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本研究由M. Acanfora和F. De Luca完成，两位作者均来自意大利那不勒斯费德里科二世大学（Università degli Studi di Napoli “Federico II”）。该研究发表于《Applied Ocean Research》期刊，第69卷，2017年，页码为191至204。论文标题为《关于一艘破损船舶在具有真实进水舱室布置下的动力响应试验研究》。通讯作者为F. De Luca。

本研究的学术背景属于船舶水动力学与破损船舶安全性领域。船舶在破损后，进水舱室内的流体与结构之间会发生复杂的相互作用，这种相互作用直接影响破损船舶在波浪中的运动响应。以往的研究大多将破损舱室简化为空舱，或者仅考虑二维的隔板或挡板，忽略了机舱内大型机械设备对进水流动的影响。然而，在实际海难事故中，机舱往往是进水最严重的区域之一，机舱内主机、辅机及其他设备会显著改变舱内水的晃荡特性，从而影响船舶的运动响应和安全性。因此，本研究旨在通过开展模型试验，探究真实布置的机舱进水舱室对破损船舶横摇运动响应的影响，重点研究甲板和主机形状障碍物对横摇衰减及规则波中稳态横摇响应的影响，并进一步理解障碍物对耦合系统共振行为的缓解作用。

本研究的工作流程包括模型设计、试验配置、试验实施和数据分析几个主要环节。首先，试验采用一艘地中海快速单体客渡船的模型，缩尺比为1/22。模型全长4.010米，垂线间长3.525米，船宽0.815米，吃水0.180米。模型设置了四个水密横舱壁，破损舱室为机舱舱室，并加装了一个水密甲板，甲板由有机玻璃制成并由木框架支撑。机舱内部布置了木质障碍物，其外形模拟主机和其他机械设备，主机长度为300毫米。为了研究不同舱室布置的影响，研究设置了三种舱室状态：无甲板无障碍物的空舱、有甲板但无障碍物的空舱、以及有甲板且有障碍物的舱室。对于有障碍物的情况，又进一步区分为“中性（neutral）”和“非中性（non-neutral）”两种浮态。中性浮态是指通过添加补偿重量，使破损后的浮态与空舱破损后的浮态一致；非中性浮态则不添加补偿重量，允许障碍物的浮力效应影响浮态。此外，还设置了两种破损开口工况：侧部破损开口和封闭无开口工况。侧部破损开口位于右舷，尺寸为300毫米乘195毫米的长方形开口。所有试验均在拖曳水池中进行，水池长136米，宽9米，深4.5米。波浪由爱丁堡设计（Edinburgh Design）造波机生成。模型运动由Qualisys运动捕捉系统测量，采样频率为72赫兹。波高由超声波探头测量，采样频率为500赫兹。试验内容包括静水横摇衰减试验和零航速规则横浪中的稳态横摇响应试验。波浪试验中波陡设为H/λ=1/75，波数范围为7至15个，波频范围以非维度频率ω(Lbp/g)^0.5计，从约0.37覆盖到2.77。横摇衰减试验通过人为施加初始横倾角然后突然释放来进行，初始横倾角范围约为6度至10度。数据分析中，横摇响应幅值采用峰值到峰值距离的均值来估计，并计算横摇响应幅值算子（RAO）。此外，还利用CAD建模技术对模型重量分布、重心位置和惯性矩进行了估算和验证，并与2015年的历史试验数据进行了可重复性比较。

