閘室船舶系纜力研究綜述

王蛟，楊斌

（重慶交通大學河海學院，重慶400074）

閘室船舶系纜力研究綜述

王蛟，楊斌

（重慶交通大學河海學院，重慶400074）

摘要：為保證船舶安全過閘，防止斷纜、傾覆等安全事故發生，文章從物理模型試驗和數值模擬研究兩方面就閘室船舶系纜力的研究歷史及進展做簡要綜述，并對其研究方向及應用作適當展望，力圖為后續研究提供幫助。

關鍵詞：系泊條件；物理模型試驗；數值模擬；系纜力

我國作為水利大國，內河航運是其戰略基礎產業，是國家綜合運輸體系和水資源綜合利用的關鍵組成部分，具有運量大、運距長、能耗小、成本低、占地少、污染輕等優勢。建設通航建筑物是實現河流渠化、溝通不同水系的重要手段。在我國近900座通航建筑物中，船閘約占90%，作為最主要的通航樞紐建筑物，船閘在內河航運中占有十分重要的地位。故在船閘設計與運營中，保證船舶安全過閘，具有重要意義。

船舶過閘時，為保證其安全，在引航道和閘室內均設有系船設施。由于引航道停泊段遠離閘首，水域相對開闊，閘室灌泄水對停泊船所產生的水流力較小，船舶一般可通過自行調控以滿足安全要求。相對而言，停泊于閘室的船舶受閘室灌泄水影響較大［1］。由于船舶所受的外部荷載均通過纜繩傳遞到系船設施上，故船舶系纜力可代表船舶的系泊條件［2］。系纜力由水流力產生，水流力包括由于水流紊動產生的局部力、縱向流速產生的流速力以及閘室內水面波浪產生的波浪力。受閘室水流非恒定以及船舶停泊位置等因素的影響，船舶系纜力分為橫向系纜力和縱向系纜力。系纜力超過規范允許值可能會引發斷纜、傾覆等安全事故［3］。因此，加強閘室船舶系纜力的系統研究具有實際意義。

過閘船舶的安全尤其是輸水過程中閘室內船舶的系泊安全一直是船閘設計與研究中最為關注的問題。本文就閘室船舶系纜力的研究歷史及進展（從物理模型試驗和數值模擬研究兩方面）做簡要綜述，并對系纜力的研究方向及應用作適當展望，力求為后續研究提供一定參考。

1　物理模型試驗

閘室船舶系纜力由于影響因素的復雜性，一直以來，都以物理模型試驗研究為主，以滿足實際工程的需要。其中，國外學者的研究開展較早。

前蘇聯學者Б.Д.卡洽諾夫斯基［4］對運行中的船閘（頭部輸水系統）進行了纜繩拉力實測，提出了纜繩縱向分力的計算公式。之后，又基于船上系纜柱的堅固性決定纜繩的允許拉力，給出了纜繩最大拉力與實際船舶排水量的關系式。但這些成果并未考慮閘室內船舶系纜力各影響因素的相互作用及其機理；Richard L等［5-6］通過物模試驗介紹了船舶系纜力的測量方法，并分析了系纜系統水動力學原理及船閘廊道輸水引發的閘室水面震蕩作用過程。同時，還研究了阻尼系數和質量系數，用來估算船閘運行過程中所產生的船舶系纜力。實驗涉及到輸水系統對閘室水面的影響以及船舶本身特性的改變，但未考慮閘室尺度及水位變化的影響；Richard L.Stockstill［7-8］利用水動力學模型（系纜環）對閘室停泊條件進行了數值模擬，并與原始數據進行對比，結果吻合較好，驗證了物模的可行性及實用性；之后，進一步研究了船型及水體自由表面與船體接觸耦合作用的影響［9］，針對閘室尺度及水位變化對船舶閘室停泊條件的參數影響做了初步探究，用于確定閘室船舶系纜力。但實驗內容較少，未形成系統，不便于設計參考；J.E.Hite，Jr［10］通過物模試驗證實，稍微調整入水口的水流特性和輸水廊道的結構尺寸，就能明顯改善閘室的停泊條件。但后來的研究表明，船閘輸水閥門的開啟方式對閘室停泊條件的影響更大。

