两船并靠作业流载荷研究

秦飞 王平

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011）

两船并靠作业流载荷研究

秦飞 王平

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011）

随着各国海洋装备的快速发展，补给和救援作业成为其中至关重要的环节。在进行补给和救援时，由于遮蔽效应的影响，两船并靠的环境载荷与单船明显不同，会对并靠作业的顺利进行产生影响，因此需要重点考虑受遮蔽影响的环境载荷。文中主要对两船并靠作业的流载荷进行研究，通过软件模拟和公式推算，得出并靠作业两船遮蔽效应下的流载荷。

遮蔽效应；并靠；流载荷

0 引言

对于在海上航行或作业的无约束船舶以及海洋结构物，流载荷是其主要承受的环境载荷之一。虽然海洋的表面流和底层海流流速较低，流载荷对船舶的作用程度相对缓和，但是海流的长时间作用会导致船舶等浮式结构发生水平漂移，偏离预定的作业区域，给作业安全带来很大影响。

另外，随着海洋装备的发展，海洋作业正逐步向深海和远海发展，因此补给和救援作业日益受到世界各国的重视。在船舶补给和救援过程中，一般需要两船并靠作业，为确保两船位置相对稳定，可以采取系缆或者动力定位的作业方式。船舶动力定位系统主要是控制船位和艏向，也就是根据环境载荷的大小、方向和作用点，由推力系统给出船舶动态跟踪其他船舶所需要的推力合力。因此，必须首先确定风、浪、流等要素作用于船舶的力和力矩。由于两船并靠作业时，在某些环境力方向下，位于下游的船舶会受到上游船舶的遮蔽效应影响，这与单船的受力情况有所区别，因此需要特殊考虑。

国内外曾有学者对此问题进行过初步研究。陆冬青等应用切片理论，借助二维格林函数法求得流场速度势；然后应用线性弹簧理论，求解两船并靠时的联立运动方程，得出两船在规则波中的六自由度运动幅值；最后用谱分析法得出两船在不规则波中的运动规律［1］。但到目前为止，两浮体并靠的漂移力研究工作还相对较少。Onkusu曾采用二维理论计算两个平行细长体之间的水动力运动问题，采用远场分析法计算漂移力，发现了负漂移的现象；Kim也基于切片理论，应用近场分析法研究漂移力，但这些方法误差较大。

本文应用三维势流理论，借助经验公式和水动力软件模拟，对单船和两船并靠作业的流载荷进行直接预报，并将两种工况的计算结果进行比较分析，得出遮蔽效应对船舶环境载荷产生影响的相关因素，为海上补给和救援作业船舶的前期设计提供一些参考。

1 流载荷计算理论

海流长时间作用于船舶会产生稳定侧向力和力矩，特别是在某些海域可能遇到3 kn左右的表面流，这些流载荷会使船舶产生缓慢的漂移而偏离预定位置；因此，为保持船舶相对位置的稳定，在确定动力定位船舶的推力器大小时，合理地估计环境作用力和力矩中的流载荷部分所占的比重是很重要的。

1.1 单船流载荷理论

对于单船所受的流载荷［2］的预报，最准确的方法是进行风洞试验。但鉴于试验过程繁琐、费用较多，目前主要采用经验公式来计算作用在船上海流的力和力矩。作用在船上的流载荷可以分为沿着船长方向的纵向力、沿着船宽方向的横向力及引起船舶转艏的艏摇力矩。一般认为，流载荷的影响因素［3］主要包括Reynolds数和浮体粗糙度系数。另外，物面形状、有限水深的海底效应及自由液面等也会对流载荷产生很大的影响。

作用在船舶的纵向流力主要由摩擦阻力而引起，可以采用静水中估算船舶阻力的方法预报；同时，由于傅汝德数很小（式中：Uc为流速，m/s；L为船舶设计水线长，m），以至于波浪阻力相对于粘性阻力可忽略不计。因此，在综合对比分析后，拟采用文献［2］中的经验公式计算纵向流载荷：

式中：ρ为海水密度，kg/m3；UC为流速，m/s；β为流速和纵向X轴之间的夹角（X轴正向指向船尾），°；S为湿表面积，m2；Rn=UCL｜cosβ｜/v，其中：v为海流运动粘性系数。

为了估算作用在船上的横向粘性流力和流艏摇力矩，只要海流的方向不与船的纵轴相靠近，即可以使用横流原理。横流原理假定，流动分离是由通过船艏的横向流动引起的，纵向的流动分量不会影响到横截面的横向力；并且横截面上的横向力主要是由于流动分离影响到压力沿船体周围的分布。这样船舶的横向流力F2C可以表示为：

式中：CD（x）为阻力系数，典型值见图1和图2；D（x）为剖面浸深，m。

图1 船舶横剖面在二维横向流中计算和估计的阻力系数CD（x）

图2 横向流阻力系数的三维折减因子

其中，积分沿船长L方向。CD（x）是在纵向坐标x处船的横截面阻力系数，取自具有与船相等横截面面积的无限长柱体的阻力系数。D（x）为截面的吃水。图2是考虑了船体的三维形状后，对切片理论得出的CD（x）的三维缩减系数，将它乘以图1中的二维CD（x）值后，即可得到一个较为正确的CD（x）。由海流流动引起的转艏力矩F3C是由Munk力矩与横流引起的粘性转艏力矩之和组成［2］。