研究的主要结果分为几个部分。第一，在完整船（即未破损状态）的横摇衰减试验中，当前模型与2015年试验模型的结果吻合良好。自然横摇频率的差异仅为0.5%，临界阻尼比差异为6.7%，表明模型的重量和惯性特性具有良好的一致性和可重复性。第二，在破损工况、空舱且有甲板的情况下，无论有无侧部开口，横摇衰减曲线均表现出前两个周期快速衰减，随后出现拍振型再激励现象。与无甲板的空舱相比，有甲板时空舱无开口工况的横摇自然周期增加了约2%，但有侧部开口时周期变化不超过0.7%。第三，当舱室内加入障碍物后，无论是有开口还是无开口工况，横摇衰减行为均发生了显著改变。拍振型再激励现象消失，横摇衰减速度加快，稳定时间缩短。对于无开口工况，破损模型的自然周期几乎与完整船相同，约为1.1秒（模型尺度），远小于空舱破损工况下的约1.6秒。中性与非中性浮态之间的横摇衰减趋势无明显差异。第四，在规则横浪中的横摇RAO结果中，空舱无开口工况在非维度频率约2.4和3.3处出现两个峰值；加入甲板后，两个峰值位置基本不变，但侧部开口工况的横摇响应在大部分频率范围有所降低。加入障碍物后，横摇响应发生显著变化，RAO峰值由双峰变为单峰，且峰值频率移动至非维度频率约3.0至3.2之间。对于无开口工况，非中性浮态的RAO峰值明显小于中性浮态；对于侧部开口工况，非中性浮态的RAO在大部分频率范围也低于中性浮态，且主峰频率略低，并出现第二峰值。第五，通过对比空舱和有障碍物舱室的横摇RAO可以发现，障碍物的引入抑制了低频区域的共振响应，改变了系统的共振频率。试验中观察到，在0.95赫兹（模型尺度）激励下，障碍物对舱内自由液面产生了约束作用，自由液面在障碍物对应位置出现节点，并在两个主机模型之间形成明显的纵向流动。这一现象通过视频记录并绘制了示意图。此外，研究还发现，采用国际拖曳水池会议（ITTC）推荐的线性加二次加三次非线性横摇阻尼模型对空舱无开口破损工况进行参数识别时，得到了负的线性阻尼系数和较大的非线性阻尼系数，这虽然在数学上可以拟合拍振型曲线，但会导致非物理的静不稳定结果。这表明当前针对完整船的横摇阻尼标准模型在特定破损工况下可能不再适用。

本研究的结论指出：第一，在破损机舱中布置甲板和主机形状障碍物对船舶横摇动力响应具有重要影响。障碍物的存在显著缓解了破损船舶在波浪中的共振行为，并改变了系统的共振频率。第二，甲板在试验观测的横摇角（小于10度）范围内对舱内积水动力学的直接影响有限，但在侧部破损开口工况下，甲板的存在增强了破损船舶与外部水域之间的能量交换，从而提高了阻尼。第三，机舱内部障碍物所诱导的粘性效应虽然存在尺度效应，但弗劳德相似律仍可作为评估破损船舶整体运动行为的主要和可靠方法。第四，发动机和障碍物对横摇阻尼的贡献尚未被ITTC标准程序所涵盖，现有的一自由度横摇阻尼模型在特定破损场景下表现出局限性。第五，本研究进一步强调了在破损船舶动力学建模中考虑真实破损舱室布置的必要性，并指出仅以实船几何公开的船体作为试验对象，本数据集可供数值方法验证使用。

本研究的亮点在于：首次在模型试验中系统考察了三维主机形状障碍物和甲板对破损船舶横摇响应的影响，打破了以往仅将破损舱室视为空舱或简化二维挡板的局限。通过对比空舱和有障碍物舱室在相同破损开口条件下的横摇衰减和横摇RAO，明确了障碍物对共振频率偏移和横摇阻尼增强的作用。同时，本研究还揭示了传统ITTC横摇阻尼模型在破损船舶中可能导致非物理结果的问题，为后续更稳健的破损船舶横摇阻尼建模提供了重要参考。此外，试验观测到的障碍物约束下自由液面节点现象和纵向流动模式，为理解流体与复杂结构相互作用提供了直观依据。

本研究的科学价值在于填补了真实机舱布置下破损船舶动力学试验数据的空白，为发展和验证考虑障碍物的数值模拟工具提供了可靠基准。其应用价值在于为破损船舶在波浪中的安全性评估、应急响应决策以及未来船舶设计中的破损稳性分析提供了更符合实际的物理依据。研究还指出，障碍物与破损位置共同影响系统的共振频率，因此准确预测破损船舶的共振频率对于避免横浪中发生危险的大幅横摇运动至关重要。该论文通过系统试验研究，强调了在破损船舶动力学建模中纳入真实舱室布置的必要性，并为该领域的后续研究提供了重要的实验基础和理论启示。