通过实验研究了单步刨削船在非规则波浪中纵向重心和重量分布的变化

《Ocean Engineering》：Variation of longitudinal center of gravity and weight distribution on single-step planing vessel in irregular waves examined via experiments

该研究通过实验分析2.5米单步舷模型在JONSWAP谱波浪下的稳性性能，考察纵向质心（LCG）位置和回转半径/船长比（r/LPP）对垂荡、横摇及质心加速度的影响。结果表明LCG=0.85m时运动幅值较低，提高r/LPP可使垂荡减少8%、横摇降低7%，验证了通过质量分布优化提升稳性的有效性，为低成本改进高速船稳性提供新方法。

　　

Mohsen Mollaei Kandelous|Parviz Ghadimi

伊朗德黑兰Amirkabir理工大学船舶工程系

摘要

设计高速船舶需要仔细评估船舶的运动和加速度，特别是在波浪汹涌的海面上，小型船舶对波浪非常敏感。本研究调查了在非规则波浪条件下，具有20°吃水角和步长为船宽4%的阶梯式船体模型的抗浪性能。实验中，船舶的排水量为63公斤，前进速度分别为2米/秒和4米/秒（弗劳德数分别为0.9和1.8），同时考虑了重心（LCG）位于船尾0.85米和0.9米两种情况。回转半径与垂线间距离的比值（r/LPP）在0.25到0.273之间变化。波浪环境遵循JONSWAP谱，其特征波高为8.6厘米，峰周期为1.44秒，对应海况等级3。测量内容包括船舶在LCG处的纵摇、横摇和垂直加速度。结果表明，在相同速度下，重心位于0.85米的模型比重心位于0.9米的模型具有更低的平均纵摇和横摇幅度。此外，增加r/LPP比值可以使重心位于0.85米的模型的纵摇幅度降低8%，横摇幅度降低7%。这项研究表明，通过对质量分布进行微调可以有效改善抗浪性能，为传统船体改进方法（如附加装置或控制面）提供了一种新颖且成本效益更高的替代方案。

引言

海洋船舶会受到海浪产生的冲击力和周期性力的影响。在这种条件下预测高速船舶的运动是一项复杂的任务，因为这些船舶在非规则波浪中的行为具有高度非线性，线性模型无法准确捕捉其动态特性。1969年，Fridsma（1971年）对具有棱柱形船体的高速船舶在规则波浪中的垂直平面运动进行了实验研究。后来，他将分析扩展到非规则波浪条件下的相同船舶。Tanton等人（2011年）进行了另一项重要的实验研究，研究了在平静水中的多艘船舶。该研究评估了不同 Trim 角度、阻力和吃水深度等参数，并分析了横向台阶对这些因素的影响。随后，研究进一步扩展到非规则波浪条件，以评估横向台阶对船首和船尾加速度的影响。

有多种方法可用于分析高速船舶在波浪条件下的行为。Sun和Faltinsen（2010年）应用边界元方法模拟了高速船舶在非规则波浪中的行为，并将结果与Fridsma的数据进行了比较，发现当使用2.5D方法计算系数时两者吻合良好。Ghadimi等人（2013年；2019a年）通过分析滑行船体的自由表面变形和性能扩展了这项研究。后来，Ghadimi等人（2014年）开发了一个计算机程序，可以计算滑行船体在平静水中的水花喷射情况。由于分析高速船舶在波浪中的运动非常复杂，使用计算流体动力学（CFD）工具模拟其行为面临重大挑战。目前，研究人员利用CFD来准确模拟快速移动船舶在平静水中的性能（Shademani和Ghadimi，2017年；Ghadimi等人，2019b年）。Kim和Tezdogan（2022年）使用JONSWAP谱生成了特征波高为5米、峰周期为1.44秒的非规则波浪环境，研究结果表明，与平静水中的固有操纵性能相比，非规则波浪可能会显著改变船舶的航向保持能力和转向性能。Roshan等人（2022年）使用基于非稳态雷诺平均纳维-斯托克斯方程（URANSE）和k-?湍流模型的计算流体动力学（CFD）方法，研究了两种不同自由度的滑行船体在规则波浪中的运动。研究结果表明，滑行船体在波浪中的运动是非线性的。此外，随着弗劳德数的增加，纵摇和横摇运动的动态响应以及飞越现象的发生频率显著增加。Di Paolo等人（2023年）提出了一种使用计算流体动力学计算船舶在非规则波浪中操纵的新方法。该方法包括新的螺旋桨和舵模型、用于空气-水界面的VOF方法以及用于URANS方程的有限体积方法。Tahmasvand等人（2024年）使用计算流体动力学（CFD）研究了滑行船体在规则斜向波浪中的运动。研究发现，当波浪方向从正面变为斜向时，纵摇、横摇和加速度迅速减小，而横摇增加。然而，由于影响船舶在波浪中性能的不确定性很多，因此只能在特定假设下进行计算机模拟。