式中：A11、A22分别为纵荡附加质量和横荡附加质量［4］，kg。

式中：m为船舶排水量，kg；L为船舶设计水线长，m；B为型宽，m；d为设计吃水，m；Cb为方形系数。

式（3）的最后一项为Munk力矩，可由未分离的势流理论导出。转艏力矩为正，则意味着将趋使船向一个更小的β角转动。

1.2 并靠船舶流载荷理论

与单一舰船流载荷理论不同，并靠船舶的流载荷不能简单应用上述理论计算［5］。当两船并靠作业时，由于上游船舶对下游船舶的遮蔽效果，无穷远来流经过上游船舶后，流速会发生变化，并在下游产生漩涡和回流，流场形式也不再是无穷远的均匀来流。此时已无法准确预估流经下游船舶的流速，因此无法应用上述公式计算并靠船舶流载荷。

为此，本文基于Fluent软件对并靠船舶进行模拟，通过结构建模、划分网格以及水动力计算等方法，得到并靠船舶的流载荷；然后对计算结果进行分析，并且与单船的流载荷进行对比，最终得到当前尺度下并靠船舶在不同角度时的遮蔽效果。

本文在预报双船并靠作业流载荷后，对并靠时的遮蔽效应进行如下分析。首先将各种不同间距、不同流速下的流载荷按以下处理方式得到对应的流力系数：

式中：FX为流作用力的纵向分量，N；FY为流作用力的侧向分量，N；N为转艏力矩，N·m；ρ为流体密度，kg/m3；VR为流速，m/s；AT为船水下横向投影面积，m2；AL为船水下侧向投影面积，m2；LOA为总长，m。

为分析双体并靠作业时对横向流动的影响，本文作如下假设：即近似认为两船所受横向流载荷均为流经各自表面的横向均匀流动引起的，区别只是流速不同。因此在模拟各种间距并靠流载荷后，本文又利用式（2）的横向流力公式进行反推，得到流经并靠船体各表面的平均横向流速Ucy（Ucy=UC sinβ），并用无穷远来流横向流速分量分别与上游船舶表面的平均横向流速和下游船舶表面的平均横向流速做比值得到对应的横向流速减额系数K。

式中：K为横向流速减额系数；U∞cy为无穷远来流流速的横向分量，m/s；Uicy为流经上（下）游船舶表面的平均横向流速，m/s。

2 计算实例

2.1 船舶主尺度及环境参数

本文以两艘尺度接近的模型船为例，分别进行单船和两船并靠作业的流载荷计算。

表1 并靠船舶主尺度单位：m

计算时采用了CFD前处理软件Gambit进行船体建模和网格划分，采用经验公式和Fluent软件相结合的方式进行流载荷分析，分别计算了三种流速和三种并靠间距下的流载荷。并靠作业的初始间距定义为两船纵中剖面间的垂直距离，两船靠近处舷侧的距离定义为相对A船船宽的倍数，其环境参数如表2所示。

表2 环境参数

两船进行并靠作业时，对环境载荷及船舶相对位置参考方向作如图3、图4规定。

图3 两船舶并靠作业参考坐标系示意图

图4 计算实例船舶水动力模型

2.2 并靠船舶流载荷预报结果

本文借助水动力软件，选取几个典型的流向角（0°~360°，角度增量为45°），对并靠船舶在不同间距和不同流速下的流载荷进行模拟。为便于数据分析，作出如图5~图10所示结果。

图5 1.0 kn流速A船纵向流载荷（N）

图6 1.0 kn流速B船纵向流载荷（N）

图7 1.0 kn流速A船横向流载荷（N）

图8 1.0 kn流速B船横向流载荷（N）

图9 1.0 kn流速A船转首流力矩/（N·m）

图10 1.0 kn流速B船转首流力矩/（N·m）

图5~图10分别列举了流速为1 kn时，A、B船的横向流载荷、纵向流载荷和流力矩，将三种不同间距（0.5B、0.75B和1.0B）下的流载荷与单一船舶时（infB，即距离无穷远）的流载荷进行对比与综合分析，得出以下结论：

（1）船舶并靠作业时，随着间距的增加，纵向流载荷的变化不显著。原因在于：纵向流载荷与纵向流动有关，低速流动情况下，两船的遮蔽效果不明显。

（2）单船与双船体相比，只有A船在部分角度纵向流载荷变化明显。原因在于：B船相对于A船吃水较深，对A船流场的影响更为明显。在0°和180°，不存在吃水的影响；90°和270°属于横流，理论上纵向流载荷趋于0，因此可不予特殊考虑。

（3）并靠船舶的横向流载荷随着间距而变化，且与单船情况明显不同。原因在于：当流动接近横流时，遮蔽效果通常会导致下游船舶的流载荷减小。流场经过上游船舶后，会在背部尖角位置产生强烈的漩涡［6］，当两船间距不同时，可能会因为下游船舶处在漩涡的位置不同而导致流载荷变化程度不同。

