闸室船舶系缆力研究综述

王蛟，杨斌

（重庆交通大学河海学院，重庆400074）

闸室船舶系缆力研究综述

王蛟，杨斌

（重庆交通大学河海学院，重庆400074）

摘要：为保证船舶安全过闸，防止断缆、倾覆等安全事故发生，文章从物理模型试验和数值模拟研究两方面就闸室船舶系缆力的研究历史及进展做简要综述，并对其研究方向及应用作适当展望，力图为后续研究提供帮助。

关键词：系泊条件；物理模型试验；数值模拟；系缆力

我国作为水利大国，内河航运是其战略基础产业，是国家综合运输体系和水资源综合利用的关键组成部分，具有运量大、运距长、能耗小、成本低、占地少、污染轻等优势。建设通航建筑物是实现河流渠化、沟通不同水系的重要手段。在我国近900座通航建筑物中，船闸约占90%，作为最主要的通航枢纽建筑物，船闸在内河航运中占有十分重要的地位。故在船闸设计与运营中，保证船舶安全过闸，具有重要意义。

船舶过闸时，为保证其安全，在引航道和闸室内均设有系船设施。由于引航道停泊段远离闸首，水域相对开阔，闸室灌泄水对停泊船所产生的水流力较小，船舶一般可通过自行调控以满足安全要求。相对而言，停泊于闸室的船舶受闸室灌泄水影响较大［1］。由于船舶所受的外部荷载均通过缆绳传递到系船设施上，故船舶系缆力可代表船舶的系泊条件［2］。系缆力由水流力产生，水流力包括由于水流紊动产生的局部力、纵向流速产生的流速力以及闸室内水面波浪产生的波浪力。受闸室水流非恒定以及船舶停泊位置等因素的影响，船舶系缆力分为横向系缆力和纵向系缆力。系缆力超过规范允许值可能会引发断缆、倾覆等安全事故［3］。因此，加强闸室船舶系缆力的系统研究具有实际意义。

过闸船舶的安全尤其是输水过程中闸室内船舶的系泊安全一直是船闸设计与研究中最为关注的问题。本文就闸室船舶系缆力的研究历史及进展（从物理模型试验和数值模拟研究两方面）做简要综述，并对系缆力的研究方向及应用作适当展望，力求为后续研究提供一定参考。

1　物理模型试验

闸室船舶系缆力由于影响因素的复杂性，一直以来，都以物理模型试验研究为主，以满足实际工程的需要。其中，国外学者的研究开展较早。

前苏联学者Б.Д.卡洽诺夫斯基［4］对运行中的船闸（头部输水系统）进行了缆绳拉力实测，提出了缆绳纵向分力的计算公式。之后，又基于船上系缆柱的坚固性决定缆绳的允许拉力，给出了缆绳最大拉力与实际船舶排水量的关系式。但这些成果并未考虑闸室内船舶系缆力各影响因素的相互作用及其机理；Richard L等［5-6］通过物模试验介绍了船舶系缆力的测量方法，并分析了系缆系统水动力学原理及船闸廊道输水引发的闸室水面震荡作用过程。同时，还研究了阻尼系数和质量系数，用来估算船闸运行过程中所产生的船舶系缆力。实验涉及到输水系统对闸室水面的影响以及船舶本身特性的改变，但未考虑闸室尺度及水位变化的影响；Richard L.Stockstill［7-8］利用水动力学模型（系缆环）对闸室停泊条件进行了数值模拟，并与原始数据进行对比，结果吻合较好，验证了物模的可行性及实用性；之后，进一步研究了船型及水体自由表面与船体接触耦合作用的影响［9］，针对闸室尺度及水位变化对船舶闸室停泊条件的参数影响做了初步探究，用于确定闸室船舶系缆力。但实验内容较少，未形成系统，不便于设计参考；J.E.Hite，Jr［10］通过物模试验证实，稍微调整入水口的水流特性和输水廊道的结构尺寸，就能明显改善闸室的停泊条件。但后来的研究表明，船闸输水阀门的开启方式对闸室停泊条件的影响更大。