在國內，周華興［11］研究了船閘輸水閥門的曲線開啟方式，驗證了輸水流量從三角形分布變成梯形分布，由不穩定流演變成較長時間的穩定流，能顯著改善水流條件和停泊條件，這些成果可以看作是對J.E.Hite，Jr研究的補充；之后，鄭寶友［12］進一步研究了船隊（舶）系纜力與進入閘室的流量增率、閘室及船舶尺度、排列型式及停泊位置等因素的關系，以此分析整理出船閘等慣性輸水系統閘室內船隊（舶）系纜力的經驗公式。這些研究較全面，但并未體現影響閘室船舶系纜力因素的主次關系，研究成果深度稍有欠缺；鄭寶友等［13］基于天津港復線船閘水力學模型試驗，分析了船閘輸水系統在灌泄水過程中系纜力的影響因素，得出了加長鎮靜段和減少閥門啟閉時間以及增加淹沒水深能減小船舶系纜力，灌水時的系纜力大于泄水時的系纜力等觀點。這些定性結論，缺少系統的數據整理分析，雖對實驗研究具有較強的指導意義，但實用性較顯不足；孫鵬等［14］通過對4種常規船型的計算表明，隨著船舶主尺度的增加，船舶在停靠時所需要的系纜力相應增大，其中主要包含三項，即船舶摩擦阻力、附加慣性力及比降力。所推導出的計算船舶系纜力的經驗公式在工程應用上具有一定的參考價值，在解決具有類似水電站的非恒定流影響下船舶系纜力問題時，可以參照使用，但在具體計算時需要對其進行修正；宗慕偉等［15］結合工程試驗研究，證實集中輸水系統閥門變速開啟方式可以有效利用閥門廊道斷面尺寸進行輸水，從而縮短閘室輸水時間，并介紹了其設計原則及初步研究成果。試驗表明，變速開啟的充水時間可較勻速開啟縮短15%左右，同時閘室船舶的系纜力仍可滿足規范要求。

2　數值模擬研究

對于船閘輸水過程船舶系纜力的研究，國內外大多采用模型試驗的方法來確定，而數值計算方法尚處于探索性階段。需解決的主要問題是“船體—水流”耦合動力響應。目前，在其他領域，“船體—水流”耦合動力響應模擬方面已取得不少成果，但在船閘工程中由于要考慮輸水系統的動態非恒定灌泄水過程，且閘室水體尺度與船舶尺度相當，船舶是在限制性水域內作大變幅運動。因此，要對此問題進行深入研究遠比我們想象的更為復雜，目前還缺乏系統性成果，現綜述如下。

國外，G.Constantinescu［16］利用3?D大渦數值模型模擬水流（特別是在高雷諾數水流條件下），測試了不同容量的水體在不同糙率水槽中的特性，過程中還整合了經驗資料以修正模型參數。試驗表明大部分情況滿足層流理論，但對于槽底障礙物帶來的影響則很難估計。在閘室水流環境模擬過程中，也應關注水流表面與船體運動，忽略閘室底水流的復雜性；Richter［17］通過假定船舶是隨周邊水體做無相對位移的運動，即將船舶視作“柔性船”，建立了一個簡化的數學模型來分析閘室內波浪的推進過程，對閘室系泊環境研究進行了補充；R.J.de Jong等［18］研究了閘室內涌浪對船舶的水動力作用，并研發了閘室內船舶所受縱向力的計算程序，有利于便捷地獲取閘室船舶系纜力，但涌浪作用只是影響閘室船舶系纜力的一種因素，計算程序還有待完善；Natale等［19］利用單自由度水動力學船體模型模擬了在涌浪作用下船舶的上升和下降運動，可供“船體-水流”模擬問題借鑒；Heqing Huang等［20］開發了一個數值模型，可用于模擬各種進口條件下的濁流特性，并得出結論：進口條件和河床坡度對濁流的特性影響最大，體現了輸水系統尤其是進口設計對閘室停泊條件所起的決定性作用；Hamn?Ching Chen等［21］通過綜合考慮流體計算RANS方法和LAPLACE方法的優缺點而得到一種新的模擬方法，可用于精確、高效地模擬具有自由表面的邊界層問題，粘性流問題和非線性波浪問題。這些問題都是在研究閘室船舶系纜力時必然會遇到的，該模擬方法具有很好的借鑒意義；Jennifer N. Tate等［22］針對淺水水流模型開發了一種自適應網格劃分方法，可以提高網格劃分的精度和效率，降低計算成本。“船體—水流”耦合動力響應模型對計算精度的要求很高，該方法可大大提高其數值模擬的效率；R.C. Berger等［23］介紹了一種3D水流數值模型：ADH（A Daptive Hydraulics），并用實例驗證了模型的可行性，“船體—水流”耦合動力響應模型可借鑒其自適應模擬特點進行優化；Bonometti T等［24］對矩形槽高水位的水流流態進行了模擬，其模型與閘室水流環境十分相似。綜上可知，國外研究主要力求具有普適性的基礎理論和研究方法。

