兩船并靠作業流載荷研究

秦飛 王平

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

兩船并靠作業流載荷研究

秦飛 王平

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

隨著各國海洋裝備的快速發展，補給和救援作業成為其中至關重要的環節。在進行補給和救援時，由于遮蔽效應的影響，兩船并靠的環境載荷與單船明顯不同，會對并靠作業的順利進行產生影響，因此需要重點考慮受遮蔽影響的環境載荷。文中主要對兩船并靠作業的流載荷進行研究，通過軟件模擬和公式推算，得出并靠作業兩船遮蔽效應下的流載荷。

遮蔽效應；并靠；流載荷

0 引言

對于在海上航行或作業的無約束船舶以及海洋結構物，流載荷是其主要承受的環境載荷之一。雖然海洋的表面流和底層海流流速較低，流載荷對船舶的作用程度相對緩和，但是海流的長時間作用會導致船舶等浮式結構發生水平漂移，偏離預定的作業區域，給作業安全帶來很大影響。

另外，隨著海洋裝備的發展，海洋作業正逐步向深海和遠海發展，因此補給和救援作業日益受到世界各國的重視。在船舶補給和救援過程中，一般需要兩船并靠作業，為確保兩船位置相對穩定，可以采取系纜或者動力定位的作業方式。船舶動力定位系統主要是控制船位和艏向，也就是根據環境載荷的大小、方向和作用點，由推力系統給出船舶動態跟蹤其他船舶所需要的推力合力。因此，必須首先確定風、浪、流等要素作用于船舶的力和力矩。由于兩船并靠作業時，在某些環境力方向下，位于下游的船舶會受到上游船舶的遮蔽效應影響，這與單船的受力情況有所區別，因此需要特殊考慮。

國內外曾有學者對此問題進行過初步研究。陸冬青等應用切片理論，借助二維格林函數法求得流場速度勢；然后應用線性彈簧理論，求解兩船并靠時的聯立運動方程，得出兩船在規則波中的六自由度運動幅值；最后用譜分析法得出兩船在不規則波中的運動規律［1］。但到目前為止，兩浮體并靠的漂移力研究工作還相對較少。Onkusu曾采用二維理論計算兩個平行細長體之間的水動力運動問題，采用遠場分析法計算漂移力，發現了負漂移的現象；Kim也基于切片理論，應用近場分析法研究漂移力，但這些方法誤差較大。

本文應用三維勢流理論，借助經驗公式和水動力軟件模擬，對單船和兩船并靠作業的流載荷進行直接預報，并將兩種工況的計算結果進行比較分析，得出遮蔽效應對船舶環境載荷產生影響的相關因素，為海上補給和救援作業船舶的前期設計提供一些參考。

1 流載荷計算理論

海流長時間作用于船舶會產生穩定側向力和力矩，特別是在某些海域可能遇到3 kn左右的表面流，這些流載荷會使船舶產生緩慢的漂移而偏離預定位置；因此，為保持船舶相對位置的穩定，在確定動力定位船舶的推力器大小時，合理地估計環境作用力和力矩中的流載荷部分所占的比重是很重要的。

1.1 單船流載荷理論

對于單船所受的流載荷［2］的預報，最準確的方法是進行風洞試驗。但鑒于試驗過程繁瑣、費用較多，目前主要采用經驗公式來計算作用在船上海流的力和力矩。作用在船上的流載荷可以分為沿著船長方向的縱向力、沿著船寬方向的橫向力及引起船舶轉艏的艏搖力矩。一般認為，流載荷的影響因素［3］主要包括Reynolds數和浮體粗糙度系數。另外，物面形狀、有限水深的海底效應及自由液面等也會對流載荷產生很大的影響。

作用在船舶的縱向流力主要由摩擦阻力而引起，可以采用靜水中估算船舶阻力的方法預報；同時，由于傅汝德數很小（式中：Uc為流速，m/s；L為船舶設計水線長，m），以至于波浪阻力相對于粘性阻力可忽略不計。因此，在綜合對比分析后，擬采用文獻［2］中的經驗公式計算縱向流載荷：

