礁石航道船舶受力影响分析

　

(重庆交通大学水利水运工程教育部重点试验室　重庆　400074)

长江上游河段最大的航道特性是岸线不规则，水流条件差，河床组成主要为基岩和沙卵石，沙卵石形成的边滩居多，间或有部分基岩礁石、凸嘴。这些礁石及凸嘴等碍航物处常常伴有扫弯水、斜流和回流等不良流态，使航行船舶发生偏转、横移，以致偏离航线，对船舶航行安全非常不利。

当船舶运动经过概化礁石时，船舶运动受力的变化是很显著的特征，因此船舶受力分析对有效安全航道边界的界定是一项非常重要的工作。李佳等[1]利用三维点式多普勒流速仪(ADV)对丁坝区流场进行量测，通过分析船舶在丁坝区域航行时的受力特性，从受力角度研究了船舶在整治建筑物附近的通航安全问题。胡旭跃等[2]运用应力采集系统测量了船舶 与桥墩处于不同相对位置时的二维时均受力情况，分析了复式桥墩不同间距时船舶的受力特性以及复式桥墩周围水流对船舶通航的影响，提出随着复式桥墩间距的增加，桥墩侧向通航 安全距离减小。Miao(2003)[3]和Xia(2004)[4]采用Dawson方法，讨论了水深、船与岸之间的距离和航速对船舶在浅窄河道中偏离中心航行时船体受到的横向力、偏艏力矩和兴波波形的影响。通过计算其研究结果表明:当水深吃水比大于1.2时，数值模拟结果与试验值比较吻合，而当水深极浅时，该计算方法己不适用于此类问题。Lo等(2009)[5]数值模拟的对象为在限制水域航行的某集装箱船模，其采用FLOW-3D模拟计算了岸壁效应对船体受力的影响。其计算结果表明:船舶航速一定时，船体所受横向力和偏艏力矩随船到岸壁的距离减小呈增大趋势;船到岸壁距离一定时，船舶所受横向力和偏艏力矩随船舶航速的增大呈增大趋势。石田(1996)[6]、Heo J K(2012)[7]、Zhou X(2014)[8]等在研究船舶在限制性水域航行不稳定水动力相互作用的二维受力计算时，采用obstacle Green function方程，用Schwarz-Christoffel transformation公式计算横向力和力矩的积分式，对船舶在有障碍的航道中的航行进行模拟，并应用于更复杂的河道的模拟计算中。

船舶在航行过程中受力作用主要受到流速、船速、河道占据比及船岸距离等因素的影响。本文主要采用CFD软件模拟礁石碍航河道，通过分析不同船速、礁石占据比、流速以及不同偏航角条件下的航行船舶受力特性，研究其对通航河道有效航道边界的影响。

一、数模方案

(一)方案布置

1.数学模型范围

数学模型范围总长4km，模型宽度为150m，模型高度为30m。概化礁石设置在河道右岸2.1km处，横向上分别有占据河道比例为1/10，2/10，3/10等三种概化礁石。

2.数学模型网格布置

提高数学模型计算精度的关键在于合理划分网格，本模拟采用的是六面体结构化网格及有限差分法对计算域进行离散。由于概化礁石附近的水流具有较强的三维特性，运动较为复杂，结合物理模型的测量结构，反复调整网格结构，最后得到模拟精度较高的网格精确解。在水槽范围内共3个网格块(图1)，总体网格布置，试验段加密设置，航槽段加密设置，总体网格布置的节点间距控制在不大于速度的十分之一的数，试验段和航槽段为单位网格上为总体河道网格的2倍。总体上X，Y，Z方向上单位网格相互比例不大于5。

3.计算边界设置

速度入口：根据模型试验方案，更好的与物理模型相适应，选择进口边界条件为速度入口，行近流速选取为速度进口流速，流速方向垂直于进口边界，流速分布均匀。

图1　三维网格布置图

4.计算边界设置

速度入口：根据模型试验方案，更好的与物理模型相适应，选择进口边界条件为速度入口，行近流速选取为速度进口流速，流速方向垂直于进口边界，流速分布均匀。

自由出流：采用自由出流边界条件，即边界不对出口流量限制。

对称面边界条件：对称面边界应用于边界条件梯度为0或速度为0的时候。

壁面边界条件：壁面边界条件常用于分界流体与固体区域。壁面法线上的流体速度为零，在墙面剪切条件中可设置滑移与非滑移两种情况，模型采用非滑移情况；概化礁石表面为无滑移边界条件，即速度相对无滑移、无穿透。