在国内，周华兴［11］研究了船闸输水阀门的曲线开启方式，验证了输水流量从三角形分布变成梯形分布，由不稳定流演变成较长时间的稳定流，能显著改善水流条件和停泊条件，这些成果可以看作是对J.E.Hite，Jr研究的补充；之后，郑宝友［12］进一步研究了船队（舶）系缆力与进入闸室的流量增率、闸室及船舶尺度、排列型式及停泊位置等因素的关系，以此分析整理出船闸等惯性输水系统闸室内船队（舶）系缆力的经验公式。这些研究较全面，但并未体现影响闸室船舶系缆力因素的主次关系，研究成果深度稍有欠缺；郑宝友等［13］基于天津港复线船闸水力学模型试验，分析了船闸输水系统在灌泄水过程中系缆力的影响因素，得出了加长镇静段和减少阀门启闭时间以及增加淹没水深能减小船舶系缆力，灌水时的系缆力大于泄水时的系缆力等观点。这些定性结论，缺少系统的数据整理分析，虽对实验研究具有较强的指导意义，但实用性较显不足；孙鹏等［14］通过对4种常规船型的计算表明，随着船舶主尺度的增加，船舶在停靠时所需要的系缆力相应增大，其中主要包含三项，即船舶摩擦阻力、附加惯性力及比降力。所推导出的计算船舶系缆力的经验公式在工程应用上具有一定的参考价值，在解决具有类似水电站的非恒定流影响下船舶系缆力问题时，可以参照使用，但在具体计算时需要对其进行修正；宗慕伟等［15］结合工程试验研究，证实集中输水系统阀门变速开启方式可以有效利用阀门廊道断面尺寸进行输水，从而缩短闸室输水时间，并介绍了其设计原则及初步研究成果。试验表明，变速开启的充水时间可较匀速开启缩短15%左右，同时闸室船舶的系缆力仍可满足规范要求。

2　数值模拟研究

对于船闸输水过程船舶系缆力的研究，国内外大多采用模型试验的方法来确定，而数值计算方法尚处于探索性阶段。需解决的主要问题是“船体—水流”耦合动力响应。目前，在其他领域，“船体—水流”耦合动力响应模拟方面已取得不少成果，但在船闸工程中由于要考虑输水系统的动态非恒定灌泄水过程，且闸室水体尺度与船舶尺度相当，船舶是在限制性水域内作大变幅运动。因此，要对此问题进行深入研究远比我们想象的更为复杂，目前还缺乏系统性成果，现综述如下。

国外，G.Constantinescu［16］利用3⁃D大涡数值模型模拟水流（特别是在高雷诺数水流条件下），测试了不同容量的水体在不同糙率水槽中的特性，过程中还整合了经验资料以修正模型参数。试验表明大部分情况满足层流理论，但对于槽底障碍物带来的影响则很难估计。在闸室水流环境模拟过程中，也应关注水流表面与船体运动，忽略闸室底水流的复杂性；Richter［17］通过假定船舶是随周边水体做无相对位移的运动，即将船舶视作“柔性船”，建立了一个简化的数学模型来分析闸室内波浪的推进过程，对闸室系泊环境研究进行了补充；R.J.de Jong等［18］研究了闸室内涌浪对船舶的水动力作用，并研发了闸室内船舶所受纵向力的计算程序，有利于便捷地获取闸室船舶系缆力，但涌浪作用只是影响闸室船舶系缆力的一种因素，计算程序还有待完善；Natale等［19］利用单自由度水动力学船体模型模拟了在涌浪作用下船舶的上升和下降运动，可供“船体-水流”模拟问题借鉴；Heqing Huang等［20］开发了一个数值模型，可用于模拟各种进口条件下的浊流特性，并得出结论：进口条件和河床坡度对浊流的特性影响最大，体现了输水系统尤其是进口设计对闸室停泊条件所起的决定性作用；Hamn⁃Ching Chen等［21］通过综合考虑流体计算RANS方法和LAPLACE方法的优缺点而得到一种新的模拟方法，可用于精确、高效地模拟具有自由表面的边界层问题，粘性流问题和非线性波浪问题。这些问题都是在研究闸室船舶系缆力时必然会遇到的，该模拟方法具有很好的借鉴意义；Jennifer N. Tate等［22］针对浅水水流模型开发了一种自适应网格划分方法，可以提高网格划分的精度和效率，降低计算成本。“船体—水流”耦合动力响应模型对计算精度的要求很高，该方法可大大提高其数值模拟的效率；R.C. Berger等［23］介绍了一种3D水流数值模型：ADH（A Daptive Hydraulics），并用实例验证了模型的可行性，“船体—水流”耦合动力响应模型可借鉴其自适应模拟特点进行优化；Bonometti T等［24］对矩形槽高水位的水流流态进行了模拟，其模型与闸室水流环境十分相似。综上可知，国外研究主要力求具有普适性的基础理论和研究方法。

