2017, Vol. 39
2. 哈尔滨工程大学 船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001
2. College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China
研究船舶快速性、耐波性、操纵性、波浪载荷等航行性能的途径一般包括数值模拟技术和物理仿真试验技术。目前，解决流体动力问题的势流理论、粘流理论以及相应的计算机模拟技术已有相当的发展。且考虑流固耦合、自由面效应以及高速移动物面等强非线性因素的无网格法、粒子法、水弹性理论等新型理论技术也较好地解决了一些非线性水动力学问题。然而对于舰船在大风浪环境中的强非线性运动与载荷响应问题，尤其是对于舰船高航速下自由面条件问题的处理，数值模拟技术尚未能很好解决其中的难题，且数值计算的复杂度随着计算精度要求提高而迅速增加。因此，物理仿真试验在研究船舶水动力学性能领域仍然起着重要的作用。
水池实验室模型试验技术长期以来是世界造船领域中被广泛采用的一种研究方法[1]。水池环境中的风浪等参数可控，环境较为理想，这为模型试验的研究提供了稳定可靠的平台，因此使得水池试验具有可重复性的优点，可以对理论方法进行验证，对船舶科学技术研究具有重要意义。水池试验中波浪由造波机生成，然而造波机模拟波浪的能力有限，且长形水池中所造波浪大多为单向的长峰波浪。实际海浪是三维非线性波，是由风和重力的共同作用产生的，且具有尖峰坦谷等非线性特征[2]。充分发展的海浪需要一定的时间和足够的空间来完成能量的积累和方向的散布，波浪的这些特征在水池环境中很难模拟出来。因此水池试验中测得的模型响应与数值仿真结果接近，而与实船差别较大，特别是对于强非线性动力效应的研究，如上浪、砰击、波浪增阻等。
实船海上试验是获取舰船真实响应的最有效、直接的研究手段，但是实施实船海试并非易事[3]。以船型性能的优化研究为例，对备选船型分别建造全尺度船开展海上试验，以期达到优选船型的目的，这在现实中不可能实现。实施实船试验所需投入的人力、物力、财力及所需的时间都是巨大的[4]。此外，对于船舶在风浪环境中的试验来说，相当一部分研究旨在确定船舶在恶劣海况、甚至极端海况中的响应，例如船舶在 20 年一遇或百年一遇海浪中的响应，这对于实船试验来说，很难遭遇到。即使遭遇到类似海况，其试验过程具有很大危险性，通常也很难达到预期的试验效果。
基于上述几种研究方法存在的问题，国内外一些研究机构提出了利用实际海浪环境开展舰船大尺度自航模型试验的技术。该试验技术采用适当缩尺比的自航船模在自然水域环境中开展类似实船的物理仿真试验，避开了水池模型试验和实船海试中所存在的一些缺点，还综合了两者的部分优点[5]，减小尺度效应，试验环境更加真实，试验内容不受水池尺寸与功能的限制，能够更真实地反映出舰船在航行时的实际性能。
大尺度模型试验是指使用相对较大缩尺比模型在自然水域中开展相关性能试验研究的试验技术。大尺度模型的尺度根据所要开展的试验内容及需求而定，试验通常在湖中或近海等具有开阔水域的自然环境中进行。通过开展大尺度模型试验可将测量结果推算至实船，获取更真实的舰船运动与载荷响应。大尺度模型海上试验技术的主要特点包括以下方面：
1）试验是在开阔的自然水域中进行的，试验模型运动完全自由，六自由度耦合运动与实船类似，且航行距离、速度及方向等基本不受约束；
2）试验中模型所遭遇的波浪为真实三维海浪，是由风和重力的共同作用而产生的短峰波浪，因而模型的非线性运动、载荷、砰击和上浪等物理特征及响应特性与实船更加接近；
3）试验通常采用遥控遥测自航模型，可将风浪流的联合作用综合考虑，并能够开展大风浪环境中的航行性能试验，是对实船大风浪环境航行性能试验的很好的补充；
4）可开展的试验内容丰富，包括耐波性、操纵性、阻力与推进性能、稳性、抗沉性等，试验费效比低。
1 国外研究与发展现状大尺度模型试验技术公开发表的研究成果主要集中在美国、希腊和意大利等一些欧美国家。研究人员开展的大尺度模型试验内容较为广泛，例如快速性、操纵性、耐波性、载荷、稳性、水下爆炸等。下面将对国外几个较典型的大尺度模型试验研究进行总结分析。
美国海军“朱姆沃尔特”级驱逐舰 DDG-1000 在其设计阶段进行了多次大尺度模型试验，分别采用不同缩尺比的大尺度模型对该舰的运动性能、结构载荷及水下爆炸等进行了一系列试验研究。DDG-1000 实船总长为 183 m，排水量为 14 264 t。其大尺度模型缩尺比从 1/20，1/10 到 1/4，分别开展运动性能、气动性能、隐身性能、结构性能及综合电力系统等，其中 1/4 模型空船重达 90 t以上，长度达 45 m，如图 1 所示，主要完成结构冲击载荷及综合电力系统的测试。美国海军并不局限于研究大尺度船模的水动力学性能，还基于该模型进行了一系列军事演练，研究了人为因素对于海战胜败的影响。
