的有限体积模型。通过对一系列船体于静水中作不同初始横摇角的自由横摇运动进行数值模拟,分析得出船体横摇非线性过程中横摇角幅值存在一定的统计规律,并提出基于此统计规律对船体的大幅横摇运动进行数值预报的方法。     

系泊船舶运动响应周期试验研究

针对国内外系泊船舶物理模型试验中所给系泊船舶运动响应周期特征参数的不同,对横向波浪作用下一艘26.6×104 m3系泊LNG船舶的运动响应周期特性进行物理模型试验研究。结果表明,半载状态下,纵移运动存在着32 s的自振周期;横移运动为周期性间歇增长运动,横移运动周期与系泊船舶固有横摇周期的比值在1.11～1.23,大体上随波浪周期增大成倍数增长;横摇运动峰值随波浪周期增大而增大,横摇运动周期与系泊船舶固有横摇周期的比值在1.23～1.48,大体上随波浪周期增大成倍数增长;不同装载状态下回转运动均存在着较长的自振周期:半载状态为30 s,满载状态为32 s。     

大型船舶综合减摇系统的研究

本文在分析船舶的综合减摇问题以及船舶主要减横摇装置的优缺点的基础上,针对船舶的减横摇问题,兼顾船舶的静倾问题,提出了可应用于全工况下的船舶综合减摇系统.综合减摇系统是由减摇鳍、减摇水舱和抗静倾平衡水舱组成的.这种综合减摇系统既综合了鳍与水舱的优点,又克服了减摇鳍和减摇水舱各自的缺陷.以高速滚装船为例,建立了"船舶-减摇鳍-被动式U型水舱"系统的运动方程并进行了计算机仿真.通过对仿真结果的讨论和分析得到如下结论:这种综合减摇系统具有良好的减摇能力;在各种航态下(包括零航速)都能达到减摇要求;综合减摇系统的减摇性能远远好于单独使用减摇鳍和减摇水舱的性能.船舶综合减摇系统的提出为大型船舶的综合平衡开辟了新途径,这种设计方法对大型水面舰船、尤其对有舰载机的船舶及两栖作战舰船的综合减摇具有重要意义.     

A design for ship stabilization by activated antiroll tanks

An activated antiroll tank system design for ship roll reduction was investigated. Considering the dynamics of the ship motion, tank flow, and variable-pitch impeller, a control law is derived based on optimal control and estimation theory. Finally, a series of numerical computations for a 1174 tonne ship without an antiroll tank system, with a passive tank system, and with the proposed activated antiroll tank system is performed. The results show that the proposed activated tank system has superior antiroll properties for free rolling, regular, and irregular sea loads to the passive tank system. In addition, this design has a very low sensitivity to variations in ship and tank dynamics. It shows that the proposed system is reliable and valid for practical use.