压力边界条件：压力边界条件为边界上存在特殊的压力。如果流体高度也很特殊，压力边界将会遵循静水压力的分布。

图2　航道-船舶模型横截面示意图

图3　航道-船舶模型坐标系统

5.初始条件设置

图2就是航道-船舶模型横截面示意图。一般来说，船舶的吃水、富余水深和水深之间的相关性通过水深吃水比h/T(ITTC 2002)来表示，对大多数天然航道最不利的情况来说其值的范围在1.1～1.5之间。在目前模拟中水深设定为5米，相当于山区航道中枯水位时期的航道水深。船模所示3000吨干散货船的吃水深是3.3米，因此水深吃水比值为h/T=1.51。为了避免波反射对远岸产生的影响导致的船岸效应对模拟的精确度影响，按照国际船模试验池的建议将航道模型的宽设为船模宽的8倍以上(ITTC,2005)。此外，设定天然河道水流速度为1m/s、2m/s、3m/s，船岸距离分别为1B、1.5B、2B、2.5B、3B、3.5B，对应的船模型速度为4m/s、5m/s、6m/s。

6.船舶条件设置

模拟研究中采用了船-流的耦合运动和使用两个正交坐标系(固船系统和固地系统)。耦合运动是指船舶有几种摇荡同时存在相互影响时的运动。如图3所示，固船系统(X′Y′Z′)是建立在在船模上而固地系统(XYZ)建立在航道模型上。在模拟中,进行一个假设当在时间t=0时,该船位于航道固船系统轴线与相对应的固地系统轴线相平行的航道框架的起始处。随着时间的流逝，船模前进时沿着x轴的指定速度，流场速度和压力在船体附近的瞬时分布在每个时间步骤都被记录下来。随着船的前进，它在航道模型的(xyz)轴线进行着三个自由度(3-DOF)的相对运动，即“浪涌”，也就是船沿x轴的位移；“摇摆”，船沿y轴的位移；“起伏”，船沿z轴的位移。船同时进行关于自身坐标系框架的3-DOF运动，分别为“滚动”，也就是关于x′轴的旋转；“倾斜”，也就是关于y′轴的旋转；“首摇”，也就是关于z′轴的旋转。即为船舶运动模型具有潜在的6 自由度。

(二)数模计算工况

为了研究概化礁石航道不同水流条件下的船舶运动受力特性，分别设置占据比分别为1/10、1/5、3/10的概化礁石，河道流速为1m/s、2m/s、3m/s，船模与概化礁石间的距离分别为1B、1.5B、2B、2.5B、3B、3.5B(其中B表示船模宽度)，对应的船模型速度为4m/s、5m/s、6 m/s进行正交实验模拟，见表1。

(三)船舶受力验证

为了验证数模计算的准确性，本研究布置了一组概化水槽试验，试验水槽几何比尺1:150，实际尺寸26.5m×1m×1m(长×宽×高)，供水能力可达到300L/s。为保证进入试验段水流平稳度达到均匀紊流的条件，根据水深判断进口段长度为5m，本次取为10m；出口端长度取为10m，试验段取为6m，则进出口水流条件达到要求。试验水槽中布置了3组混凝土块来进行概化，混凝土块露出水面，相对河道宽度分别为15cm、30cm和45cm，占据比分别为1/10，1/5，3/10，礁石高度和水深高度相同，处于刚好淹没状态。根据《内河通航标准》规定，选取3000t，船型尺度为95.0×16.2×3.3的干散货船作为本次研究的代表船型。

表1　数学模型工况

注：Sp:船舶与礁石之间的横向距离，即船岸距离；

St：船舶与礁石中心线的纵向距离。

本次试验通过压力传感器测量船舶运动时船舶壁面受到的点压力，并与数学模型计算的船体的瞬时受力进行对比分析，以验证数学模型的准确性。船舶模型共设置6个压力传感器，分别布置在船舶的两侧船体上，每侧布置三个，从船模头部到尾部的压力传感器编号依次为1#，2#，3#，4#，5#，6#。

船舶与概化礁石交汇耦合运动数学模型与之对应的物理模型工况进行验证。下图为，2#、3#二个测点的传感器压强值与数学模型数值模拟在同一点处压强随船舶运动变化过程。由图4可以看出，数值计算结果与试验数据趋势分布基本一致，故本模型可以较好地模拟和计算礁石附近的船舶运动受力状况。

二、船舶受力分析

(一)船速对船舶受力影响分析

本文选取水流流速V=3m/s，占据比Lr/B=3/10，船岸距离SP=1B的工况分析不同船速对船舶受力的影响，其中船速取为4m/s、5m/s、6m/s三种船速，船舶横向力随船速变化关系曲线

如图5所示。对比三种船速下船舶横向力变化，可以发现，船速越大时，船舶受到横向力也越大，但在概化礁石断面附近船速越大船舶所受力反而更小，最大横向力出现的位置区间不变，即不同船速下横向力的变化趋势大体是一致的。当船舶靠近礁石处，受航宽变窄，水流偏离礁石一侧集中，横向受力达到正向极值，随着船头驶过礁石断面水流向礁石一侧扩散，横向力减小且最终出现负极值，船舶远离礁石断面后，水流平稳，受力恢复又出现一个峰值，如图中船舶受力在纵向的曲线是一条两个波峰和一个波谷的曲线。

