船舶纵摇与垂荡减摇新方法及水动力机理研究

本项目针对船舶在规则波浪中航行出现不规则摇荡运动现象，提出遭遇频率散射概念。应用主动控制船舶航速航向使其形成周期性变化的方法，即遭遇频率散射，将单频波浪的波能分散至不同频率（遭遇）中，从而减缓船舶摇荡（纵摇与垂荡）运动的响应，由此提出和实现船舶波浪中航向保持运动状态下纵摇与垂荡减摇的新方法。本项目拟针对这一新方法的基础理论开展研究，通过波浪中船舶操纵性研究，即规则波浪中船舶操纵摇荡运动数学建模、船舶操纵摇荡航向保持运动稳定性与摇荡运动响应特性理论分析、船舶操纵摇荡运动仿真计算与减摇效果分析，期望得到船舶纵摇与垂荡减摇新方法的可行性，并通过纵摇与垂荡减摇效果模型试验验证的研究，初步检验减摇的效果。本项目研究的开展对于船舶减摇新方法的提出具有重要的理论意义，对于船舶纵摇与垂荡运动缺乏有效减摇方法的现状具有创新性的意义。

“船舶纵摇与垂荡减摇新方法机理研究” 项目研究，针对船舶在规则波浪中出现不规则摇荡运动响应的现象，探讨该运动响应的机理，期望通过机理研究得到工程应用的新技术途径和方法。. 传统的船舶耐波性理论给出的结论是，船舶在规则波浪中的运动响应为稳态响应。该理论的前提假设是船舶的惯量、水动力阻尼、恢复力和波浪干扰力均为常量，而实际船舶在海洋中航行时这些参量可能会发生改变，故而呈现非稳态运动的响应，即摇荡幅值呈现大小不等的现象。其中船舶的遭遇频率最有可能发生变化，为探讨规则波浪中非稳态运动响应的机理，针对船舶遭遇频率可能的变化，本项目主要研究内容为：. ① 船舶单自由度摇荡动力学模型及运动响应计算分析。建立了一个典型的二阶动力学摇荡模型，将航速脉动引起的遭遇频率改变量计入到波浪力相位中，数值计算得到了规则波浪下不规则摇荡运动响应现象，分析了产生不规则摇荡运动的机理——波浪力相位压缩。.② 船舶纵摇与垂荡动力学模型及运动响应计算分析。引入船舶航速的脉动模型，采用切片理论方法，推导了船舶纵摇与垂荡耦合的动力学方程，得到了含航速脉动效应的船舶纵摇与垂荡耦合动力学模型。在假定水动力系数为常数条件下，数值计算得到了规则波浪下不规则摇荡运动响应现象，得到产生不规则摇荡运动机理条件——航速脉动周期大于定常遭遇频率周期。.③ 船舶水平面操纵与摇荡动力学模型及运动响应计算分析。将操舵引起的遭遇频率变化量，引入到船舶操纵与摇荡运动方程中，建立了波浪中船舶水平面操纵与摇荡运动的弱耦合方程。数值计算研究了波浪中船舶航向稳定性以及船舶操纵对摇荡运动的影响规律，得到不规则摇荡运动响应的结果。数值计算分析表明，船舶低频操纵对高频摇荡运动影响的作用机理——低频操纵引起波浪力相位缓慢变化，波浪力相位压缩导致摇荡运动的不规则响应。.④ 船舶纵摇与垂荡不规则运动响应模型试验研究。基于数值计算分析设计了模型试验方案，在具有造波功能的长条水池中完成了验证性模型试验。试验结果验证了船舶低频航速摇荡引起纵摇与垂荡不规则运动响应的机理。. 项目研究结果表明：波浪中船舶低频操纵对高频摇荡运动的影响是，低频操纵调制了船体高频摇荡运动响应的幅值。操纵对船舶摇荡运动响应的主要机制是，操纵频率传递到波浪力中，并将波浪力相位压缩，使船舶高频摇荡幅值随低频操纵缓慢变化。.项目研究主要成果清楚揭示了波浪中船舶操纵下摇荡幅度缓慢变化的机