英语原文共 10 页
单点系泊的救生艇的电流感应运动的实验研究
Catherine J. Hollyhead, Nicholas C. Townsend, James I.R. Blake
摘要：本文提出关于按1：40缩尺的单点系泊救生艇电流感应运动的一系列模型实验。系泊设备结构对船舶及浮标运动的影响因素有：（a）三条系泊链的长度，（b）四种浮标形状，（c）两种已知的浮标尺寸。一种运动追踪算法被成功运用并且验证了来自惯性测量单元的数据，使小规模测试不受仪器布线影响。结果表明，随着双摆状鱼尾运动的盛行，单点系泊救生艇模型的平移运动主要是横摇，旋转运动主要是首摇。当没有浮标时，增加锚链孔长度会导致船舶横摇速率的增加。缩尺比从1：40到1：20的浮标形状的变化对船舶运动没有显著的变化。然而，实验发现浮标的出现和尺寸的增加加快了浮标的横荡速度并且减缓了救生艇模型的运动。这些结果表明浮标尺寸的改变影响了救生艇模型的运动，而这些改变或许可以改善系泊效率。
关键词：单点系泊；系泊船舶响应；浮标形状；救生艇；船舶测试。
1.介绍
1.1目的
美国船级社将单点系泊（SPM）定义为“一种使船舶在被系泊在固定或者漂浮结构上时成为风向标，这一结构由刚性或铰接式结构体系或悬链线系泊系统固定在海底”（ABS,2014年），单点系泊使船舶能够自行调整以应对主要波浪且相比于航向受限制时减少系泊链所受的载荷(Schellin，2003；石油公司国际海洋论坛，2008年)。到目前为止，由于近海石油和燃气开采业务的扩展，大型船舶在SPM系统下在近海深水区的运动已经被广泛地研究（Gaythwaite，2004年；Fan等人，2017年）。
例如，对于船长小于20米的小型船来说，关于SPM系泊效果的数据是有限的。包括属于皇家全国救生艇协会的40个和在英国上市的389个码头，世界上有许多SPM系泊船 (Which-Marina, 2015)，这些系泊船配备了各种长度的锚链和诸如球形、圆柱形、桶状和组合体的各种形状的浮标。结合许多关于脱离系泊系统最终导致毁坏或召集救援人员的游艇的媒体报道(BBC, 2008; Percuil River Moorings Ltd., 2010; BBC, 2012; IWCP, 2012; BBC, 2013; SeaSurveys, 2013; Yachting and Boating World, 2016a; Yachting and Boating World, 2016b)。另外，英国海事意外调查科曾报道过，在直到2001年的十年时间内，有85位渔民丧命，其中有6位是因为“坏掉的系泊线的鞭打，系泊线从导缆孔滑脱或者被坏掉的系泊绳击打” (Lang, 2001)。因此，有必要弄清楚SPM系泊的小型船舶的运动响应。
1.2背景
刚性浮体的位移可以用6个自由度来描述：纵荡，横荡和升沉这三个沿轴线的平移运动以及横摇，纵摇和艏摇这三个沿轴线的旋转运动。对于一艘不受限制的船，这些运动可被分为摇摆运动（升沉，纵摇和横摇）和非摇摆运动（纵荡，横荡和艏摇）。其中，摇摆运动运动由于会导致船舶的平衡位置的改变而产生复原力。(Van Dorn, 1974)。然而当一艘船系泊在SPM系统时，悬链系泊链提供了复原力，摇摆运动也能额外发生在纵荡，横荡和艏摇运动中，每一种方式以其固有频率在共振频率上提供了大幅运动的潜能(Van Dorn, 1974)。在实验和从数学模型中所观察到的在风和水流中的一种运动被称“鱼尾运动”。这一在水平线上缓慢的流动在摇摆运动中称为浮标的纵荡，横荡和艏摇。
使用近海船舶模型在深水区所做的实验表明这一流行的双摆状的运动能通过缩短锚链的长度(Pinkster and Remery, 1975)或增加锚链所受的力(Sorheim, 1980)被减缓。有一篇文献综述发现有许多出版物详细记载了在SPM系统下的近海船舶运动响应方面的实验数据，但是只有一篇与一类小型船舶有关，这类船舶检查系泊在码头的渔船的运动 (Oosugi et al., 2007)。这些作者找不到能提供关于浮标形状或者浮标尺寸对小型船舶的运动的影响的实验数据库，例如那些驻扎在海港悬链线SPM的RNLI的船舶。
1.3.文章结构
本文从对一系列对1：40缩尺的船舶模型进行的关于锚链长度、浮标尺度和浮标形状对自由悬链线SPM结构（即，不使用固定弹簧-质量阻尼器的系泊线）的小艇(考虑小于20m)的影响的实验的研究中得出结论。本文的结构如下：在第2部分介绍了实验装置和实验方法，第3部分介绍了实验结果，第4部分对实验结果进行了讨论，在第5部分则介绍了实验结果。
2.实验方法