国内，张利鹏［25］基于乌江银盘船闸，建立了整体输水系统数学模型，选用水气两相流的VOF模型追踪模拟闸室自由表面，采用RNGκ—ε紊流模型对银盘高水头船闸水流进行了三维数值模拟；刘盛赟等［26］针对水流交汇区水动力学特性进行了数值模拟，建立了适用于水流交汇区的水气两相流数学模型。其研究结果表明：分离区的范围随交汇角、流量比和动量比的减小而逐渐缩小直至分离区消失，交汇角、流量比和动量比越小，交汇口上游水位的壅高及分离区内水位的下降程度越不明显。该模型可用于模拟闸室输水廊道出水口的水流交汇模拟；实际上闸室内船舶系泊条件的关键是“浮体—水流”耦合动力响应问题［27］，史琪琪等［28］提出的波浪交互理论是解决三维多浮体水动力问题的一种有效方法，该方法能正确处理相邻浮体造成的波浪干涉效应，尤其适用于浮体数目较多的场合，适合于模拟船队在闸室内的系泊环境；刘应中等［29］计算了多个浮体在波浪上藕合运动时的流体动力系数（已考虑流体动力之间的相互干扰），并分析了“船一驳”组合体在有限水深规则波中的运动响应；张炳夫等［30］基于三维频域势流理论，应用SESAM软件计算了浮体在规则波中的运动响应和频域参数；肖越［31］将三维线性时域GREEN函数法与非线性有限元法结合，进一步发展了系泊系统的时域分析法；江召兵等［32］采用任意拉格朗日—欧拉法导出了带自由表面的流—固耦合运动计算模型，通过动网格跟踪浮体运动，并用自适应网格加密自由表面，得出了在无粘流体和粘性流体中浮体的运动规律。以上研究，大多是波浪环境下浮体与流体间相互作用的研究，但实际上对于“船体—水流”间耦合运动过程中的船舶受力分析，不仅应考虑波浪和粘性水流流速对船体的作用，还应考虑闸室水位大幅变动对船体升降运动控制的动力响应。陈明［33］基于“船舶—水流”间的耦合动力响应，开发了一种较为完善的计算方法和“船舶—水流”模型，对闸室船舶升降过程中（闸室灌泄水过程）复杂的受力情况进行仿真模拟计算。

除模拟整体闸室水流环境外，对闸室水流条件影响研究主要集中在输水系统。卢文蕾等［34］通过嘉陵江新政船闸闸底长廊道侧支孔出水输水系统模型试验，研究了出水支孔型式、管径与排列、消能沟设置等对改善闸室水流条件的影响。杨忠超等［35］针对高水头船闸闸室明沟的消能效果和消能机理进行研究，分析了流速分布、剩余比能、水面波动和紊动能耗散率等参数，结果表明明沟消能效果良好。刘保军［36］依托乌江银盘船闸，采用双明沟消能，运用物理模型试验方法测出了双明沟的流场分布，并辅以数值模拟，得出流速分布，论证了明沟消能效果优于盖板消能。可见，船闸输水系统和消能型式与闸室系缆力密切相关。

3　结论

综上所述，针对闸室船舶系缆力的研究，过去由于受数值模拟技术的限制以及大量工程的实际需要，主要是通过物理模型试验进行研究。其中，国外学者偏重于理论方法的探讨，普适性较强，但实用性偏弱；而国内研究大多依托具体工程作针对性研究，成果虽具有较强的工程实用价值，但普适性有限。目前，数值模拟研究已得到较大发展，但总体而言，研究成果尚未系统化，不便于设计参考使用。其中，闸室水流研究较丰富，在闸室系缆力应用方面还有待深入。闸室系缆力的研究手段层出不穷，但能兼顾实用性及通用性的方法还较少。因此，在该领域仍有许多问题值得探讨：

（1）加强船舶系缆力系统性研究。以往的研究多针对实际工程，系统性的研究较少。影响闸室系缆力的因素多，如船闸水头、闸室尺度、输水系统型式、消能方式、阀门开启时间及方式、船舶（队）停泊方式等，尚未见到针对上述影响因素进行的系统性研究及相应的实用性成果。

（2）加强系缆力原型观测。通过闸室系缆力的原型观测，不仅可直观地判断船闸输水系统和消能形式的效果，优化设计，还可对相应数值计算模型、计算方法、模型试验成果甚至设计规范的合理性进行验证。

（3）积极开发更为高效、便捷的闸室系缆力计算方法及计算模型。船舶系缆力的数值模拟研究，需考虑输水系统非恒定灌泄水过程，鉴于闸室水体尺度与船舶尺度相当，所以船舶是在限制性水域内作垂直升降运动，不仅要考虑波浪和粘性水流流速对船体的作用，还需考虑闸室水位对船体升降运动控制的动力响应，计算模型复杂，常常需要并行计算。现有的计算方法和模型很难兼顾可行性与实用性。为更方便快捷地获取闸室船舶系缆力，借助大型商业计算软件对闸室船舶系缆力计算进行系统的二次开发研究，已显得十分的迫切和必要。

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Biography：WANG Jiao（1989-），male，master student.

中图分类号：TV 662；TV 139.16

文献标识码：A

文章编号：1005-8443（2014）05-0527-05

收稿日期：2013-09-22；修回日期：2014-02-17

作者简介：王蛟（1989-），男，四川省安岳人，硕士研究生，主要从事船闸设计方面的工作。

Review of mooring force in ship lock

WANG Jiao,YANG Bin
（School of River&Ocean Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074，China）

Abstract:In order to ensure the safety of ship lock,prevent broken cable and overturning safety accidents, with the aid of physical models and numerical simulation methods,a review of study history and development was made on mooring force in ship lock in this paper,and an appropriate outlook for the research direction and applica⁃tion was prospected.The purpose of this paper is to offer the assistance for further research in this field.

Key words:berthing condition;physical model;numerical simulation;mooring force