國內，張利鵬［25］基于烏江銀盤船閘，建立了整體輸水系統數學模型，選用水氣兩相流的VOF模型追蹤模擬閘室自由表面，采用RNGκ—ε紊流模型對銀盤高水頭船閘水流進行了三維數值模擬；劉盛赟等［26］針對水流交匯區水動力學特性進行了數值模擬，建立了適用于水流交匯區的水氣兩相流數學模型。其研究結果表明：分離區的范圍隨交匯角、流量比和動量比的減小而逐漸縮小直至分離區消失，交匯角、流量比和動量比越小，交匯口上游水位的壅高及分離區內水位的下降程度越不明顯。該模型可用于模擬閘室輸水廊道出水口的水流交匯模擬；實際上閘室內船舶系泊條件的關鍵是“浮體—水流”耦合動力響應問題［27］，史琪琪等［28］提出的波浪交互理論是解決三維多浮體水動力問題的一種有效方法，該方法能正確處理相鄰浮體造成的波浪干涉效應，尤其適用于浮體數目較多的場合，適合于模擬船隊在閘室內的系泊環境；劉應中等［29］計算了多個浮體在波浪上藕合運動時的流體動力系數（已考慮流體動力之間的相互干擾），并分析了“船一駁”組合體在有限水深規則波中的運動響應；張炳夫等［30］基于三維頻域勢流理論，應用SESAM軟件計算了浮體在規則波中的運動響應和頻域參數；肖越［31］將三維線性時域GREEN函數法與非線性有限元法結合，進一步發展了系泊系統的時域分析法；江召兵等［32］采用任意拉格朗日—歐拉法導出了帶自由表面的流—固耦合運動計算模型，通過動網格跟蹤浮體運動，并用自適應網格加密自由表面，得出了在無粘流體和粘性流體中浮體的運動規律。以上研究，大多是波浪環境下浮體與流體間相互作用的研究，但實際上對于“船體—水流”間耦合運動過程中的船舶受力分析，不僅應考慮波浪和粘性水流流速對船體的作用，還應考慮閘室水位大幅變動對船體升降運動控制的動力響應。陳明［33］基于“船舶—水流”間的耦合動力響應，開發了一種較為完善的計算方法和“船舶—水流”模型，對閘室船舶升降過程中（閘室灌泄水過程）復雜的受力情況進行仿真模擬計算。

除模擬整體閘室水流環境外，對閘室水流條件影響研究主要集中在輸水系統。盧文蕾等［34］通過嘉陵江新政船閘閘底長廊道側支孔出水輸水系統模型試驗，研究了出水支孔型式、管徑與排列、消能溝設置等對改善閘室水流條件的影響。楊忠超等［35］針對高水頭船閘閘室明溝的消能效果和消能機理進行研究，分析了流速分布、剩余比能、水面波動和紊動能耗散率等參數，結果表明明溝消能效果良好。劉保軍［36］依托烏江銀盤船閘，采用雙明溝消能，運用物理模型試驗方法測出了雙明溝的流場分布，并輔以數值模擬，得出流速分布，論證了明溝消能效果優于蓋板消能。可見，船閘輸水系統和消能型式與閘室系纜力密切相關。

3　結論

綜上所述，針對閘室船舶系纜力的研究，過去由于受數值模擬技術的限制以及大量工程的實際需要，主要是通過物理模型試驗進行研究。其中，國外學者偏重于理論方法的探討，普適性較強，但實用性偏弱；而國內研究大多依托具體工程作針對性研究，成果雖具有較強的工程實用價值，但普適性有限。目前，數值模擬研究已得到較大發展，但總體而言，研究成果尚未系統化，不便于設計參考使用。其中，閘室水流研究較豐富，在閘室系纜力應用方面還有待深入。閘室系纜力的研究手段層出不窮，但能兼顧實用性及通用性的方法還較少。因此，在該領域仍有許多問題值得探討：

（1）加強船舶系纜力系統性研究。以往的研究多針對實際工程，系統性的研究較少。影響閘室系纜力的因素多，如船閘水頭、閘室尺度、輸水系統型式、消能方式、閥門開啟時間及方式、船舶（隊）停泊方式等，尚未見到針對上述影響因素進行的系統性研究及相應的實用性成果。

（2）加強系纜力原型觀測。通過閘室系纜力的原型觀測，不僅可直觀地判斷船閘輸水系統和消能形式的效果，優化設計，還可對相應數值計算模型、計算方法、模型試驗成果甚至設計規范的合理性進行驗證。

（3）積極開發更為高效、便捷的閘室系纜力計算方法及計算模型。船舶系纜力的數值模擬研究，需考慮輸水系統非恒定灌泄水過程，鑒于閘室水體尺度與船舶尺度相當，所以船舶是在限制性水域內作垂直升降運動，不僅要考慮波浪和粘性水流流速對船體的作用，還需考慮閘室水位對船體升降運動控制的動力響應，計算模型復雜，常常需要并行計算。現有的計算方法和模型很難兼顧可行性與實用性。為更方便快捷地獲取閘室船舶系纜力，借助大型商業計算軟件對閘室船舶系纜力計算進行系統的二次開發研究，已顯得十分的迫切和必要。

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Biography：WANG Jiao（1989-），male，master student.

中圖分類號：TV 662；TV 139.16

文獻標識碼：A

文章編號：1005-8443（2014）05-0527-05

收稿日期：2013-09-22；修回日期：2014-02-17

作者簡介：王蛟（1989-），男，四川省安岳人，碩士研究生，主要從事船閘設計方面的工作。

Review of mooring force in ship lock

WANG Jiao,YANG Bin
（School of River&Ocean Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074，China）

Abstract:In order to ensure the safety of ship lock,prevent broken cable and overturning safety accidents, with the aid of physical models and numerical simulation methods,a review of study history and development was made on mooring force in ship lock in this paper,and an appropriate outlook for the research direction and applica?tion was prospected.The purpose of this paper is to offer the assistance for further research in this field.

Key words:berthing condition;physical model;numerical simulation;mooring force