大型集装箱船在横风作用下航行的模拟试验研究

李一兵，李晓星

（交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456）

大型集装箱船在横风作用下航行的模拟试验研究

李一兵，李晓星

（交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456）

铜鼓航道北段设计方案采用反“S”形弯道与现有的深圳港西部港区进出港航道衔接，大风天时船舶在弯道内航行处于较强的横风作用中。为论证航道设计尺度的合理性及船舶航行的安全性，首次运用了二维潮流数学模型、船舶操纵模拟器、定床潮流物理模型和遥控自航船模等多种手段相结合的方法进行研究。研究表明，在风浪大时，原设计方案航道北段反“S”形弯道的尺度不能适应5万吨级集装箱船安全双向进出港的要求。通过将第一个弯道的大角度转向改为两次小角度转向，并增加第二个弯道的宽度，通航条件明显改善，在不利的试验工况下，5万吨级集装箱船双向进出港操纵顺利，满足全天候安全进出港的要求。

大型集装箱船；横风；通航条件；模拟试验；船舶操纵模拟器；自航船模

深圳西部港区位于珠江口伶仃洋东岸、矾石水道与暗士顿水道交汇处，主要包括蛇口港区、赤湾港区、妈湾港区、黄田港区和东角头港区。长期以来，进出深圳西部港口的海轮须经香港马湾水道，由于马湾水道狭窄，水流较急，近岸有明礁、暗礁、旋涡，航道经咸汤门时需90°急转弯，船舶操纵困难。香港特区政府为了保证通航安全，采用了强制引水限时通航及大型船舶不准夜航等一系列管制措施，使得航道通过能力极为有限，远不能满足深圳西部港区发展需要。随着深圳市及其腹地外向型经济的快速发展，西部港区运量的显著增加及船舶大型化的要求，急需开辟新的出海通道。

经科研和设计单位论证，提出了铜鼓航道方案。该方案线路北段采用了一条弯曲的“S”形航道与现有的深圳港西部港区进出港航道衔接，受东南季风的影响，航行条件恶劣，对集装箱船24 h进出港非常不利。为论证铜鼓航道北段船舶进出港航行的安全性，改善船舶航行条件，优化航道设计，在国内首次运用二维潮流数学模型、船舶操纵仿真模拟、定床潮流物理模型和遥控自航船模等多种研究手段相结合的方法进行研究［1-2］。

1 工程概况

深圳港铜鼓航道是深圳港西部港区第2条通海航道，位于珠江口伶仃洋东部铜鼓海区内，北接深圳蛇口、赤湾、妈湾、大铲湾港区航道，南连伶仃西水道，与广州港、东莞港通海航道交汇合并，再经珠江口大濠水道直通南海。航道全长22.57 km，有效宽度210 m，设计底标高-15.8 m（以当地理论最低潮面为基面）。

铜鼓航道平面布置情况如下：航道自伶仃西水道接入，以22.7°方位角向北延伸14.8 km至北段第一个转折点（此段航道底宽210m）后，向东偏转32.8°（航道方位角55.5°），航宽增加至250m；至第二个折转点（距第一个折转点约1 478m）后，以2 040m的弯曲半径，80°的转弯角转向进入深圳西部港区航道（方位角335.5°）。由此，使得铜鼓航道北段成为一条反“S”形的弯曲航道（图1）。

2 研究手段及方法

2.1 研究手段

（1）二维潮流数学模型。

二维潮流数学模型主要为船舶操纵模拟器提供潮流场边界。该模型所基于的基本方程多有报道，本文不再赘述，仅介绍计算域的确定及网格的划分。

本工程范围东北至赤湾、西南至桂山岛主航道，数学模型计算域为北至大铲岛以北4 km，西至伶仃岛西4.5 km，南至大濠岛，东为深圳湾及香港暗顿水道，南北约40 km，东西约31 km。模拟计算选取的网格形式为任意三角形计算网格，按关注程度不同采用疏密三角单元对计算域进行剖分，其网格最小空间步长为50m。网格划分见图2。