式中：ρ為海水密度，kg/m3；UC為流速，m/s；β為流速和縱向X軸之間的夾角（X軸正向指向船尾），°；S為濕表面積，m2；Rn=UCL｜cosβ｜/v，其中：v為海流運動粘性系數。

為了估算作用在船上的橫向粘性流力和流艏搖力矩，只要海流的方向不與船的縱軸相靠近，即可以使用橫流原理。橫流原理假定，流動分離是由通過船艏的橫向流動引起的，縱向的流動分量不會影響到橫截面的橫向力；并且橫截面上的橫向力主要是由于流動分離影響到壓力沿船體周圍的分布。這樣船舶的橫向流力F2C可以表示為：

式中：CD（x）為阻力系數，典型值見圖1和圖2；D（x）為剖面浸深，m。

圖1 船舶橫剖面在二維橫向流中計算和估計的阻力系數CD（x）

圖2 橫向流阻力系數的三維折減因子

其中，積分沿船長L方向。CD（x）是在縱向坐標x處船的橫截面阻力系數，取自具有與船相等橫截面面積的無限長柱體的阻力系數。D（x）為截面的吃水。圖2是考慮了船體的三維形狀后，對切片理論得出的CD（x）的三維縮減系數，將它乘以圖1中的二維CD（x）值后，即可得到一個較為正確的CD（x）。由海流流動引起的轉艏力矩F3C是由Munk力矩與橫流引起的粘性轉艏力矩之和組成［2］。

式中：A11、A22分別為縱蕩附加質量和橫蕩附加質量［4］，kg。

式中：m為船舶排水量，kg；L為船舶設計水線長，m；B為型寬，m；d為設計吃水，m；Cb為方形系數。

式（3）的最后一項為Munk力矩，可由未分離的勢流理論導出。轉艏力矩為正，則意味著將趨使船向一個更小的β角轉動。

1.2 并靠船舶流載荷理論

與單一艦船流載荷理論不同，并靠船舶的流載荷不能簡單應用上述理論計算［5］。當兩船并靠作業時，由于上游船舶對下游船舶的遮蔽效果，無窮遠來流經過上游船舶后，流速會發生變化，并在下游產生漩渦和回流，流場形式也不再是無窮遠的均勻來流。此時已無法準確預估流經下游船舶的流速，因此無法應用上述公式計算并靠船舶流載荷。

為此，本文基于Fluent軟件對并靠船舶進行模擬，通過結構建模、劃分網格以及水動力計算等方法，得到并靠船舶的流載荷；然后對計算結果進行分析，并且與單船的流載荷進行對比，最終得到當前尺度下并靠船舶在不同角度時的遮蔽效果。

本文在預報雙船并靠作業流載荷后，對并靠時的遮蔽效應進行如下分析。首先將各種不同間距、不同流速下的流載荷按以下處理方式得到對應的流力系數：

式中：FX為流作用力的縱向分量，N；FY為流作用力的側向分量，N；N為轉艏力矩，N·m；ρ為流體密度，kg/m3；VR為流速，m/s；AT為船水下橫向投影面積，m2；AL為船水下側向投影面積，m2；LOA為總長，m。

為分析雙體并靠作業時對橫向流動的影響，本文作如下假設：即近似認為兩船所受橫向流載荷均為流經各自表面的橫向均勻流動引起的，區別只是流速不同。因此在模擬各種間距并靠流載荷后，本文又利用式（2）的橫向流力公式進行反推，得到流經并靠船體各表面的平均橫向流速Ucy（Ucy=UC sinβ），并用無窮遠來流橫向流速分量分別與上游船舶表面的平均橫向流速和下游船舶表面的平均橫向流速做比值得到對應的橫向流速減額系數K。

