船行波對直立岸壁的作用研究

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(武漢理工大學 交通學院,武漢 430063)

1 淺水條件下船舶興波計算

船舶興波阻力計算采用的面元法可分為兩類，按照所采用的格林函數不同，分別為Rankine源方法和Kelvin 源方法(又稱Havelock源方法)。

采用Rankine源格林函數，在整個流場邊界布置源匯。在船體表面及部分自由面進行源匯分布，設船體表面S上的源強為σs(q)(這里是匯)，其所誘導的速度勢為

(1)

設自由面F上的源強為σf(q)，其所誘導的速度勢為

(2)

則總得速度勢為

φ(p)=φs(p)+φf(p)

(3)

為求解速度勢式(3)，必須求解邊界面上的源強σ。一階Rankine面元法的思想是采用一定數量的四邊形或三角形小平面(即面元)代替連續的船體曲面及自由面(以及其它邊界面)。假定每片面元上的源強為常數σi(q)，則可得到離散形式的速度勢。

將船體曲面S離散為Ns片面元，記第i片面元上Si的源強為σs(i)，則式(1)轉化為

(4)

同理，將自由面F共離散為Nf片面元，則式(2)轉化為

(5)

將離散后的總速度勢表達式分別代入各個定解條件，并在每片面元上選取一個滿足當地約束方程的場點P(稱為配置點)，可得到總共Ns+Nf個線性方程。求解方程組，求得每個配置點所在面元的源強，從而解決問題。

Wigley船船型要素：船長L=8 m，型寬B=0.8 m，吃水T=0.5 m，Wigley單體船在深水中航行時不同Fr數下的興波阻力系數曲線見圖1。與實驗結果比較，結果令人滿意。

圖1 Wigley單體船興波阻力系數

用面元法計算Wigley船型雙體船和三體船淺水的近域波形。計算的船型：Wigley雙體船，兩片體中縱剖面之間的距離分別為0.2L，0.3L，0.4L和0.5L。對于三體船，不同的側體排水量，不同的橫向和縱向間距，對其阻力都有極大的影響。本文Wigley三體船，以Wigley單體船為主體，側體排水量取主體的0.125倍，橫向間距分別為Ys=0.2L，Ys=0.3L,Ys=0.4L，Ys=0.5L，縱向間距Xs=0，得到的波高數據見圖2、3。

圖2 Wigley雙體船不同間距下船側0.3L處波高

圖3 Wigley三體船不同橫向間距下船側0.3L處波高

由以上波高圖形可以看出，對于Wigley雙體船和三體船，與在深水情況下相同，由于片體之間波系存在相互干擾，當片體與片體或片體與主體之間的間距越小時，其造成的興波越大，在干擾發生的船艉附近尤為明顯，見表1。

表1 淺水波高計算結果

2 船行波對直立建筑物的作用

《海港水文規范》(JTJ213-98)[1]第八章有如下規定。

當d1≥0.6H時，圖4所示的直墻建筑物上近破波的波浪力按下列規定確定。

d-建筑物前水深，m；d1-基床上水深，m；Z-靜水面以上高度， m；ps-靜水面處的波浪壓力，kPa；pb-墻底處的波浪壓力，kPa。

圖4近破波的波壓力分布

1)靜水面以上高度Z(m)處的波浪力為零，Z按下式計算。

2)靜水面處的波浪壓力按下列公式計算。

3)墻底處的波浪壓力按下式計算。

pb=0.6ps

4)單位長度墻身上的總波浪力按下列公式計算。

3 計算分析

至今對直墻建筑的破波波浪力還不能以嚴密的理論進行分析計算，在工程上只能采用經驗方法，而經驗公式中的波浪要素均為粗略的估算，本文則利用船舶興波的數值計算，以數值計算得到的較為準確的波形為輸入波，利用經驗公式計算波浪力，將船行波的數值計算與波浪對岸壁的作用相結合起來計算波浪力。

本文對于近破波的計算，基床底水深d取1.28 m，堤腳水深d1取0.48 m，將在淺水條件下Wigley各種船體船側0.3L處的近域波高數據代入《海港水文規范》(JTJ213-98)公式計算得到船舶興波對直立建筑的波浪力數據，見表2。

表2 波浪力計算結果

由表2得到的壓力見圖5、6，縱坐標為直墻建筑物各點位置，橫坐標為該點處的波壓力。

可以看出，當間距較小時，雙體船和三體船船波對直立建筑物的近破波波浪力較大；隨著間距的增大，雙體船造成的波浪力逐漸減小。可見無論是對雙體船還是三體船，間距的影響還是很明顯的。由于缺少有關實驗資料，無法比較用船波數據計算得到的值與實際值相差多少，這種方法計算的波浪力的準確性尚需進一步檢驗與討論。

圖5 雙體船近破波的波壓力

圖6 三體船近破波的波壓力

4 結論

采用一階Rankine源面元法對淺水Wigley雙體船和三體船的近域波形進行數值計算，并以其結果為輸入波計算了船行波對直立建筑物的近破波波浪力，結果表明該方法具有一定的可行性[2-4]，其準確性還有待進一步驗證。

[1] 交通部.JTJ213-98海港水文規范[S].北京：人民交通出版社,1998.

[2] 張 偉.高速排水型船舶興波波形及尾浪的數值計算[D].武漢：武漢理工大學，2009.

[3] 屈曉婷.破碎波對直立建筑物作用機理的實驗研究 [D].大連：大連理工大學，2008.

[4] 高 高.船舶興波問題面元法計算中自由面離散的穩定性分析[J].水動力學研究與進展：A輯,2002(1)：53-60.