（2）定床潮流物理模型。

本研究需要通过自航船模航行试验对通航条件进行论证，根据船模航行试验要求，物理模型应该设计成几何正态定床。结合试验范围、试验海域水深条件、试验场地条件等，确定物理模型的几何比尺=150（即缩尺比1∶150）。

模型范围包括铜鼓航道北段和赤湾航道、蛇口新航道以及与妈湾相连的深水航道的一部分，试验段长为10 500m，宽为3 900m。模型长为70m，宽为26m，按照试验区域实测海床地形及港口岸线布置情况制作。

（3）船舶操纵仿真模拟系统。

船舶操纵仿真模拟系统的核心是船舶操纵运动方程［3］，在此基础上采用计算数学、计算机和视景仿真技术等进行船舶—环境系统仿真，为观察研究实际空间和时间领域内的船舶控制过程和人—机关系创造试验条件。该模拟系统能够实时模拟各种船舶在风、浪、流、浅水等环境因素影响下的船舶操纵运动。

（4）遥控自航船模。

试验代表船型为5万t级和10万t级集装箱船，采用的实船船型及其主尺度见表1。

2.2 研究方法

从通航水流条件来看，铜鼓航道海域潮流为往复流，航道内给定点的涨（落）潮流向比较稳定，对船舶航行影响起主要作用的是流速的大小。另外，集装箱船需全天候进出港，在任何地点都可能受涨急（落急）潮流的影响。因此涨急（落急）时刻的流场是船舶航行模拟试验的基础数据。为此采用以下方案开展研究。

（1）利用二维潮流数学模型计算得出工程海区工程前后不利条件下（洪季大、小潮涨急和落急，枯季大、小潮涨急和落急）的流场，分析航道开挖前后通航水流条件的变化。

（2）根据二维潮流数学模型提供的流场边界，再考虑工程海域不利的风况、浪况，在船舶操纵仿真模拟系统上模拟代表船型进出铜鼓航道北段的航行操纵情况，在对试验结果进行综合分析的基础上，提出航道平面布置方案的修改方案并重复进行船舶进出港航行试验，最终提出修改论证后的推荐方案。

（3）进行定床潮流物理模型和遥控自航船模试验研究，对船舶航行仿真模拟试验的推荐方案及设计单位提供的设计优化方案的航道水流条件及船舶航行条件进行试验研究，并从船舶航行安全的角度，论证铜鼓航道改线方案航道北段线路布置方案的合理性。

3 试验条件及其模拟

用于研究通航工程问题的模型，无论是数模还是物模，无论是船舶操纵模拟器还是遥控自航船模，均需对涉及的试验条件进行模拟，并使模型与原型对应的条件尽可能达到相似，从而保证研究结果的相对真实和可靠。

不同的模型因研究目的不同，需要模拟的试验条件也各有侧重。此次研究采用了二维潮流数学模型、船舶操纵模拟器、定床潮流物理模型和遥控自航船模等四种模型，其中的二维潮流数学模型主要模拟计算域内不利潮位和潮流场（流速及流向）；船舶操纵仿真模拟系统除模拟计算域内不利潮位和潮流场外，还需模拟不利风、浪情况，以及试验船舶本身的外形特征（船体相似）、船舶的运动特性以及航行操纵性能（回转、应舵等），和船舶在上述不利风、浪、流条件下的航行操纵情况；定床潮流物理模型主要模拟工程海域的不利潮位和潮流场、不利风况等；遥控自航船模主要模拟船舶本身的外形特征（船体相似）、船舶的运动特性以及航行操纵性能，船舶在不利风、流条件下的航行操纵情况等。

