KVLCC2船波浪增阻试验的不确定性分析外文翻译资料

 2022-08-24 11:08

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KVLCC2船波浪增阻试验的不确定性分析

Dong-Ming Park,Jaehoon Lee,Yongwhan Kim

(冠岳区冠岳路599号151-744首尔国立大学,首尔国立大学建筑与海洋工程系,韩国)

摘要:该研究考虑了运动响应测量中的不确定性分析,并增加了航行条件下的波浪阻力。耐波实验不确定度分析方法尚未建立。特别是,以前没有专门研究增加的阻力在航行条件下的测量。在这项研究中,基于ITTC的不确定性分析建议《程序和准则》(2008a),采用国际组织建议采用的标准化(ISO,1995)方法进行,评估结果以表格形式汇总。实验中使用的船模是KVLCC2船,它具有典型的大型油轮的船体形状。在顶浪条件下的九个规则波处测量垂荡运动和附加阻力。为了验证测量数据,将实验结果不仅与在其他测试设备上获得的结果进行比较,也可以通过试纸条和兰金面板法找到计算结果。在这9种波浪条件中的3种情况下,至少进行了15次重复测量升沉,纵荡和附加阻力量的不确定度分析。本文总结了附加阻力测量中的不确定性,并对不确定性进行了量化。通过不确定性分析,可以观察到对每个不确定性源的敏感性。现在这项研究将有助于理解与拖曳水池相关的基本不确定性测量运动响应和波浪中的附加阻力。

简介

最近,国际海事组织(IMO)修订了船舶防止空气污染的法规。在修正案中,能源效率设计指数(EEDI),用于测量温室气体的量,衡量了一艘船污染排放的大小。这项增加的法规迫使造船企业制造更节能的船舶,以减少温室气体的排放。 设计人员提高船舶的能效所使用的方法之一是不仅在平静的水中,而且在波浪中减少船舶阻力。由于这些原因,最近几年波浪增阻已成为船舶设计的主要方面。

相对于平静海域的阻力,额外的阻力是由于风浪而产生的。自1970年代以来,已经进行了许多研究来预测增加量,包括使用实验方法和数值方法。例如,附加阻力的实验测量是为60系列(Gerritsma和Beukelman,1972年; Storm-Tejsen和Yeh,1973年),S175集装箱船(Fujii和高桥,1975; Nakamura和Naito,1977年)和Wigley船体(Journee,1992)。过去的实验研究主要集中在精确测量附加阻力。然而,最近有关波浪增阻的研究更多地集中在通过改变船体形式或者附体装置来减少增加的阻力。这样的例子包括由Hirota等人进行的实验(2004年)、黑田等(2012a)试图通过改变弓形来减少增加的阻力和黑田等(2012b)通过在船表面上安装消波板来降低附加阻力。

附加阻力是小于在平静的水中总阻力的高阶数量。观察自变量细微变化所引起的因变量的变化,高精度实验必不可少。然而,尽管人们对阻力降低的设计越来越感兴趣,但是对于阻力增加的不确定性因素几乎一无所知,迄今为止尚未进行任何研究。在长期保持不确定性的情况下,航行实验对于量化与增加的阻力有关的不确定性分析。可以进行关于不确定度分析的一些研究的航行实验;但是,这些研究并未扩展到包括波浪增阻的影响。

所有测量数据都包含一定程度的不确定性。但是可以通过不确定性分析识别和估计实验数据的不确定性。因此,从不确定性分析来看,实验结果可以信任的程度是众所周知。自1950年代以来,不确定性分析的重要性和实用性已广为人知且不可或缺。克莱恩和麦克林托克(McClintock,1953)定义了“不确定性”一词,并介绍了与不确定性分析有关的基本概念。莫法特(1982,1985,1988)引入了“偏见”和“精确”进行不确定性分析并发布了实用指南工程应用。科尔曼和斯蒂尔(1995,2009)描述并比较了不确定性分析的方法,并撰写了有关该主题的书。对于不确定性分析的标准程序,美国机械工程师学会(ASME,2005)和美国航空学会航天(AIAA,1999)提供了推荐的不确定性分析程序。

