標準化船隊淺水槽運原理簡述及模型試驗研究

(西安電子科技大學， 西安 710071)

水路運輸具有較其它運輸方式更經濟的優勢，內河航運受河流分布狀況及航道的限制，使得這一具有天然優勢的運輸方式在祖國版圖上分布不均。設想像建高速公路那樣，建設專用淺水槽，在淺水槽中航行標準化船隊，并用計算機調控船隊進出“港口”。一條寬20 m的雙向槽運通道的運輸量可以與目前的長江運輸量媲美。實現上述設想的先期工作是研究開發適用于干旱地區、用水量小、節能效果顯著的淺水模式槽運[1]。

1 基本原理

1.1 船、水槽、水的關系

船、水槽、水的關系見圖1。航行中的船高度上升了；船側和船底多出了水域B。

圖1 船、水槽、水的相互關系示意

1.2 特殊船艏

設計特殊船艏，稱之為“犁形船艏”，見圖2。以一定速度v前行的船隊其犁形船艏提升船前水流灌入船側與水槽壁面之間的縫隙，使槽中的船隊左右兩側水位得以提高，水漲船高，整個船體因而得以抬高，見圖3。

圖2 特殊船艏示意

圖3 船艏、船側與水槽壁面之間縫隙流動分析示意

1.3 水流的動平衡

船隊航行中，具有良好流線型的犁形船艏消除了像普通船艏處那樣本應存在的壅水，并使船隊由前向后的水線延續提高，即整個船隊的水線與初始靜止狀態船隊的水線相比為一條中部高、上下游低的曲線。船隊艏部的水線低，表明艏部壓力降低，因而減小了整個船隊的壓差阻力。船隊艉部的水線低是由于船側與水槽壁面之間的縫隙中的水在艉部泄漏損耗所致。如果能進一步抬高船隊艉部的水線，則將進一步減少整個船隊的壓差阻力。

降低船艉縫隙泄漏的關鍵因素是縫隙寬度與速度的配合。一般來說，速度一定時，縫隙寬度大則泄漏大，因而船艉側壁縫隙處水位低，反之亦然。理論上，流速(船速)一定時，可找到一個無泄漏縫隙寬度，但工程應用中實際縫隙寬度可能稍大于無泄漏縫隙寬度。若船側與水槽壁面之間的縫隙寬度和船隊航速滿足一定的匹配條件，則上述泄漏損耗將趨于某一最小定值，這種相對穩定的動平衡狀態有利于船身抬高且船舶阻力進一步減少。

需要指明，縫隙摩擦損耗和船艉縫隙的泄漏損耗越少，為保持高水位動平衡，需要從犁形船頭處補充的水越少，船體被抬出水面就越高，行船能耗越少。同時，如果在船體左右兩側壁面采用微氣泡減阻等減阻措施，則有助于船體的抬升和船隊阻力的下降。

總之，在淺水槽中流動的水流是被限制在有限的水槽空間內，并被船體形態及船速所控制的特殊形態水流(而在水流自由流動的廣闊的水面是無法形成和保持這種特殊形態水流的)。特別強調，要保持這種特殊形態水流的穩定動平衡，必須先要保持水槽寬度、船形船寬、速度三者不變，缺一不可。比如，若船速下降則船頭補水減少，縫隙高水位下降，船將下沉觸底。

1.4 船舶迎阻力減小問題

淺水槽運船體的正面投影是長方形，所以迎流面積可用船體入水的兩部分直接表示。

1) 在動平衡時，航行中船身的大部分抬出水面，在船頭，船前迎面的是低水位，此入水深度遠小于普通船的吃水線。

2) 船隊艏艉水線的落差所形成的入水深度也由于采取降低縫隙摩擦損耗和船艉縫隙泄漏損耗措施得以明顯減小。因此淺水槽運模式不但省水而且節能效果好。

1.5 淺水槽運模式的節能潛力

淺水槽運模式有三個特點可為節能提供方便：①除船艏外，船體是矩形六面體平底船，即使組成船隊，使用密閉彈性通道聯接技術后，船隊仍然可保持矩形六面體的單船形態；②水槽用水量少，而且自循環利用；③初始情況下，水槽中水靜止，沒有風浪，同時在船體與槽壁之間采取特殊處理，船的搖擺將受到限制。

微氣泡可在近壁面處形成一薄層氣膜，能夠有效地減小固體壁面與其它介質之間的摩擦阻力[2-5]。首先在平底兩側加裝硬質裙邊，氣體在浮力的作用下，使整船船底變成自封閉氣墊艙，因船速以及船舶姿態穩定，被封閉氣體的泄漏不大，只要在行船中適當補充就行，補充能耗不大，但氣墊減阻效果顯著。利用微氣泡減阻的理論和實驗研究表明，平板表面的減阻效果最佳，而槽運船兩側都是大平板，在整個船隊左右兩側壁面上生成微氣泡，其減阻效果不容置疑。此外，大平板也為涂覆其它減阻材料帶來方便。水氣混合也是一類減阻方法，由于水槽用水量少且自循環利用，因此使用特殊高分子水氣混合減阻熔液的成本會下降。