上述各试验条件的模拟，在定床潮流物理模型和遥控自航船模试验中增加风的模拟是本研究中的一大特点。因为国内还没有开展过遥控自航船模在大风中的航行试验研究，其他有关流、浪、船舶等试验条件的模拟相对都比较成熟，国内外针对船舶在风中的操纵与航行也开展了数值模拟预报和计算工作，相关文献也较多［4-9］。因此，本章重点介绍物理模型试验中风的模拟，其他试验条件的模拟可参考相关文献。

3.1 风的相似准则及相关比尺

根据船舶操纵仿真模拟系统模拟结果，试验区域的风况对船舶航行的影响很大，因此在物理模型试验中，也需要模拟风对船模航行的作用。风对船舶的作用力主要表现为风压力，因此，本试验对风场的模拟，以满足风压力相似为准。

压力相似即模型与原型的欧拉数Eu相似。由Eu=△W/ρU2，ρ=γ/g，△W/γ=L，即有Eu=L g/U2。按压力相似准则，可写成比尺关系为

上述各式中：ρ为风的密度，γ为重率，L为长度，△W为风压，g为重力加速度为风速比尺。

3.2 风场的模拟

船舶在大风中航行时，对船舶操纵影响较大的是横向风。因此，模型主要模拟横向风作用下船舶航行操纵情况，以论证铜鼓航道北段船舶进出港航行的安全性。

根据赤湾风力情况统计资料和航道设计条件，选择对船舶航行不利的风速、风向进行模拟试验。

风速：7级（13.9～17.1m/s）和8级（17.2～20.7m/s），试验时模拟各级风中最大风速。

风向：横风SE（次常风向、强风向）和横风NW

为使船模在航行过程中一直处于上述不利的横风作用下，需要在模型中的试验段内模拟出上述不利风速和风向。为此，在模型试验段安装了一排经过改造后可调整方向和转速的工业电扇，使得船舶在试验段内航行时一直处于设定的风况作用下。

需要指出的是，以往多以水流条件为主要研究对象的船模，加工时主要控制船体水线以下线形和尺寸的精确性即可满足试验要求。由于本次试验需要模拟风对集装箱船舶航行的影响，因此船模在制作过程中不但要严格控制船体水线以下线形和尺寸的精确性，还要保证水线以上线形和尺寸的精确性。在进行船模航行试验时，模拟的是船舶满载状态，故除保证船舶水上上水线形和尺寸相似外，还考虑了船上集装箱的尺寸和堆放情况，使之能够基本反映出船舶受风力影响后的航行状态。

4 航道设计方案论证及优化

4.1 二维潮流数学模型与船舶操纵仿真模拟

通过铜鼓航道北段潮流数值模拟计算和船舶航行仿真模拟试验及成果分析，可以得出以下几点结论：

（1）船舶在涨（落）急流、风浪较小时进出港航行，铜鼓航道北段航道布置设计方案具有良好的通航条件。通航安全问题主要反映在两个反向转弯段，在风浪大时，船舶过弯道操纵航态参数（漂角、航迹带宽、控制能力）已接近和超出船舶与航道的适配程度。在7～8级横风、1.0m以上横浪作用下，已不能适应5万t级集装箱船安全双向进出港的要求。

（2）为了适应5万t级集装箱船安全进出港的要求，进行了两个修改方案的试验研究。其中修改方案二拓宽CDE弯道、减小CDE弯道的转向角，同时将B弯道的大角度转向改为两次小角度转向，并且减小了BC直线段与主流向、强风强浪向的交角，有利于船舶的操纵安全（图3）。试验表明：修改方案二通航条件良好。在不利的试验工况条件下，5万t级集装箱船双向进出港、10万t级集装箱船单向进出港操纵顺利，能够满足全天候安全进出港的要求。