图4　压强实测值与计算值验证图

图5　船舶横向力与船速关系曲线

(二)占据比对船舶受力影响分析

本文选取水流流速V=3m/s，船速U=6m/s，船岸距离SP=1B的工况分析不同船速对船舶受力的影响，其中礁石占据比取为1/10、1/5、3/10三种占据比，船舶横向力随占据比变化关系曲线如图6所示。对比三种占据比条件下船舶横向力变化，可以发现，船舶驶过概化礁石时，占据比越大，船体受到的横向推力也就越大。当船舶运动到距概化障碍物约-1～0倍船长之间时，船舶运动所受横向力达到峰值，且占据比越大峰值出现的越早。

图6　船舶横向力与占据比关系曲线

(三)流速对船舶受力影响分析

本文选取船速U=6m/s，船岸距离SP=1B，占据比Lr/B=3/10的工况分析不同水流流速对船舶受力的影响，其中水流流速取为1m/s、2m/s、3m/s 三种流速，船舶横向力随水流流速变化关系曲线如图7所示。从图中可以看出，随着水流流速增加，船体所受横向力呈逐渐增大趋势。当船舶运动到礁石附近时，船体受到的正横向力达到最大峰值，且流速越大，达到峰值的时间越早。船舶通过礁石中心断面后，船体负横向力开始增大，直至出现最大负横向力。且不同流速条件下横向力峰值出现的区间大体一致。

图7　船舶横向力与流速关系曲线

(四)船岸距离对船舶受力影响分析

图8　船舶横向力与流速关系曲线

本文选取船速U=6m/s，水流流速V=3m/s，占据比Lr/B=3/10的工况分析不同船岸距离对船舶受力的影响，其中船距概化礁石横向距离取为1B、1.5B、2B、2.5B、3B、3.5B六种工况，船舶横向力随水流流速变化关系曲线如图8所示。从图中可以看出，随着船岸距离的增加，船体受到的横向力逐渐减小。当船岸距离大于3.5倍船宽时，船体受到的横向力较小，礁石对船舶航行影响较小；当船岸距离小于1.5倍船宽时，横向力较大，礁石对船舶影响显著，此时航行需谨慎。对比5组船岸距离曲线，船舶航行过程中受到的横向力变化趋势较为一致，正向峰值都出现在-1～0倍船长范围内，这是由于船舶航行至礁石断面，水流受礁石束窄作用，横向流速较大，船舶横向力增加。

三、结语

通过分析不同船速、礁石占据比、水流流速和船岸距离条件下船舶运动过程中的受力情况，可以得出：

1.船舶运动过程中船体所受最大横向力与船速大小呈正相关，但在概化礁石断面附近船速越大船舶所受力反而更小，且不同船速下横向力的变化趋势大体一致；

2.船舶运动过程中船体所受最大横向力与礁石占据比呈正相关，占据比越大，船体受到的横向推力也就越大，且占据比越大，横向力峰值出现的越早；

3.船舶运动过程中船体所受最大横向力与水流流速呈正相关，且不同流速条件下横向力峰值出现的区间大体一致，正向峰值出现在-1～0倍船长范围内，负向峰值出现在-0～1倍船长范围内；

4.船舶运动过程中船体所受最大横向力与船岸距离呈负相关，当船岸距离大于3.5倍船宽时，船体受到的横向力较小，礁石对船舶航行影响较小；当船岸距离小于1.5倍船宽时，横向力较大，因此建议船舶航行时避开这些区域。

【参考文献】

[1]李佳，沈小雄，胡旭跃等.基于船舶受力试验的丁坝区通航安全问题研究[J].水运工程.2016.

[2]胡旭跃，曹勇，沈小雄等.复式圆端型桥墩附近船舶受力特性及通航安全区范围[J].长沙理工大学学报(自然科学版),2016.

[3]Miao Quan-ming Allen T.Chwang et al,Numerical Study of Bank Effects on a Ship Traveling in Channel[A].In:8th International Conference on Numerical Ship Hydrodynamics[C],Busan,Korea,2003,22-25.

[4]XIA Jin-zhu,MIAO Quan-ming,Effects of Unsymmetric Flow on a Ship Traveling in a Channel[J].Journal of Ship Mechanics,2004,1.8(03),19-30.

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[6]石田,茂資,藤原,敏文.Measurement of Hydrodynamic Sway Force Acting on Two-Dimensional Models of Small Ship(Summaries of Papers Published by Staff of Ship Research Institute at Outside Organizations)[J].Report of Ship Research Institute,1996,32.

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[8]Zhou X,Sutulo S,Soares C G.Computation of Ship-to-Ship Interaction Forces by a Three-Dimensional Potential-Flow Panel Method in Finite Water Depth[J].Journal of Offshore Mechanics & Arctic Engineering,2014,136(4).