2 淺水模式槽運原理驗證性模型實驗

2.1 實驗場地及實驗設施

1)場地。武漢理工大學流體力學研究所循環水槽，實驗段尺寸：長6 m、寬2 m、水深0.9 m、水流速0～1.8 m/s，可調。

2)船模。木制犁形船頭、犁形船艉及長方形鐵皮船體(高0.11 m、寬0.14 m、長0.8 m，共三節)，用標準砝碼壓艙，使吃水為0.09 m；

3)模型水槽。用1 m×2 m 鐵皮做成槽寬0.18 m、槽邊高0.16 m、長4 m的直角水槽,水槽入水深度可調，也可調成斜坡水槽。

4)船模牽引動力。利用循環水槽上方的天車電動機作動力，經加速絞盤牽引船模，用改變加速絞盤的大小直徑比來調速(不能無級變速)。

5)便攜式攝像機。從不同角度記錄試驗影像，方便事后分析。

實驗裝置與模型示意于圖4。

圖4 實驗安裝示意

2.2 實驗方案

方案一。水槽、船模不動，讓水流變速。但由于船與槽之間沒有相對移動，縫隙的水流不能跟隨明渠流，實驗失敗。

方案二。水池靜水，水槽不動，水槽入水深度(即水槽中水位)可調，船在水槽中被天車牽引，牽引速度在1～2 m/s，船在4 m水槽中只能牽引2～3 s，因此船模僅組合了犁形船頭、船艉及一節0.8 m鐵皮船體，總長1.5 m。

2.3 實驗內容

1) 縫隙寬度與速度的配合。初始鐵皮船模側壁與水槽壁面之間的縫隙寬度兩邊各2 cm。采用在船模側壁加貼多層1 mm厚的防水油氈調節縫隙寬度；采用逐步減小加速絞盤中的小盤直徑來提速。試驗時水槽水深調至0.12 m(0.16 m高的槽沿露出水面0.04 m,吃水0.09 m的船沿露出水面0.02 m，靜止時從側面看，槽沿擋住視野看不見船，船動起來后，船體上升，從側面才可看見船)。

2) 犁形船艉形狀對尾部縫隙泄漏的影響。改變犁形船艉形狀的兩種方案，以改變船艉流動。

3) 試驗由深水區向淺水區過渡。把水槽起始端和末端水深調至0.16 m和0.02 m，使水槽末端的一段水域為淺水區，其水深比吃水0.09 m小。

3 實驗結果分析

1) 多次重復實驗結果顯示，船側與水槽壁面之間縫隙寬度較大時，縫隙泄漏流量大，此時僅有船頭抬升；當船速(牽引速度)一定、縫隙寬度逐步減小時，也見船艉抬高；當縫隙寬度減小到某一定值之后，整船抬升；當牽引速度接近1.8 m/s、縫隙寬度為0.016 m時，船頭和船艉整體抬升。

當縫隙寬度和船舶牽引速度匹配時，船隊整體能抬升，主要是因為船側與水槽壁面之間縫隙流量達最大值，正是這一最大值使得船舶兩側水位提高，水漲船高，船隊得以抬升。

2) 反復多次重復的模型實驗顯示，船模瞬間起動牽引力巨大，一旦達到船身抬起的牽引速度并穩定后，牽引力大幅降低。若船在深水區起動，再轉入淺水區正常運行，當船突然被牽引，沉埋在吃水線以下的犁形船頭立即向前推水，瞬間形成淹沒船頭的巨大涌浪(孤立波)，犁形船頭一面承受涌浪的作用力，另一面引導涌浪灌入縫隙和船底，使船體逐漸上升并沖出涌浪。只要在“港口”(裝卸貨站、臨時停泊點)增添額外起動動裝置便可達到要求。

3) 航行穩定后，船艏前方涌浪很快消失，大大減小船隊阻力。多次重復實驗觀察顯示，船頭的巨大起動涌浪會形成向前傳播的波，實驗觀察顯示，當航行穩定，船隊抬升，船艏前方涌浪立即消失。這與船舶航行穩定后阻力大幅減小不無關系，可能與船隊前方孤立波的力學問題有關，對這一現象的合理解釋需要進一步研究。

4 結論

1)在合適的縫隙寬度下，達到所匹配的航行速度時，船隊整體抬升，船的吃水大幅減小，船舶阻力也大幅減小。

2)航行穩定，船隊抬升后，船艏前方涌浪很快消失，船舶阻力大大減小。

3)船艉形狀的改變對船艉抬升有改善，但影響程度不及縫隙寬度的變化。

4)船模能順利完成由深水區向淺水區過渡，也順利穿越淺水區，但停止牽引，船模立即擱淺。

致謝:本文有關模型試驗在武漢理工大學流體力學研究所王家楣教授、鄭曉偉工程師的大力支持下完成，對于一個暫無經費資助的研究者來說實屬幸運，在此表示感謝！

[1] 楊金玉.節能又提速還能“陸地行舟”的內河航運新模式[J].中國水運，2010(10)：7-9.

[2] 董文才，郭日修.平板氣幕減阻試驗研究[J].中國造船,1998(增刊):100-106.

[3] 王家楣，鄭曉偉，姜曼松，等.船舶吃水對微氣泡減阻影響的水池試驗研究[J].船舶工程2004，26(6)：9-12.

[4] 王家楣，鄭曉偉，姜曼松，等.船舶微氣泡減阻不同噴氣形式水池試驗研究[J].華中科技大學學報：自然科學版，2004，32(12)：79-82.

[5] 董文才，郭日修.氣幕減阻研究進展[J].船舶力學. 1998,2(5):25-29.