双色跟随波中船舶冲浪现象的1/64比例模型实验探索

为解决船舶在双色跟随波中冲浪现象(surf-riding)的动力学机制问题，Gdańsk理工大学团队通过1/64比例ITTC A2围网渔船模型实验，首次证实了双色不规则波中8种特征响应模式的存在性。研究在40米拖曳水池中实现了单色波冲浪再现，并通过速度振荡特征验证了理论预测的"主/次波吸引"等6种现象，为第二代完整稳性标准(MSC.1/Circ.1627)提供了实验依据。

　　

在惊涛骇浪中航行的船舶常面临一种被称为"冲浪现象"(surf-riding)的致命威胁——当船舶被来自船尾的波浪捕获时，会加速至波速并失去航向稳定性，最终可能导致倾覆。虽然规则波中的冲浪机制已被充分认知，但真实海况中的不规则波作用机制仍是未解之谜。Gdańsk理工大学的Micha? Struk和Przemys?aw Krata团队在《Ocean Engineering》发表的研究，通过精巧的1/64比例模型实验，首次揭开了双色波这一"简化版不规则波"中船舶动态响应的神秘面纱。

研究团队创新性地采用40米拖曳水池配备Qualisys光学运动捕捉系统，对ITTC A2围网渔船模型（L_bp=0.54m）开展了两阶段实验：首先在单色波（λ=0.694m）中验证了"捕捉-释放"等经典现象；随后系统研究了8种双色波组合工况，通过对比模型速度振荡特征与理论预测，成功复现了6种响应模式。关键技术包括：红外标记三维追踪（精度±2mm）、双组分波浪合成（f₁=1.67Hz与f₂=1.00-1.50Hz组合）、以及恒定转速"巡航控制"系统。

【单色波验证实验】结果显示，当指令速度v_c从0.756m/s提升至1.006m/s时，模型依次呈现对称振荡（图5）、非对称振荡（图6）、吸引态（图7-8）直至稳定冲浪（图9-10），平均速度从接近v_c逐渐趋近波速c=1.041m/s，完美再现了理论预测的同宿分岔过程。

【双色波核心发现】在λ₁=0.560m/λ₂=1.562m的组合波中：

1. 1.

   低频吸引现象：当A₂=0.035m时，模型速度呈现大幅振荡但不超过次波波速（图16），证实"次波吸引振荡"理论；

2. 2.

   双稳态转换：调整主波振幅A₁从0.008m至0.016m，响应模式从"主波高跑"(图12)突变为"主波冲浪"(图13)，展现系统敏感性；

3. 3.

   层级捕获：在A₂=0.026m工况下，模型速度稳定振荡于次波波速附近（图18），首次实验验证了"次波冲浪"这一预测现象。

讨论部分指出，虽然受限于水池长度（40m）未能完全复现全部8种理论模式，但6种特征响应的成功观测强有力地证实：双色波中的冲浪现象并非数值仿真假象，而是具有明确物理基础的动力学行为。该研究为理解真实海况中船舶稳性丧失机制提供了关键实验支点，特别是揭示了波浪组分干涉导致的"动态平衡点漂移"机制——这一发现对IMO《第二代完整稳性准则》中关于追随浪工况的评估方法具有直接修正意义。

未来研究将聚焦于扩大模型尺度（突破1/64比例限制）和延长试验时长，以攻克"次波低跑"等未观测现象的复现难题。正如作者强调，这项开创性工作不仅架起了理论预测与实船安全之间的实验桥梁，更开辟了"波浪组分分解法"这一研究不规则波中船舶动态稳定的新范式。