追越狀態下船舶臨界失控水動力干擾區研究＊

徐言民 裴金林 楊 柯 劉 強 關宏旭

（武漢理工大學航運學院1） 武漢 430063） （長江航道規劃設計研究院2） 武漢 430011）

船－船、船－橋水動力干擾是導致船－船、船－橋碰撞等水上交通事故發生的主要誘因之一.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，發生水上交通事故的概率逐步增大，對通航環境構成潛在的安全隱患，是水上交通安全領域研究的一個重要內容，也是新的研究方向［1］.目前國內外學者針對船舶安全航行的研究主要分為以下幾個方面.從船舶運動狀態而言，主要集中在受控和失控2種運動狀態［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域，包括受限水域船間效應仿真、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值計算等［4－8］.但是介于受控和失控運動狀態之間的欠控運動和由于欠控運動導致的船舶臨界失控區等研究領域，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，研究船舶發生欠控運動的條件，分析船舶臨界失控區的影響因素以及影響規律.

1 問題提出

當2船靠近航行時，由于船間水動力干擾作用的存在，會導致船舶偏航或產生轉頭現象，隨著船舶橫向間距和縱向間距的進一步縮小，在特定情況下可能會產生船舶橫向力和轉船力矩不足而導致船舶在現有控制條件下無法完全控制船舶采取避讓措施的現象，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稱為欠控運動.根據《國際海上避碰規則》，船舶欠控運動應該是介于受控和船舶失控之間的一種臨界狀態.

2 數學建模

2.1 船舶運動和船－船干擾系統坐標系

建立圖1所示船舶運動和船船干擾系統坐標系.

圖1 船間干擾運動坐標系統

2.2 船舶臨界失控水動力干擾數學模型

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、轉船力矩；YHI，NHI為 船間水動力橫向干擾力，轉船力矩.

2.2.1 船舶控制力和力矩數學模型

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.根據船舶操縱運動數學模型，求解過程如下.

式中：aH為船體力增額系數；xR為舵力中心坐標；xH為船體流體力中心坐標；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.表1為船－船水動力干擾通用模型參數表.

式中：濾波參數的選取參見文獻［1］.

表1 船－船水動力干擾通用模型參數列表

3 追越狀態船舶臨界失控水動力干擾區分析

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 對船舶臨界失控區影響計算工況

表4 船舶速度對船舶臨界失控區影響計算工況

3.3 追越狀態船舶臨界失控區計算結果

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

1）h／T 對追越船和被追越船臨界失控區的影響，見圖2～3.

圖2 h／T 對追越船臨界失控區的影響

圖3 h／T 對被追越船臨界失控區的影響

2）速度對追越船和被追越船臨界失控區的影響，見圖4～7.

圖4 追越船速度變化對追越船欠控區的影響

4 研究結論

圖5 被追越船速度變化對追越船欠控區的影響

圖6 追越船速度變化對被追越船欠控區的影響

圖7 被追越船速度變化對被追越船欠控區的影響

1）追越船轉船力矩失控區在（－0.6～－0.5）L，追越船速度提高，臨界失控干擾區尺度減??；欠控區隨著h／T 的增大而逐步減小；追越船臨界失控區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??；

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

5 結束語

通過船舶操縱運動數學模型和船間水動力干擾數學模型建立了船舶由于水動力干擾導致的臨界失控模型，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的范圍和臨界失控區隨各參數的變化規律.研究成果對水域船舶安全監管和船舶駕引人員快速估算重點干擾區域有重要意義.

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

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

［3］鄭元洲 橋區水域船舶失控船橋碰撞應急操縱技術研究［D］.武漢：武漢理工大學，2010.

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

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

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

［7］李學東.受限水域船間效應與仿真［D］.大連：大連海事大學，2010.

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