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图 1 美国海军 DDG-1000 模型 Fig. 1 US Navy′s DDG-1000 model |
希腊 Grigoropoulos（2004）等在遮蔽海域中进行了某舰船的耐波性试验，测量模型响应的同时还用方向型浪高仪测量了海浪的频谱及方向分布。模型采用电力推进，为人工遥控，如图 2 所示。模型上配备了发电机组来提供推进的动力，采用 2 台电机分别带动 2 部桨轴转动。通过改变电机的输入电压以实现航速改变，且采集系统会记录实时的电机转速和控制电压。采用先进的卫星定位设备来记录模型的航行轨迹和速度。轴系布置了测量转矩的法兰装置对桨轴上的扭矩进行测量并记录。六自由度运动测量系统主要由 7 个捷联式加速度计组成，通过求解非线性方程组可以得到船舶六自由度运动数据。此外，还在螺旋桨周围布置了微小型摄像机用来研究螺旋桨性能。
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图 2 Grigoropoulos 等的耐波性试验模型 Fig. 2 Grigoropoulos et al (2004) seakeeping model |
意大利 Coraddu（2013）等在静水湖泊中开展了大尺度模型操纵性试验，旨在研究某双桨船的非对称推进性能。研究人员主要开展了回转圆运动、Z 折线 10/10 和 20/20 和螺旋线等操纵性试验项目。采用的试验模型长为 7.2 m，长宽比 7.5，船宽与吃水比 3.25，如图 3 所示。通过模拟实船的轴系布置并在轴系上布置力学传感器以测量轴系的非对称性能。模型的每个桨轴均由1台无刷电机驱动，每个桨轴还连有减速箱。对于开展操纵性试验，在每个桨轴上配有测力计以测量螺旋桨轴系的扭矩和推力。模型上还装备了 GPS，IMU 等设备以测量模型航态信息。试验在意大利的一个火山湖中进行，该湖由于长期水位平静且湖面宽阔，适合做静水中的操纵性和快速性试验。
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图 3 Coraddu 等的操纵性试验模型 Fig. 3 Coraddu et al (2013) manoeuvrability testing model |
意大利 Fossati（2015）等针对 1 艘游艇进行了全尺度模型设计，测量了游艇在海中航行时的运动与载荷（波浪载荷与风载荷）。文中详细介绍了其团队在游艇设计、建造与实施试验等方面的关键技术。该全尺度游艇总长 9.99 m（根据意大利法律规定 10 m 以上的船舶出海航行需要经政府审批）。游艇主要由壳体、钢骨架、甲板和风帆组成，如图 4 所示。试验主要采用以下仪器设备：力传感器（单向测力单元测量骨架上典型节点所受的力）、运动测量设备（测量x，y，z 三个方向的加速度、角度和磁场强度）、GPS 航态测量装置（测量风速和方向、船速、航向角）和风帆测量装置（风帆形状及其压力分布）。
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图 4 Fossati 等的游艇模型 Fig. 4 Fossati et al (2015) yacht model |
国内海军工程大学、大连海事大学、哈尔滨工程大学等高校及多家研究机构近年来也开展了多项大尺度船模在自然环境中的物理仿真试验研究。其中一部分工作是在自然水域环境中开展的潜艇、潜器等大尺度模型试验；另一部分工作为在自然环境中针对水面舰船开展的大尺度模型试验。本文主要介绍水面舰船试验研究工作，主要包括快速性、操纵性、耐波性、波浪载荷等性能的试验，其中快速性、操纵性试验主要是在平静水域中完成的。
哈尔滨工程大学自 2006 年以来开展实际海浪环境下大尺度模型试验研究，在“十一五”期间建立了一套海上大尺度船模遥控遥测试验系统并提出了相应海上测试方案。该项目中采用了圆舭型和深 V 型单体复合船，建造了 2 个总长约 7 m（缩尺比 1:19）的自航模型，模型水线长 6.6 m，型宽约 0.75 m，吃水约 0.22 m，排水量约 490 kg，模型如图 5 所示。