式中：K為橫向流速減額系數；U∞cy為無窮遠來流流速的橫向分量，m/s；Uicy為流經上（下）游船舶表面的平均橫向流速，m/s。

2 計算實例

2.1 船舶主尺度及環境參數

本文以兩艘尺度接近的模型船為例，分別進行單船和兩船并靠作業的流載荷計算。

表1 并靠船舶主尺度單位：m

計算時采用了CFD前處理軟件Gambit進行船體建模和網格劃分，采用經驗公式和Fluent軟件相結合的方式進行流載荷分析，分別計算了三種流速和三種并靠間距下的流載荷。并靠作業的初始間距定義為兩船縱中剖面間的垂直距離，兩船靠近處舷側的距離定義為相對A船船寬的倍數，其環境參數如表2所示。

表2 環境參數

兩船進行并靠作業時，對環境載荷及船舶相對位置參考方向作如圖3、圖4規定。

圖3 兩船舶并靠作業參考坐標系示意圖

圖4 計算實例船舶水動力模型

2.2 并靠船舶流載荷預報結果

本文借助水動力軟件，選取幾個典型的流向角（0°~360°，角度增量為45°），對并靠船舶在不同間距和不同流速下的流載荷進行模擬。為便于數據分析，作出如圖5~圖10所示結果。

圖5 1.0 kn流速A船縱向流載荷（N）

圖6 1.0 kn流速B船縱向流載荷（N）

圖7 1.0 kn流速A船橫向流載荷（N）

圖8 1.0 kn流速B船橫向流載荷（N）

圖9 1.0 kn流速A船轉首流力矩/（N·m）

圖10 1.0 kn流速B船轉首流力矩/（N·m）

圖5~圖10分別列舉了流速為1 kn時，A、B船的橫向流載荷、縱向流載荷和流力矩，將三種不同間距（0.5B、0.75B和1.0B）下的流載荷與單一船舶時（infB，即距離無窮遠）的流載荷進行對比與綜合分析，得出以下結論：

（1）船舶并靠作業時，隨著間距的增加，縱向流載荷的變化不顯著。原因在于：縱向流載荷與縱向流動有關，低速流動情況下，兩船的遮蔽效果不明顯。

（2）單船與雙船體相比，只有A船在部分角度縱向流載荷變化明顯。原因在于：B船相對于A船吃水較深，對A船流場的影響更為明顯。在0°和180°，不存在吃水的影響；90°和270°屬于橫流，理論上縱向流載荷趨于0，因此可不予特殊考慮。

（3）并靠船舶的橫向流載荷隨著間距而變化，且與單船情況明顯不同。原因在于：當流動接近橫流時，遮蔽效果通常會導致下游船舶的流載荷減小。流場經過上游船舶后，會在背部尖角位置產生強烈的漩渦［6］，當兩船間距不同時，可能會因為下游船舶處在漩渦的位置不同而導致流載荷變化程度不同。

（4）遮蔽對流力矩的影響隨流向角而變化。在180°以前，B船流力矩受遮蔽影響明顯；在180°以后，A船的影響明顯。原因在于：流力矩受橫流和流動分離的影響明顯，且Munk力矩是由壓力引起的，與橫流繞經船舶的速度勢有關。下游船舶阻止了一部分漩渦的快速分離，因此流力矩有所減小。

2.3 遮蔽效應分析

如本文在并靠船舶流載荷理論分析中所述，雙船體在并靠作業時，遮蔽效應會導致流經上游和下游船舶的流場發生變化。為了得到流載荷降低的幅度，本文又對其遮蔽效應作了進一步分析，提出了流速減額系數的概念。

首先按照式（8）、（9）和（10）得到對應的流力系數。由上述分析可知遮蔽效應隨間距不同而變化，因此將每種間距對應三個流速的A船流載荷系數取平均值，所得結果見表3。