4.2 定床潮流物理模型和遥控自航船模试验

针对二维潮流数学模型与船舶操纵仿真模拟研究推荐的方案，在铜鼓航道北段定床潮流物理模型中开展了自航船模航行试验，以论证修改方案二的合理性，试验结果表明：

（1）在最不利的流态（枯季大潮落急）、无风条件下，铜鼓航道北段航道布置修改方案二通航条件良好，5万t级和10万t级集装箱船舶可以顺利进出。在7级大风条件下，5万t级和10万t级集装箱船舶也可以比较顺利通过铜鼓航道北段，安全进出港作业。在8级大风条件下，5万t级和10万t级集装箱船舶可以安全出港避风。但在上述风况条件下，船舶在两个反向转弯段过弯道时的舵角接近或达到满舵，航行漂角也比较大，弯道段的航道宽度略显不足。

（2）综合二维潮流数学模型与船舶操纵仿真模拟试验结果，认为铜鼓航道北段线路布置修改方案二在设定的风、流条件下，基本能够满足5万t级和10万t级集装箱船舶安全通航的要求，因此修改方案二可以作为设计参考。但在两个反向转弯段，船舶要想顺利过弯道，其舵角就需接近或达到满舵，给船舶的实际操纵带来难度。建议在航道设计时考虑一定的安全量，特别是增加两个弯道折角处的宽度。

（3）由于5万t级以上的集装箱船受风面积大，在航道内航行时受风的影响严重，应加强船舶交通管理，避免大风时在航道北段会船。

5 结语

（1）船舶在航道中航行，除了船舶本身的船型和操纵特性因素外，其航行操纵还受航线设置、流速流向、风速风向、波浪大小与方向等因素的综合影响，这些因素构成一个相互关联、相互制约的整体，决定了航道的通航条件。

（2）运用二维潮流数学模型、船舶操纵模拟器、定床潮流物理模型和遥控自航船模等多种手段相结合的方法，对航道布置方案及其通航条件进行研究，并在试验中对风、浪、流进行了综合模拟，更能反应船舶在真实自然条件下的航行状态，使得论证试验结果更加可靠。

（3）研究结果表明，风是影响船舶操纵及航行的重要因素，特别是大风（7～8级风）天时，风是影响船舶航行安全的主要因素。在确定航道宽度时，对风的影响应予以充分考虑。同时大风天行船也应采取相应的安全保障措施，以保障船舶的航行安全。

［1］李一兵，王永成，袁章新.铜鼓航道改线方案航道北段通航条件数值模拟计算研究报告［R］.天津：交通运输部天津水运工程科学研究所，2004.

［2］刘俊涛，黎国森，李一兵.铜鼓航道改线方案航道北段通航条件物理模型试验研究报告［R］.天津：交通运输部天津水运工程科学研究所，2005.

［3］赵月林.船舶操纵［M］.大连：大连海事大学出版社，2000.

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Simulation test research for container vessel navigation in crossw ind

LIYi-bing,LIXiao-xing
(Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China)

The northern section of Tonggu Channel connects with the fairway of Shenzhen western port area by an inverse S-shaped bend.To demonstrate the safety of navigation in the northern section of Tonggu Channel, a method of combining 2-D tidal flow mathematical model,ship maneuvering simulator,fixed bed tide physical model and remote control self-propelled ship model were applied for the first time.The test results show that, when the winds and waves are big,the channel dimension of the inverse S-shaped bend in original design plan cannot meet the demand for container ship with 50,000-ton class entering and leaving harbor safely in both ways. By changing the first bend with one big turning angle to two small turning angles,and increasing the channel width of the second bend,the navigation conditions of northern section of Tonggu Channel are improved markedly.In the worst test condition,container ship with 50,000-ton class can enter and leave harbor successfully in both ways.

container vessel;crosswind;navigation condition;simulation test;ship maneuvering simulator; self-propelled ship model

U 661.33

A

1005-8443（2013）05-0393-05

2013-01-05；

2013-03-06

李一兵（1961-），男，江西省抚州市人，研究员，主要从事港口、航道和通航工程研究。

Biography：LIYi-bing（1961-），male，professor.