2.1实验装置
一系列对1：40缩尺的船舶模型进行的关于锚链长度、浮标尺度和浮标形状对自由悬链线SPM结构的小艇(考虑小于20m)的影响的实验研究在南安普顿大学的Chilworth研究实验室的循环水槽（长21米，宽1.35米，高达0.4米）进行。该水槽是一种常规重力供水系统，它通过三个离心泵将水从一个大水池中提升出来，每个泵都有一个径向时钟阀来控制流量。
当进行船舶液舱实验时，通常认为，重力在自由表面的流动(Hughes, 2005)和利用傅汝德相似来决定模型尺寸中占据主导地位。几何标度因子R被定义为全长尺度与模型长度的比值，模型长度也定义了深度标度。水流速度为1/radic;R。在这一水中模型测试电缆的特例中，由于实际原因，通常会违背精确的几何标度，但是在动态测试中，当极其严重地违背精确的几何尺度时，应该使用正确杨氏模数(Papazoglou et al., 1990)。用柯西准则对地面和立管链进行了标度，这能使惯性力与用材料的杨氏模数得到的弹性力之比与精确的几何标度相似 (Hughes，2005)。使用Instron E系列环向扩展计和柯西准则，与一个几何标度的直径0.65毫米相比，拉力测试产生了一个所需的直径0.92毫米。
如图3a所示的一个四沉杆SPM配置的实验装置成为RNLI的替代品。如图3b所示的这一模型作为一艘RNLI的救生艇替代品，级别与其最接近的是Severn的救生艇。尽管不是所有的细节都能确切匹配，对于该实验情况来说，这两者注定是最重要的，即，总长与偏航回转半径都在2%的误差范围内。
四种锚链长度，两种浮标尺寸（按1：20和1：40缩尺）及四种浮标形状（圆形，八角形，六边形和正方形）的调查结果都在表2和图4中做了总结。通过傅汝得定理得到的流速和深度范围被选作为记录在RNLI的SPM中全部尺寸为1.45–2.09 m/s和8–10 m的代表。
在船舶实验中，为了使舱壁和地面不影响水流，假设模型的横截面面积不应该超过0.5%的船舶的横截面面积(Molland et al., 2011)。因此，在为了减少缩尺效应使模型最大化和减少堵塞效应之间存在着矛盾。在Chilworth理论中按1：40缩尺的模型的这一比率为0.02%到0.05%，表明这里的堵塞效应可以忽略不计。此外，对于水深与船舶吃水比为5或更大时，增加的兴波阻力的浅水效应是可以忽略不计的(Chakrabarti et al., 1995)。在目前的测试中，最小的深度吃水比为5 (0.2/0.04 m)，这表明浅水效应也是可以忽略不计的。
目前对于特殊情况下的船舶系泊实验，当船舶的长宽比为5时，横向力的舱壁效应是忽略不计的，但当长宽比减小到3时，横向力有着明显的舱壁效应(Chakrabarti and Cotter, 1994)。按1：40缩尺的船模的长宽比为3.18 (1.4/0.44 m)，表明实验装置不应该受到舱壁的显著影响。
2.2.动态捕捉
救生艇模型和浮标的运动都被一台安装在船舶上方的架子上的GoPro Hero相机捕捉，该相机以每秒30帧的速度拍摄。为了提供一种适应性强、经济、便携的捕捉运动的方法，南安普顿大学提出了一种特定的运动追踪算法。Matlab代码使用录像片段通过一个从独特的红色、绿色和蓝色组合中创建的掩膜来跟踪对象以追踪一个物体的质心。三个位置的坐标被标记出来；在模型的中心线上的两个荧光标记（蓝色和黄色）以及浮标（蓝色）如图3 所示。
对于一个刚性的锚链，船舶平移运动可以被一对由锚链长度（LH）和宽度控制的棱镜描述为沿着其中心线（LV）的一个参考点，如图5所示。两个自由度的双摆状运动能从以下几个方面被定义：锚链和浮标的垂向的夹角ϕ 以及船舶的中心线和首垂线间的夹角即偏航角theta; (Halliwell and Harris, 1988)。从这种二维表示出发，模型相对于固定参照系的运动的计算如下：
在偏航角较小的情况下，xasymp;纵荡，y asymp; 横荡。这一方法能直接测量位移而不用对加速度计记录的加速度数据进行二重积分。此外，这一方法避免了使用仪器，在这一1：40缩尺的模型中，使用仪器对救生艇的运动有着巨大的影响。
3.结果
3.1.证明
3.3.1.动态捕捉
为了证明动态捕捉和Matlab算法，对于14个模型的偏航角测试样本，用无线Xsens MTw-G-710惯性运动追踪器也进行了测量。该传感器角度分辨率为0.05°，采样率为120 Hz。这一装置重20克，给模型增加了0.02%的重量。用两种测量方法得到的十四个偏航数据的均方根与0.67°相差很大，所有测试的平均差异为9.2%。比较用两种方法得到的数据的示意图如图6.