表3 不同間距A船流載荷系數

圖11為45°流向角時，兩船體表現流場速度矢量分布圖，可以看出，雖然兩船體表面速度矢量大小有變化，但速度方向幾乎不變，且流經每個船體表面各處的流速大致相當。

圖11 流向角45°時兩船體表面流場速度矢量分布

為了進一步分析船體并靠時對橫向流動的影響，本文近似假設兩船體所受的橫向流載荷均由經過船體表面的橫向均勻流動所引起，因此，提出如1.2節所述的流速減額系數概念；按照式（11）分別計算流經上游船舶和下游船舶表面的平均橫向流速，相對于無窮遠來流橫向流速的橫向流速減額系數K，見下頁中的表4和表5。

綜合分析表3、表4和表5的結果，得到如下結論：

（1）對于橫向流動，大部分角度下的流速減額系數大于1（即流速都有所減小），這也說明船體并靠時，上游船體對下游船體起到一定的遮蔽效果。

（2）流速減額隨間距發生變化，原因可能在于下游船舶處于漩渦區的不同位置，減緩流動分離的程度不同。

表4 上游船舶橫向流速減額

表5 下游船舶橫向流速減額

（3）部分角度（45°和315°）的流速增加，與圖7、8的預報結果有矛盾，原因可能有兩點：

a）計算誤差，式（2）要求海流方向不與船舶縱軸相靠近，而45°和315°與縱軸比較接近，因此會產生上述計算誤差；

b）流速增加，即該角度下由于船體的擠壓作用，經過船體表面的橫向流速確實比無窮遠來流橫向分量有所增加，只是增加幅度較小。

（4）對比表3不同間距流載荷系數，A船處于上游時與單船更接近，但仍然小于單船情況，原因在于上游船首先經歷無窮遠來流，這一點與單船情況類似，但是雙船的存在減弱了下游流動的快速分離，橫向壓差力減小，流載荷減弱。

3 結論

本文主要對單船和并靠船舶的流載荷進行了分析。得知不同間距、不同浪向角及船舶吃水的變化都會對流載荷產生影響，因此在操作中，應合理利用遮蔽效應，保證補給和救援作業的順利進行。

本文尚有不足之處，如文中在研究遮蔽效應時提出速度減額的概念，但上述數據只能給出當前兩船舶參數下的速度減額變化趨勢，尚未將其推廣應用到任意船型間的并靠作業，因此下一步工作還需對多種船型的并靠進行研究分析，為工程設計提供一定的參考依據。

［1］陸冬青，芮震峰，石愛國，等.波浪中并靠兩船運動計算［J］.船舶工程，2007，27（5）：46-50.

［2］［英］FALTINSEN O M著.楊建民，肖龍飛，葛春花譯.船舶與海洋工程環境載荷［M］.上海：交通大學出版社，2008.

［3］岳曉瑞，徐海洋.船式平臺動力定位系統環境載荷數值預報［D］.武漢理工大學，2011.

［4］范尚雍.船舶操縱性［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2001.

［5］謝楠，姜濱，李平，等.艦船在波浪中補給的運動性能研究［J］.水動力學研究與進展，1999，14（4）：510-520.

［6］謝楠，郜煥秋.波浪中兩個浮體水動力相互作用的數值計算［J］.船舶力學，1999，3（2）：7-15.

Research on current loads of two ships alongside

QIN Fei WANG Ping
（Marine Design&Research Institute of China，Shanghai200011，China）

With the rapid development of the world ocean equipments，replenishment and rescue have become critical.During the replenishment and rescue operations，the environment loads of two ships alongside are obviously different from those of a single ship due to shadow effect.It has a great impact on successful alongside operations，therefore environment loads with shadow effect need careful consideration.This paper mainly carries out research on current loads of two ships alongside，and obtains the current loads with consideration of the shadow effect by simulation and formula calculation.

shadow effect；alongside；current loads

U661.3

A

1001-9855（2013）03-0001-06

2012-11-02；

2012-11-23

秦飛（1987-），男，在讀碩士研究生，研究方向：船舶與海洋工程設計。

王平（1968-），男，博士，研究員，研究方向：船舶與海洋工程設計。