带漂角船舶水平漂移载荷计算及波浪中船舶回转运动预报
摘要
船舶在海上航行时会受到风、浪、流等外界环境的影响，其中波浪产生的载荷不仅
会对船舶的波频运动产生影响，而且会引起船舶的漂移运动。特别是在高海况下，水平
漂移载荷会对船舶航行安全造成严重威胁。目前，水平漂移载荷的研究主要集中在迎浪
条件下零漂角船舶的波浪增阻，忽略了斜浪中带漂角船舶横向和艏摇方向漂移载荷的影
响。精准预报不同浪向下带漂角船舶水平漂移载荷和波浪中船舶回转运动对船舶航行安
全具有十分重要的意义。随着船舶能效设计指数（EnergyEfficiencyDesignIndex，EEDI）
的强制实施，船舶最小装机功率评估已经成为研究热点，其中减小航速和螺旋桨转速是
满足能效要求最有效的方法。因此，研究波浪中船舶螺旋桨转速也具有重要的工程价值。
本文以KVLCC2油轮为研究对象，首先利用泰勒展开边界元方法（TaylorExpansion
BoundaryElementMethod,TEBEM）计算了斜浪中不同漂角KVLCC2船的6自由度运动
和水平漂移载荷。相比较于传统常值面元法和高阶边界元法，TEBEM能够有效克服尖
角处速度势高阶导数和非光滑边界处切向诱导速度精度低的缺点，极大的提高了速度势
高阶导数和诱导速度的计算精度。然后基于计算流体力学（ComputationalFluidDynamics,
CFD）方法计算了斜浪中不同漂角KVLCC2船的6自由度运动和水平漂移载荷，并将
CFD和TEBEM方法数值结果进行对比，验证了TEBEM数值模型的正确性。
然后提出了一种基于TEBEM的双时间尺度模型，用于预测波浪中船舶回转运动轨
迹。波浪中船舶回转运动包含操纵运动和波浪诱导运动，其中操纵运动为低频运动而波
浪诱导运动为波频运动。由于这两种运动频率差异较大，因此，本文使用两种不同的时
间尺度对其进行分析，即双时间尺度模型。船舶操纵运动采用计入水平漂移载荷的3自
由度MMG方程求解，而波浪诱导运动采用船舶6自由度运动方程求解。基于此模型本
文计算了不同浪向、频率和波陡的规则波中KVLCC2船在±35°舵角下的回转运动轨
迹，并且与实验值对比，验证了此模型的精度。
最后利用基于TEBEM的双时间尺度模型计算了KVLCC2船在长峰不规则波浪中
的回转运动轨迹，并且利用PID控制理论，研究了KVLCC2船在不规则波浪中的航向
控制和螺旋桨转速对航向稳定性的影响。本文的工作对船舶在实际海况下的航行安全和
最小装机功率评估具有一定的指导意义。
关键词：泰勒展开边界元法；双时间尺度模型；水平漂移载荷；回转运动；螺旋桨转速
带漂角船舶水平漂移载荷计算及波浪中船舶回转运动预报
Abstract
Shipswillbeaffectedbytheexternalenvironmentsuchaswind,wavesandcurrentswhen
sailingatsea.Theloadgeneratedbythewavewillnotonlyaffectthewave-frequencymotion
oftheship,butalsocausethedriftoftheship.Especiallyinhighseaconditions,wavedriftload
willposeaseriousthreattothesafetyofshipnavigation.Currently,theresearchonhorizontal
driftloadmainlyfocusesonthewaveaddedresistanceofshipswithzerodriftangleunderhead
seaconditions,ignoringtheinfluenceofdriftloadintheswayandyawdirectionsofshipswith
driftangleinobliquewaves.