直到2005年,国际拖曳水池会议(ITTC)采用AIAA方法进行拖曳水池的不确定性分析实验。但是,2005年之后,ITTC采用了国际标准化组织(ISO,1995年)和根据ISO的方法提供了建议的修订程序。ISO和ASME或AIAA之间的根本区别是不确定性组件的类型。在ISO方法中,A类和B类不确定性分量是由不确定性评估方法确定。A型不确定性通过重复使用统计分析来评估,B类不确定性通过其他方式评估对比反复观察。其他则表示先前的测量、过去的经验、校准数据等。在ASME或AIAA方法中,不确定性成分、系统性和随机性不确定性由对最终不确定性结果的影响确定。系统的(也称为偏差)不确定性是实验期间的固定值,而随机(也称为精度)不确定性是导致分散在测量数据中。在测量过程中会有所不同期。进行了一些有关不确定性分析的研究用于基于ASME的航海和阻力试验或AIAA程序。Yum等(1993)研究了不确定性分析和基于ASME性能测试的S175船型的运动相关代码。 Longo和Stern(2005)和Irvine等(2008年)评估了DTMB 5415船型的运动和阻力(使用AIAA(1995年,1999)程序。但是,很少或没有研究关于基于ITTC建议的不确定性分析ISO(1995)通过的程序和指南(2008a)。

在本研究中,进行了一系列的KVLCC2船体附加阻力和船舶运动的拖曳实验和基于ITTC的不确定性分析推荐进行了程序和指南(2008a)。该实验在公海的九种常规波浪条件下进行。在所有波浪条件下,所有测试至少进行了两次,并且在三个波浪条件下重复进行了十五次以上的测试,包括lambda;/ L=0.5、1.1和2.0,用于不确定性分析。在这论文中描述了实验方案和实测数据,相应的不确定性分析的结果是以表格形式总结。目前的实验结果还与其他实验和数值进行了比较基于2D条形方法和3D Rankine的计算面板方法。

2 背景

2.1 三种不确定性

在这项研究中,不确定性分析遵循ITTC建议程序和准则(2008a),以及基于ISO的方法论(1995)。 ISO将不确定性分为三类:标准不确定性,组合不确定性和扩展不确定性。

标准不确定度u是“测量结果的不确定性测量值以标准偏差表示”(ISO,1995年)。因此,标准不确定度表示为标准偏差并由两组不确定性组成:类型A和B,这是基于评估方法的。A型评估不确定性是使用一系列观察结果的统计数据分析进行不确定性评估的一种方法。 这意味着将通过重复测量来评估A型不确定度。 从N个独立观测值中,平均值或平均值由下式得出:

(1)

其中qk是第k次观测的测量量。 标准qk的偏差由以下公式给出:

(2)

平均值的标准不确定度由下式给出:

(3)

B类不确定性评估是一种使用均值的方法,除了一系列观察结果的统计分析,它还包含测试前的测量,过去的经验,常识,手册信息或制造商规格。B型不确定度也表示为标准偏差。

组合标准不确定度是“标准不确定度从测量结果中获得其他测量结果数量的值,等于正平方项总和的根,这些项是这些其他数量的方差或协方差,根据测量结果随这些数量的变化如何变化而决定加权”(ISO,1995年)。组合标准不确定度通过不确定度的传播来评估,并通过下式给出:

(4)

该式的基础如下:

(5)

其中Y是由其他N个确定的实验结果函数的数量f确定的。()是f相对于的偏导数,称为灵敏度系数。

扩展的不确定度U是“定义区间的数量关于预期的测量结果包含价值分布的很大一部分合理地归因于被测量者”(ISO,1995年)。 扩展的不确定度表示测量的置信度,由下式给出:

(6)

其中k是覆盖因子。95%的覆盖率是2的置信度。

2.2 在常规波浪中增加了阻力测试

ITTC(2011b)建议采用以下步骤进行规则波浪的阻力测试。分两个步骤:

