【摘要】：傳統(tǒng)的船舶水動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)大多是以水池模型試驗(yàn)的形式開(kāi)展的。水池試驗(yàn)中通常采用小縮尺比的模型,波浪一般是由造波機(jī)生成的長(zhǎng)峰波浪,模型的搖蕩運(yùn)動(dòng)一般通過(guò)機(jī)械式適航儀約束并測(cè)量。這些因素都使得水池試驗(yàn)不能最大限度地反映出船舶實(shí)際航行時(shí)的性能特征。實(shí)船海試雖然是最真實(shí)可靠的試驗(yàn)方法,但其實(shí)施成本高且花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng),使得這種試驗(yàn)方法不能廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究領(lǐng)域�；谏鲜鰻顩r,本文提出了一種通過(guò)使用大尺度模型在自然海浪中開(kāi)展水動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)的新型技術(shù)。該技術(shù)綜合了水池模型試驗(yàn)和實(shí)船海試的共同優(yōu)點(diǎn),例如通過(guò)采用大尺度模型可以減小尺度效應(yīng),試驗(yàn)是在真實(shí)的風(fēng)生浪環(huán)境中開(kāi)展的,且自航模型可以進(jìn)行任何浪向角下的試驗(yàn)測(cè)量。本論文旨在提出并研究大尺度模型海上試驗(yàn)相關(guān)技術(shù),對(duì)此開(kāi)展了以下方面的研究工作:(1)分析了近岸海浪的基本特征,研究了大尺度模型試驗(yàn)海區(qū)的選取原則。并在黃海和渤海沿海區(qū)域不同位置處對(duì)近岸海浪進(jìn)行了多次測(cè)量,將近岸海浪譜與大洋譜對(duì)比,證明近岸海浪與遠(yuǎn)洋海浪譜形的相似性。為了進(jìn)一步了解和掌握試驗(yàn)基地近岸海浪的分布及變化規(guī)律,提出了試驗(yàn)基地海區(qū)海浪數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)劃。該計(jì)劃旨在研究試驗(yàn)海區(qū)海浪的預(yù)報(bào)方法,從而提高大尺度模型試驗(yàn)操作效率。(2)針對(duì)分段模型載荷試驗(yàn)的船體設(shè)計(jì)及龍骨梁設(shè)計(jì)等問(wèn)題展開(kāi)研究,重點(diǎn)提出了兩種典型龍骨梁方案的設(shè)計(jì)方法。針對(duì)大尺度模型海上試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的研究,包括大尺度模型船體設(shè)計(jì)、建造和組裝原則和方法,試驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)中各儀器設(shè)備介紹和實(shí)驗(yàn)實(shí)施的方法及流程。(3)提出了大尺度模型耐波性及波浪載荷試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析和研究方法。主要依照下述三個(gè)方面或角度分別對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析:1)大尺度模型在三維海浪中的運(yùn)動(dòng)與載荷響應(yīng)特征研究;2)大尺度模型海試與小尺度模型水池試驗(yàn)及數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比分析;3)由大尺度模型試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果外推預(yù)報(bào)實(shí)船遠(yuǎn)洋航行長(zhǎng)短期響應(yīng)。(4)將大尺度模型試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果推廣應(yīng)用于艦船綜合性能評(píng)估,提出了一套船舶環(huán)境適應(yīng)性的多級(jí)模糊綜合評(píng)估體系。綜合船舶耐波性、波浪載荷、快速性、操縱性、穩(wěn)性和抗沉性等多個(gè)學(xué)科建立了船舶風(fēng)浪環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系;并綜合層次分析法(AHP)和熵值賦權(quán)法對(duì)各級(jí)指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán);最終由基于模糊理論的多級(jí)評(píng)估模型計(jì)算船舶綜合性能得分�？傊�,本文從大尺度模型試驗(yàn)前的沿海海浪環(huán)境分析、大尺度模型試驗(yàn)系統(tǒng)建立、試驗(yàn)開(kāi)展與實(shí)施流程、試驗(yàn)數(shù)據(jù)后處理分析和試驗(yàn)技術(shù)功能推廣應(yīng)用等方面對(duì)大尺度模型試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行了全面研究。并在葫蘆島海區(qū)多次實(shí)施了大尺度模型水動(dòng)力學(xué)試驗(yàn),表明了本文提出的試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)是穩(wěn)定可靠的,試驗(yàn)測(cè)試實(shí)施方案是可行的。通過(guò)對(duì)大尺度模型在自然海浪環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)與載荷響應(yīng)數(shù)據(jù)分析,及其與小尺度模型水池試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果的比較,證明了本文所提試驗(yàn)技術(shù)的合理性與優(yōu)越性。自然海浪環(huán)境中大尺度模型試驗(yàn)技術(shù)具有廣泛的發(fā)展與應(yīng)用前景。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：U674.70
【圖文】：

