追越狀態(tài)下船舶臨界失控水動力干擾區(qū)研究＊

徐言民 裴金林 楊 柯 劉 強 關(guān)宏旭

（武漢理工大學(xué)航運學(xué)院1） 武漢 430063） （長江航道規(guī)劃設(shè)計研究院2） 武漢 430011）

船－船、船－橋水動力干擾是導(dǎo)致船－船、船－橋碰撞等水上交通事故發(fā)生的主要誘因之一.隨著船舶尺度的增大和船舶速度的提高，通航水域尺度相對減小，發(fā)生船－船、船－橋干擾的可能性增大，船－船、船－橋干擾對船舶操縱運動的影響也相對更加明顯，發(fā)生水上交通事故的概率逐步增大，對通航環(huán)境構(gòu)成潛在的安全隱患，是水上交通安全領(lǐng)域研究的一個重要內(nèi)容，也是新的研究方向［1］.目前國內(nèi)外學(xué)者針對船舶安全航行的研究主要分為以下幾個方面.從船舶運動狀態(tài)而言，主要集中在受控和失控2種運動狀態(tài)［2－3］.從研究水域看，主要集中在開闊水域和受限水域，幾年來針對受限水域的研究較為集中，尤其是船間水動力干擾研究領(lǐng)域，包括受限水域船間效應(yīng)仿真、淺水中會遇船舶水動力作用、船－船非定常水動力相互作用數(shù)值計算等［4－8］.但是介于受控和失控運動狀態(tài)之間的欠控運動和由于欠控運動導(dǎo)致的船舶臨界失控區(qū)等研究領(lǐng)域，尚未開展深入研究.本文將利用船舶操縱運動模型和船間水動力干擾模型，研究船舶發(fā)生欠控運動的條件，分析船舶臨界失控區(qū)的影響因素以及影響規(guī)律.

1 問題提出

當(dāng)2船靠近航行時，由于船間水動力干擾作用的存在，會導(dǎo)致船舶偏航或產(chǎn)生轉(zhuǎn)頭現(xiàn)象，隨著船舶橫向間距和縱向間距的進(jìn)一步縮小，在特定情況下可能會產(chǎn)生船舶橫向力和轉(zhuǎn)船力矩不足而導(dǎo)致船舶在現(xiàn)有控制條件下無法完全控制船舶采取避讓措施的現(xiàn)象，即船舶臨界失控.這種船舶在有效的控制條件下，缺乏安全的船－船避讓條件或船舶避讓空間的船舶航行狀態(tài)稱為欠控運動.根據(jù)《國際海上避碰規(guī)則》，船舶欠控運動應(yīng)該是介于受控和船舶失控之間的一種臨界狀態(tài).

2 數(shù)學(xué)建模

2.1 船舶運動和船－船干擾系統(tǒng)坐標(biāo)系

建立圖1所示船舶運動和船船干擾系統(tǒng)坐標(biāo)系.

圖1 船間干擾運動坐標(biāo)系統(tǒng)

2.2 船舶臨界失控水動力干擾數(shù)學(xué)模型

造成船舶臨界失控的主要誘因來自船－船橫向干擾力和轉(zhuǎn)船力矩，船舶臨界失控條件可描述如下.

式中：∑Y，∑N 為船舶橫向控制力、轉(zhuǎn)船力矩；YHI，NHI為 船間水動力橫向干擾力，轉(zhuǎn)船力矩.

2.2.1 船舶控制力和力矩數(shù)學(xué)模型

式中作用于螺旋槳上的流體動力YP和力矩NP，船、槳、舵干擾力YHPR和力矩NHPR忽略不計.根據(jù)船舶操縱運動數(shù)學(xué)模型，求解過程如下.

式中：aH為船體力增額系數(shù)；xR為舵力中心坐標(biāo)；xH為船體流體力中心坐標(biāo)；FN為舵流體正壓力

式中：AR為舵面積；λ為舵的展弦比；UR為舵處的有效來流速度；aR為有效沖角.

2.2.2 船－船水動力干擾通用模型［9］本文采用Varyani ＆ Vantorre提出的船間水動力干擾通用公式計算船間水動力干擾效應(yīng).表1為船－船水動力干擾通用模型參數(shù)表.