用于模拟高速船舶行为的理论和数值模型的复杂性不断增加，促使更多研究人员关注实验研究。Tanton等人（2011年）对四种单壳高速船舶进行了实验，测试了它们在非规则波浪中的速度（6米/秒、10米/秒和12米/秒）。该研究包括对最大和最小运动以及重心加速度的统计分析。一些研究人员通过添加附加装置和进行轻微的船体修改（如在船尾安装楔形物或加入横向台阶来控制Trim角度）来提高船舶的稳定性和性能。Ghadimi等人（Sajedi等人，2019年）研究了在平静水中添加楔形物对船舶的影响，发现楔形物显著减少了船舶的纵摇并避免了上下颠簸现象。Sajedi和Ghadimi（2020年）比较了带有楔形物、单独台阶以及两者组合的船舶，得出结论：单独台阶的船舶阻力最低。Sajedi和Ghadimi（2022年）进一步在非规则波浪中对带有台阶和没有台阶的单台阶船舶进行了测试，发现单独台阶配置可以减少运动和加速度。此外，Sajedi等人（2021年）在规则波浪中进行了测试，并为这些船舶绘制了响应幅度算子（RAO）曲线。Wielgosz等人（2020年）进行了缩比模型实验，以说明新的喷水偏转概念对船舶在平静水和波浪中的性能的影响。实验结果表明，所研究的喷水偏转设计可以通过减少阻力并在波浪条件下改善性能。Sajedi和Ghadimi（Ghadimi等人，2019b）对带有不同台阶设计的单壳船舶进行了测试，得出结论：加入台阶可以在滑行阶段降低阻力。Parsai等人（Parsaei等人）使用传统渔网（Sofnets）对滑行船舶在规则波浪中的抗浪性能进行了实验和数值研究。研究结果表明，当SOFNet位于船首时，可以在正面波浪条件下将纵摇和横摇运动减少多达32%。同样，当SOFNet位于浮力中心时，根据波浪特性，纵摇运动范围可以减少多达40%。Aliakbari等人（2023年）研究了SWATH船舶在非规则波浪中的抗浪性能，发现添加特定设备可以将横摇运动减少10%到20%，横摇运动减少25%到35%。Ghadimi等人（2025年）对台阶和船尾楔形物对高速船舶在非规则波浪中的行为进行了实验和统计研究。他们的结果表明，对于单台阶船舶，台阶和船尾楔形物的组合使用比没有船尾楔形物的双台阶船舶显著减少了纵摇和横摇运动。此外，还发现使用台阶和船尾楔形物分别可以将重心和船首的加速度减少34%和16%。

虽然以往的研究主要集中在通过几何修改（如台阶、楔形物和附加装置）来提高高速船舶的性能，但本研究采用了一种根本不同的方法，重点关注质量分布的影响。具体来说，本研究通过实验研究了纵向重心（LCG）位置和回转半径对非规则波浪中阶梯式滑行船体动态响应的影响。实验在2米/秒和4米/秒的速度下进行（船宽弗劳德数分别为0.9和1.8），波浪环境遵循JONSWAP谱，特征波高H 1/3 = 8.6厘米，峰周期T_p = 1.44秒。系统测量了关键响应参数，包括纵摇、横摇和重心加速度。与传统依赖外部附加装置来改变流体动力力的方法不同，本研究表明，仅通过微调LCG和回转半径就可以实现船舶运动和动态稳定性的显著改进，这为在不进行结构修改的情况下提高抗浪性能提供了一种新颖且成本效益高的策略。

部分摘录

问题定义

本研究旨在探讨波浪对滑行船体抗浪性能和运动的影响，重点关注波高、峰周期、船体重量和重心（LCG）如何影响船舶运动的减小。具体研究了单台阶单壳船舶在非规则波浪中的性能，分析了纵向重心和载荷布置的变化如何影响船舶稳定性。高速船舶的行为具有非线性，这使得性能预测变得复杂。

实验设置

实验测试遵循ITTC关于在拖曳水池中计算高速船舶阻力的建议（ITTC推荐程序和指南，2005年）。这些测试在伊朗国家海洋实验室（NIMALA）的拖曳水池中进行。拖曳水池的规格列在表2中。

结果分析

在本节中，基于表7中详细描述的测试，对模型的纵摇和横摇运动进行了时间序列分析。

对于每个测试案例，使用了总共75次波浪冲击，以确保数据符合ITTC的建议。请注意，必须通过减去静止水中的值来调整纵摇和横摇值，因为船舶会围绕这些参考点振荡。这里的高度指的是

与加速度相关的结果分析

加速度是评估高速船舶抗浪性能和结构完整性的关键参数。其重要性在于它可能对船舶结构、安装的设备以及船员造成损害。在这项研究中，加速度测量是在船舶的重心处进行的，因为它直接影响船体的压力分布。因此，将加速度纳入船体和船员设备的设计考虑中是

不确定性分析

误差是指测量值与真实值之间的差异，而不确定性则表示对测量准确性的怀疑或不确定程度。未知误差实际上可能是不确定性的一个潜在来源。不确定性根据ITTC提供的指南确定。不确定性包括五个不同的方面：模型几何形状、模型对齐、校准、直接测量和方程。

根据ITTC（

结论

本研究通过实验研究了Fridsma系列中具有20°吃水角的单台阶模型在非规则波浪中的性能。施加的载荷为63公斤，对应的载荷系数为0.5，船舶的纵向重心设置在距离船尾0.85米和0.9米的两处位置。实验在2米/秒和4米/秒的速度下进行，对应的船宽弗劳德数分别为0.9和1.8。此外，在这两个

作者贡献声明

Mohsen Mollaei Kandelous：撰写——原始草稿、可视化、验证、方法论、数据整理、概念化。Parviz Ghadimi：撰写——审稿与编辑、可视化、监督、项目管理、方法论、调查、概念化。

数据可用性声明

数据将在收到相应作者的合理请求后提供。

资金和/或利益冲突

作者确认他们没有从任何公共或私营部门获得资金，并且不存在利益冲突或竞争利益。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者衷心感谢“国家波斯湾拖曳水池”在实验过程中给予的合作。