在極地航道日益繁忙的今天，船舶不僅要面對(duì)波濤洶涌的海浪，還可能遭遇浮冰的威脅。更危險(xiǎn)的是，船舶因意外事故或惡劣海況導(dǎo)致船體破損、海水灌入艙室的情況，會(huì)嚴(yán)重威脅其穩(wěn)性和安全。然而，在真實(shí)的海洋環(huán)境中，尤其當(dāng)浮冰、船體和涌入的海水共同作用時(shí)，船舶的橫搖運(yùn)動(dòng)變得極其復(fù)雜，其阻尼特性（即消耗橫搖能量的能力）難以準(zhǔn)確評(píng)估。傳統(tǒng)的計(jì)算方法和經(jīng)驗(yàn)公式在面對(duì)這種“船-水-冰”多相流的強(qiáng)非線性問(wèn)題時(shí)，顯得力不從心。為了填補(bǔ)這一知識(shí)空白，并為未來(lái)高精度數(shù)值模擬提供可靠的驗(yàn)證基準(zhǔn)，一項(xiàng)深入探究靜水與浮冰環(huán)境下，完整及破損船舶橫搖阻尼特性的實(shí)驗(yàn)研究應(yīng)運(yùn)而生，其成果發(fā)表在《Applied Ocean Research》上。

為了精確解答上述問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)采用了模型試驗(yàn)這一經(jīng)典而可靠的方法。他們基于國(guó)際拖曳水池會(huì)議(ITTC)的基準(zhǔn)模型，設(shè)計(jì)了一個(gè)箱型船體試驗(yàn)?zāi)Ｐ停�并設(shè)置了可模擬破損進(jìn)水的艙室。試驗(yàn)在靜水和模擬的100%濃度浮冰場(chǎng)（使用密度接近真實(shí)冰的圓形聚丙烯板模擬）兩種環(huán)境中進(jìn)行。研究人員系統(tǒng)性地設(shè)計(jì)了五種試驗(yàn)工況，涵蓋了完整船與破損船在靜水和浮冰中的狀態(tài)，其中破損船還細(xì)分為艙室全通風(fēng)和封閉通風(fēng)兩種情況。每個(gè)工況均在6°、13°和21°三種初始橫傾角下進(jìn)行自由橫搖衰減試驗(yàn)，通過(guò)高精度運(yùn)動(dòng)傳感器和高速攝像機(jī)同步采集船體運(yùn)動(dòng)與艙內(nèi)流場(chǎng)數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)衰減曲線進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)提取固有頻率，并運(yùn)用線性及二次非線性阻尼模型（Quadratic damping model）計(jì)算阻尼系數(shù)，量化了不同因素的影響。

試驗(yàn)表明，完整船在靜水中需要經(jīng)歷多個(gè)衰減周期才能恢復(fù)穩(wěn)定，并觀察到了明顯的艏搖運(yùn)動(dòng)。其第一階固有頻率約為0.5 Hz。衰減曲線和FFT結(jié)果顯示了不同初始傾角下的衰減規(guī)律。

與靜水情況相比，浮冰的存在限制了試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷聂紦u和橫蕩運(yùn)動(dòng)，水面浮冰起到了消波作用。但其橫搖衰減曲線與靜水情況相似，表明浮冰的影響不大。

當(dāng)艙室因破損進(jìn)水且保持全通風(fēng)時(shí)，艙內(nèi)水體隨船體運(yùn)動(dòng)發(fā)生劇烈晃蕩。試驗(yàn)結(jié)果顯示，進(jìn)水極大地改變了船舶的阻尼特性，衰減周期和固有頻率均受到影響，船體更快恢復(fù)穩(wěn)定。

當(dāng)通風(fēng)孔關(guān)閉時(shí)，艙內(nèi)空氣被迫從破損開(kāi)口逃逸，與涌出的水流激烈相互作用，甚至觀察到噴濺現(xiàn)象。這使得橫搖衰減進(jìn)一步加快。

在浮冰環(huán)境中，破損艙室內(nèi)的浮冰塊會(huì)隨著液體晃蕩而顯著運(yùn)動(dòng)。該工況旨在同時(shí)分析外部浮冰和內(nèi)部浮冰對(duì)破損船橫搖衰減的綜合影響。

對(duì)比靜水與浮冰中的試驗(yàn)曲線和發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是完整船還是破損船，浮冰對(duì)其橫搖衰減的影響均可忽略不計(jì)。固有頻率基本不受浮冰影響。

進(jìn)水的影響是顛覆性的。對(duì)比顯示，破損船的穩(wěn)定時(shí)間從完整船的約60秒縮短至不到10秒。更重要的是，阻尼系數(shù)分析表明，破損船的非線性阻尼系數(shù)B₂（約0.021-0.023）相比完整船（約0.0009-0.0026）增大了近一個(gè)數(shù)量級(jí)，且在不同橫搖幅值下保持穩(wěn)定，證明艙內(nèi)液體晃蕩已成為主要的能量耗散機(jī)制。

通風(fēng)條件是一個(gè)關(guān)鍵變量。封閉通風(fēng)會(huì)進(jìn)一步加速破損船的橫搖衰減，尤其是在小傾角時(shí)。阻尼系數(shù)分析顯示，封閉通風(fēng)下的非線性阻尼系數(shù)B₂（0.0285-0.0562）顯著高于全通風(fēng)情況，證明了氣-液-固耦合效應(yīng)的主導(dǎo)作用。封閉通風(fēng)引入了“氣體剛度”效應(yīng)，增強(qiáng)了非線性阻尼，但也使得動(dòng)力響應(yīng)系統(tǒng)更加復(fù)雜。

本研究通過(guò)精密的模型試驗(yàn)，明確揭示了影響破損及極地航行船舶橫搖阻尼特性的核心因素。主要結(jié)論指出，浮冰環(huán)境對(duì)船舶橫搖阻尼的影響微乎其微，在穩(wěn)定性評(píng)估中可以不予考慮。然而，艙內(nèi)進(jìn)水是破損船能量耗散的主導(dǎo)機(jī)制，能使其非線性阻尼系數(shù)B₂激增近十倍，從而快速穩(wěn)定船體。尤為重要的是，破損艙室的通風(fēng)水平是一個(gè)不容忽視的關(guān)鍵變量：封閉通風(fēng)會(huì)引發(fā)顯著的氣-液-固耦合效應(yīng)，一方面增強(qiáng)了非線性阻尼，另一方面也極大地增加了系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的復(fù)雜性和不確定性。這些發(fā)現(xiàn)凸顯了在高保真度船舶穩(wěn)性分析中必須計(jì)入進(jìn)水動(dòng)力學(xué)和通風(fēng)效應(yīng)。本研究建立了一套全面的基準(zhǔn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，為未來(lái)利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)等數(shù)值方法進(jìn)行高精度仿真和可靠性驗(yàn)證提供了不可或缺的“標(biāo)尺”。論文最后展望了未來(lái)可在非對(duì)稱進(jìn)水、帶舭龍骨船型以及基于已獲阻尼系數(shù)進(jìn)行衰減曲線驗(yàn)證等方面開(kāi)展深入研究。