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图 5 耐波性试验模型 Fig. 5 Fossati et al (2015) yacht model |
2006–2008 年期间，在哈尔滨某静水湖泊中对模型开展了一系列遥控遥测系统的测试与调试工作。2007 年在葫芦岛的近海海域开展了圆舭船模型的耐波性试验。2009 年在大连小平岛海域针对圆舭型和深 V 型 2 个模型开展了耐波性试验研究[16]。通过这一系列大尺度模型试验，完善和改进了大尺度模型遥控遥测试验系统和耐波性试验测试技术，同时也对 2 种船型耐波性能进行了对比验证。将相同船型的大尺度模型试验和水池小尺度模型的试验结果进行了对比，分析了大尺度模型在三维海浪中的运动响应与船模水池不规则波试验中的运动响应的差异。
基于之前开展的整体模型耐波性试验的基础，哈尔滨工程大学于 2014–2015 年期间开展了 2 个大尺度分段船模的波浪载荷试验。两模型如图 6 所示，其中图 6（a）所示的模型主要是针对运动性能进行测量，所以只将模型分成两段并在船中剖面测量垂向和水平弯矩。该模型采用的缩尺比为 1:15，总长约 12 m，排水量约 4 t。图 6（b）所示的模型主要针对波浪载荷性能进行试验研究，该模型的缩尺比为 1:25，总长约 12.5 m，排水量约 4.5 t。该模型在第 2，4，6，8，10 和 12 站共 6 个剖面将模型切开将其分成 7 段，并在切口剖面测量模型的剖面载荷，尾部空间用来布置推进装置[18 – 19]。针对该模型，开展了缩尺比为 1:50 的水池模型试验。两模型除比尺不同外，船体结构和传感器布置完全相同，两模型如图 7 所示。其中大尺度模型在近海实际海浪环境中开展试验，小尺度模型在水池实验室长峰波中开展相应工况试验，并对结果进行对比研究。
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图 6 水弹性试验模型 Fig. 6 Hydroelasticity testing models |
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图 7 相同船型不同尺度的模型比较 Fig. 7 Models with different scales |
尽管我国在大尺度模型试验研究方面取得了一些成果，但是该技术中仍存在一些需要解决的关键问题。为了研究大尺度船舶模型在自然海浪中的水动力学性能，充分了解和掌握试验区域的海况信息是必要的。此外，为建立稳定可靠的海上试验测试系统，还需进一步完善大尺度模型试验的测试方案设计、测试系统以及试验实施方案的优化。再者，需要针对大尺度模型试验测试数据开展专门的数据分析技术研究。将大尺度模型试验测试内容推广到快速性、操纵性、稳性、抗沉性等方面，并基于测试数据对舰船风浪环境适应性进行综合评估（见图8）。本文对大尺度模型试验未来的发展方向展望如下：
1）进一步研究和掌握近海试验海域风浪环境的规律特征。对试验海域的固定区域（约 10 km × 10 km）进行风浪环境的长期监测，通过对所建立的海浪信息数据库分析，掌握风浪等环境信息规律，为开展船舶在不同风浪条件下的试验奠定基础。
2）完善试验测试平台及系统。提高模型控制系统、数据测量系统及无线通信系统的可靠度，特别是在大风浪环境中的系统可靠性，保证试验测试数据的稳定可靠。
3）深入研究并制定试验实施方案。根据船舶稳性、快速性、操纵性、耐波性、波浪载荷、生命力等不同试验项目，开展各项试验的大尺度模型试验实施方案研究，制定科学的试验测试方法和数据处理技术，形成可靠的试验规程。
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图 8 研究内容及流程 Fig. 8 Framework of research plan and procedure |
实际海浪环境大尺度自航模型试验技术是船舶综合航行性能研究的一条新的途径，本文通过总结分析该试验技术的国内外研究进展，得到以下结论：
1）实际海浪环境大尺度模型试验技术在国外新研制船型及高性能船型的综合航行性能评估中发挥了重要作用，是对现有理论与试验研究体系很好的补充；
2）大尺度模型试验技术使舰船性能在更真实的试验环境中进行验证，对于深入研究我国现有高技术舰船的实战环境适应性，指导新船型的设计和性能评估具有重要意义。
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