在实现追踪算法之前，已经利用软件GoPro Studio去除了GoPro视频中的失真。除此之外，为了量化录像片段中的视差数量，模型和浮标上对于不同物体长度的每像素毫米变化的标准数据如图7所示。在这两个标记的代表偏离5厘米的纵荡幅度的误差为0.8%的球体之间有差别为0.4（毫米每像素），这一程度是可以忽略不计的。在每一次测试中，每一个物体具体的像素因子（厘米每像素）都在算法中被使用，因此不是所有的视差修正都是必要的。
3.1.2.质量流量
这一实验的目的是测试恒流速度下锚链长度、浮标形状和浮标尺寸的改变对船舶和浮标运动影响。试验流速用水的密度（rho;）和表面流速（nu;）乘以横截面面积（A）计算得到的的质量流量（M）进行了比较。通过记录乒乓球运行1米所需的时间，对试运行时的表面流速进行了10次测量。每组十次记录的标准偏差，即流量的测量，如图8所示。最小值为0.002m/s（流速为0.27m/s），最大值为0.014（流速为0.30m/s）。
M的误差是通过积分中的分数测量误差的增量（平方和的平方根）来计算的：
得到的结果为在3.02%到3.37%之间的百分比测量误差。此外，对于一系列在74-90kg/s之间的M值，当在特定配置内比较不同的实验时，最大的标准偏差为2.74kg/s，当在不同尺寸下比较锚链长度的影响时，最大标准偏差为7.65kg/s，当在1：40缩尺比下比较不同浮标形状的影响时，最大标准偏差为4.38kg/s（如表3）。
3.2.典型运动响应
实验结果得出持续时间为100s，与Chakrabarti and Cotter (1994)和Huang and Lee(2012)提出的相似。考虑到大型船舶在0.8Hz的恒定电流下的SPM系统下的艏摇和纵荡振动，应该提供大量的细节来比较锚链长度和浮标特征变化的影响。图9表明了按1：40缩尺的救生艇的典型运动响应。主要的旋转运动为艏摇，平移运动为横荡。艏摇角度为-7.9°到 4.2°，频率为0.08-0.23Hz。最大横荡幅度约为0.10米，频率为0.05-0.23Hz。在所有的实验中都观察到了鱼尾运动，与实验中描述的和在SPM中船舶的模拟运动相似。
有趣的是，在浮标尺寸为1：40-1：20时，横荡（m）和艏摇（°）这两个主要运动的相互关系表现出了显著的不同（如图10所示）。对于1：40缩尺下所有的三种浮标形状，结果表现出了明显的线性相关性。然而，对于更大尺寸1：20缩尺的所有的浮标形状而言，这一关系不再显著：1:40缩尺的浮标的线性相关系数（R2）为0.76-0.81，对于1：20缩尺的浮标，线性相关系数减小至0.29-0.41。
3.3.锚链长度和浮标尺寸的影响
实验目的为研究锚链长度（按1：40缩尺的0.125、0.150、0.200米）和圆形浮标的尺寸（按1：40、1：20缩尺和无浮标三种情况）对1：40缩尺的救生艇的电流感应运动的影响。结果表明锚链长度改变对该实验没有显著的影响。尽管，对于没有浮标（当救生艇系泊在一条紧绷的直径为1.5毫米的缆绳上）的实验，观察到放置在船前和船后的标志的球的横荡速度都下降了（如图11所示）。当码头没有浮标时，间隔超过100秒的横荡和艏摇的速度极大，当使用按1：40缩尺的浮标时，横摇速度有所降低，当使用大一点的，按1：20缩尺的浮标时，速度进一步降低（如图11所示）。例如，当使用一条0.125米的锚链从没有浮标变到按1：20缩尺的浮标时，记录的位于船舶前端的标记小球的横荡速度从0.030减少到0.013m/s，位于后端的小球的横荡速度从0.210减少到0.015m/s，艏摇角速度从2.90°/s减少到1.84°/s。这些发现指导了未来的
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