式中：濾波參數(shù)的選取參見文獻(xiàn)［1］.

表1 船－船水動力干擾通用模型參數(shù)列表

3 追越狀態(tài)船舶臨界失控水動力干擾區(qū)分析

3.1 計算船舶

本文采用集裝箱船和散貨船作為模型開展研究.具體船舶尺度見表2.

表2 船舶尺度

3.2 計算工況

選取h／T、船舶橫向間距Sp（0～2）L、船舶速度作為工況組合，具體計算工況見表3、表4.

表3 h／T 對船舶臨界失控區(qū)影響計算工況

表4 船舶速度對船舶臨界失控區(qū)影響計算工況

3.3 追越狀態(tài)船舶臨界失控區(qū)計算結(jié)果

對滿足式（1）的船間水動力干擾區(qū)和力矩干擾區(qū)計算結(jié)果分別繪圖，以分析船舶臨界失控區(qū)的相應(yīng)特征.各工況下的船舶臨界失控水動力和力矩干擾區(qū)見圖2～5.

1）h／T 對追越船和被追越船臨界失控區(qū)的影響，見圖2～3.

圖2 h／T 對追越船臨界失控區(qū)的影響

圖3 h／T 對被追越船臨界失控區(qū)的影響

2）速度對追越船和被追越船臨界失控區(qū)的影響，見圖4～7.

圖4 追越船速度變化對追越船欠控區(qū)的影響

4 研究結(jié)論

圖5 被追越船速度變化對追越船欠控區(qū)的影響

圖6 追越船速度變化對被追越船欠控區(qū)的影響

圖7 被追越船速度變化對被追越船欠控區(qū)的影響

1）追越船轉(zhuǎn)船力矩失控區(qū)在（－0.6～－0.5）L，追越船速度提高，臨界失控干擾區(qū)尺度減小；欠控區(qū)隨著h／T 的增大而逐步減小；追越船臨界失控區(qū)尺度隨本船速度的提高而減小，隨被追越船速度的降低而減小；

2）被追越船干擾力臨界失控區(qū)在（－1～1）L，轉(zhuǎn)船力矩失控區(qū)域在船尾方向（－0.5～0.5）L.欠控區(qū)隨著h／T 的增大而逐步減小；臨界失控區(qū)隨本船速度的提高而減小，隨追越船速度的降低而減小.

5 結(jié)束語

通過船舶操縱運動數(shù)學(xué)模型和船間水動力干擾數(shù)學(xué)模型建立了船舶由于水動力干擾導(dǎo)致的臨界失控模型，并針對h／T、橫向間距、船舶速度組合工況開展了計算分析，得到了船舶臨界失控區(qū)的范圍和臨界失控區(qū)隨各參數(shù)的變化規(guī)律.研究成果對水域船舶安全監(jiān)管和船舶駕引人員快速估算重點干擾區(qū)域有重要意義.

［1］徐言民.基于操縱模擬的橋區(qū)水域船舶通航安全預(yù)控研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，2010.

［2］甘浪雄，喻 曉，高國章.船舶失控應(yīng)急的港珠橋區(qū)水域尺度［J］.中國航海，2011，34（3）：76－80.

［3］鄭元洲 橋區(qū)水域船舶失控船橋碰撞應(yīng)急操縱技術(shù)研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2010.

［4］孫 媛.船間水動力干擾模型的對比與優(yōu)化研究.［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

［5］徐言民，劉明俊，鄒早建.橋區(qū)船舶運動軌跡數(shù)值模擬與實船試驗對比研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報，2008，32（3）：573－576.

［6］范平易，鄒早建，汪 淳.基于橋區(qū)水流數(shù)值模擬的橋墩對通航影響分析［J］.中國航海，2010，33（1）：37－41.

［7］李學(xué)東.受限水域船間效應(yīng)與仿真［D］.大連：大連海事大學(xué)，2010.

［8］張晨曦.船－船非定常水動力相互作用數(shù)值研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，2011.

［9］VARYANI K S，SOURCE V M.New generic equation for interaction effects on a moored containership due to a passing tanker［J］.Journal of Ship Research，2006，50（3）：278－287.