(1)在测试速度下测量静水阻力。

(2)以相同的速度测量波中的总阻力R。

通过减去静水阻力获得增加的时间平均总阻力中的阻力:

附加的阻力试验有两种牵引方法:恒推力试验(自由自航模型)和牵引恒速试验(约束模)。方法的确定根据可用的牵引装置及其影响方法具有增加的阻力。两种方法都有优点和缺点。恒定推力法释放了六自由度运动。为了实现无约束运动,需要使用更复杂的设备重量,弹簧或伺服电机等必需的。常数速度方法限制了六自由度运动。此外,它不会需要复杂的设备,但与恒定推力测试相比称重传感器会承受过多的负载在加速期间,它有很大的振荡信号力,即阻力。在本研究使用这两种方法的初步实验在实验设计阶段进行了调查,以确定哪种拖曳技术是优选的。两种方法显示出几乎相同的结果影响了附加电阻。但是,恒速方法会给称重传感器的测量数据带来较大的噪声。因此,本研究采用恒定推力法。

3 实验方案,测试模型和条件

3.1 船舶模型和波浪条件

本试验在首尔国立大学的拖曳水池中进行。拖曳水池是典型的壁挂式混凝土水池,长110 m,宽8 m,深3.5 m。拖车是箱形梁式结构,可以以0.1 m / s至4.5 m / s的速度运行。在水池的一侧,有一个长20 m的冲箱式造波机可以产生波高达400毫米的规则和不规则波。在造波机中产生的波用两个波探头测量:一个固定在拖曳水池中和另一个与拖车一起移动。固定的声纳型波探头位于距探测器11米的地方,以避免局部波的影响,而移动电容型波探头安装在拖车上避免干扰船模。在造波机的另一侧,安装有两个固定的海滩吸收波浪。沿着两个纵向侧壁,测试后,安装了移动海滩以吸收海浪、缩短运行间隔。

模型尺寸和测试条件受到拖曳水池尺寸的限制。在本实验中,KVLCC2由海事与海洋工程研究所(MOERI)设计的油轮被选为该船的模型。考虑拖曳水池的尺寸,选择了1:100的比例尺。如图1所示,测试模型是没有舵和推进器的木模型。激流丝安装在19号和20号站位部分之间,以触发湍流。为了防止船前有绿水,模型上贴了一层丙烯酸墙。在船模中,安装了带有砝码的垂直支架,以调整重心和回转半径,如图1所示。表1给出了模型尺寸和船体几何形状的不确定性。特别是,不确定性使用测量值和模型几何形状的典型公差估算船体几何形状的公差。在这项研究中如表1所示,船体几何形状固有的偏差对于船长来说是1.6毫米,对于所有其他长度比例来说是1毫米。

真实船的设计速度为15.5节,相应的弗汝德数是0.142。这个速度条件在本实验中得到应用。运动响应和在公海条件下观察到增加的阻力。对所有波浪,振幅保持在恒定的高度0.016 m,波长在0.3Lpp和2.0Lpp之间变化。波振幅与波长的比值范围为1/30至1/200。 测试条件总结在表2中。

重要的是要避免由于水池壁而产生干扰。可以使用《 ITTC推荐程序和准则》(2011a)预测水池壁的干扰。在此过程中,在顶浪条件下发生的水池干扰的最大频率如图2所示。该图表明存在的波况位于“无侧壁效应”区域。

表1 船模的主要尺寸和几何不确定性

项目

尺寸(1/100比例)

B型不确定性

垂线间长(m)

3.200

1.600E-03

型宽B(m)

0.580

1.000E-03

型深D(m)

0.293

1.000E-03

吃水(T)

0.208

1.000E-03

表2 测试条件

航速(Fn)

A/L

lambda;/L

试验次数

0.142

0.005

0.3

4

0.5

16

0.75

4

0.9

2

1.0

5

1.1

15

1.2

4

1.4

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