（4）遮蔽对流力矩的影响随流向角而变化。在180°以前，B船流力矩受遮蔽影响明显；在180°以后，A船的影响明显。原因在于：流力矩受横流和流动分离的影响明显，且Munk力矩是由压力引起的，与横流绕经船舶的速度势有关。下游船舶阻止了一部分漩涡的快速分离，因此流力矩有所减小。

2.3 遮蔽效应分析

如本文在并靠船舶流载荷理论分析中所述，双船体在并靠作业时，遮蔽效应会导致流经上游和下游船舶的流场发生变化。为了得到流载荷降低的幅度，本文又对其遮蔽效应作了进一步分析，提出了流速减额系数的概念。

首先按照式（8）、（9）和（10）得到对应的流力系数。由上述分析可知遮蔽效应随间距不同而变化，因此将每种间距对应三个流速的A船流载荷系数取平均值，所得结果见表3。

表3 不同间距A船流载荷系数

图11为45°流向角时，两船体表现流场速度矢量分布图，可以看出，虽然两船体表面速度矢量大小有变化，但速度方向几乎不变，且流经每个船体表面各处的流速大致相当。

图11 流向角45°时两船体表面流场速度矢量分布

为了进一步分析船体并靠时对横向流动的影响，本文近似假设两船体所受的横向流载荷均由经过船体表面的横向均匀流动所引起，因此，提出如1.2节所述的流速减额系数概念；按照式（11）分别计算流经上游船舶和下游船舶表面的平均横向流速，相对于无穷远来流横向流速的横向流速减额系数K，见下页中的表4和表5。

综合分析表3、表4和表5的结果，得到如下结论：

（1）对于横向流动，大部分角度下的流速减额系数大于1（即流速都有所减小），这也说明船体并靠时，上游船体对下游船体起到一定的遮蔽效果。

（2）流速减额随间距发生变化，原因可能在于下游船舶处于漩涡区的不同位置，减缓流动分离的程度不同。

表4 上游船舶横向流速减额

表5 下游船舶横向流速减额

（3）部分角度（45°和315°）的流速增加，与图7、8的预报结果有矛盾，原因可能有两点：

a）计算误差，式（2）要求海流方向不与船舶纵轴相靠近，而45°和315°与纵轴比较接近，因此会产生上述计算误差；

b）流速增加，即该角度下由于船体的挤压作用，经过船体表面的横向流速确实比无穷远来流横向分量有所增加，只是增加幅度较小。

（4）对比表3不同间距流载荷系数，A船处于上游时与单船更接近，但仍然小于单船情况，原因在于上游船首先经历无穷远来流，这一点与单船情况类似，但是双船的存在减弱了下游流动的快速分离，横向压差力减小，流载荷减弱。

3 结论

本文主要对单船和并靠船舶的流载荷进行了分析。得知不同间距、不同浪向角及船舶吃水的变化都会对流载荷产生影响，因此在操作中，应合理利用遮蔽效应，保证补给和救援作业的顺利进行。

本文尚有不足之处，如文中在研究遮蔽效应时提出速度减额的概念，但上述数据只能给出当前两船舶参数下的速度减额变化趋势，尚未将其推广应用到任意船型间的并靠作业，因此下一步工作还需对多种船型的并靠进行研究分析，为工程设计提供一定的参考依据。

［1］陆冬青，芮震峰，石爱国，等.波浪中并靠两船运动计算［J］.船舶工程，2007，27（5）：46-50.

［2］［英］FALTINSEN O M著.杨建民，肖龙飞，葛春花译.船舶与海洋工程环境载荷［M］.上海：交通大学出版社，2008.

［3］岳晓瑞，徐海洋.船式平台动力定位系统环境载荷数值预报［D］.武汉理工大学，2011.

［4］范尚雍.船舶操纵性［M］.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2001.

［5］谢楠，姜滨，李平，等.舰船在波浪中补给的运动性能研究［J］.水动力学研究与进展，1999，14（4）：510-520.

［6］谢楠，郜焕秋.波浪中两个浮体水动力相互作用的数值计算［J］.船舶力学，1999，3（2）：7-15.

Research on current loads of two ships alongside

QIN Fei WANG Ping
（Marine Design&Research Institute of China，Shanghai200011，China）

With the rapid development of the world ocean equipments，replenishment and rescue have become critical.During the replenishment and rescue operations，the environment loads of two ships alongside are obviously different from those of a single ship due to shadow effect.It has a great impact on successful alongside operations，therefore environment loads with shadow effect need careful consideration.This paper mainly carries out research on current loads of two ships alongside，and obtains the current loads with consideration of the shadow effect by simulation and formula calculation.

shadow effect；alongside；current loads

U661.3

A

1001-9855（2013）03-0001-06

2012-11-02；

2012-11-23

秦飞（1987-），男，在读硕士研究生，研究方向：船舶与海洋工程设计。

王平（1968-），男，博士，研究员，研究方向：船舶与海洋工程设计。