日本海試研究機(jī)構(gòu)(NMRI)于 2010 年 8 月完成建造了大型風(fēng)浪聯(lián)合模擬水池，該水池尺寸為 80m 長(zhǎng)、40m 寬和 4.5m 深。在水池的四周池壁共安裝了 382 塊造波板，且各塊造波版的運(yùn)動(dòng)是相互獨(dú)立的。通過(guò)計(jì)算機(jī)控制各塊造波板，該水池可以實(shí)現(xiàn)短峰波浪的模擬。該水池還可以制造最大風(fēng)速為 10m/s 的波動(dòng)速度風(fēng)。其裝配的航車(chē)可以實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)：沿水池長(zhǎng)度方向最大速度為3.5m/s、沿水池寬度方向最大速度為3.0m/s和繞子航車(chē)中心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。哈爾濱工程大學(xué)(HEU)海洋綜合水池竣工于 2009 年[22]，水池尺寸為 50m 長(zhǎng) 30m 寬10m 深。造波機(jī)安裝在池壁一端，僅能制造單向長(zhǎng)峰波浪。其主向航車(chē)的最大速度可達(dá)3m/s，分向航車(chē)的最大速度可達(dá) 2m/s。英國(guó)南安普敦大學(xué)(University of Southampton)于2014年9月建造完成了新型拖曳水池，水池長(zhǎng)度為 138m 寬為 6m 深為 3.5m。水池上安裝的纜繩牽引式拖車(chē)的最大速度為12m/s。在該水池中可開(kāi)展各類(lèi)型的船舶及離岸結(jié)構(gòu)物的水動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)。鉸接式推板造波機(jī)可造的最大規(guī)則波波高為 0.5m，周期分布為 0.8s 至 3.5s。水池還裝備了運(yùn)動(dòng)跟蹤式攝像系統(tǒng)和 PIV 流場(chǎng)記錄裝置。

第 1 章 緒論試內(nèi)容也是豐富多樣的，包括阻力、運(yùn)動(dòng)、載荷、流場(chǎng)分布等。模型一般為托航或自航模，由航車(chē)拖動(dòng)或約束使其達(dá)到要求速度，也有少數(shù)模型采用完全自由的自航設(shè)備。在池壁的一端裝有造波機(jī)設(shè)備，另一端通常建有消波岸。國(guó)外典型的耐波性及波浪載荷水池試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D 1.2 所示。

一般新船建成之后都需進(jìn)行交船試航試驗(yàn)，測(cè)量船舶的綜合航行性能。也有少數(shù)研究者通過(guò)實(shí)船開(kāi)展一些特性及專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)。近一個(gè)世紀(jì)以?xún)?nèi)，全球曾對(duì)數(shù)百艘艦船進(jìn)行了實(shí)船海上特性及專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)。Lee(2010)[25]通過(guò)應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)記錄了 8063TEU 集裝箱船在兩年運(yùn)營(yíng)中的船體垂向彎矩，進(jìn)行了載荷長(zhǎng)期預(yù)報(bào)并與計(jì)算值進(jìn)行比較。Andersen(2014)[26]測(cè)量了 9400TEU 集裝箱船遭遇暴風(fēng)海況（有義波高約 8m）時(shí)的船中剖面載荷，并分析了船體砰擊載荷特性。Tim[27]通過(guò) GPS 等設(shè)備測(cè)量了集裝箱船離港與進(jìn)港時(shí)船體的升沉、縱搖和橫搖運(yùn)動(dòng)，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。Nielsen(2012)[28]根據(jù)船舶（圖 1.3(a)）在大西洋里為期兩周的航行中所測(cè)量的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，結(jié)合船舶本身的傳遞函數(shù)對(duì)海況進(jìn)行預(yù)報(bào)，并與衛(wèi)星觀測(cè)的海浪情況進(jìn)行比較。針對(duì)圖 1.4 所示的高速雙體船，Davis(2005)[29]通過(guò)實(shí)船進(jìn)行的海上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定了其不同航速和浪向下的幅頻響應(yīng)算子。Jacob(2014)[30]對(duì)其在高海況中的砰擊載荷響應(yīng)進(jìn)行研究。Lavroff(2013)[31]通過(guò)水池分段模型試驗(yàn)的形式，又對(duì)其進(jìn)行載荷與砰擊特征研究。

本文編號(hào)：2793143