西江船隊阻力性能模型試驗

汪皓，陳順懷

(武漢理工大學 交通學院，武漢 430063)

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西江船隊阻力性能模型試驗

汪皓，陳順懷

(武漢理工大學 交通學院，武漢 430063)

針對西江干線貨運現狀，對由2艘機動船構成的運輸船隊進行模型阻力試驗。試驗包含5種不同船舶編隊方案，系列分析頂推船隊和綁拖船隊的阻力特性。試驗結果表明，在航速低于10 km/h時頂推船隊阻力性能較差，綁拖船隊兩船錯位0.4倍船長和錯位0.6倍船長阻力性能較優，優于兩船錯位0.2倍船長綁拖和兩船并排綁拖。建議西江干線船隊運輸應結合船舶及航道實際情況，采用2船錯位0.4～0.6倍船長的綁拖隊形。

頂推船隊；綁拖船隊；阻力性能

針對傳統的駁船隊運輸存在著船隊規模較大，編解隊技術復雜，運輸組織要求高等問題，結合西江干線船舶運輸基本條件，提出由2艘機動船舶構成船隊運輸。該方案編解隊技術簡單易行，運輸組織靈活；同時，該船隊運輸方式，不僅能合理分配西江船舶運力，而且能有效降低船舶營運成本，有著其獨特優勢。目前內河運輸船隊相關研究多集中于駁船隊[1-3]，其中，有研究提出將不對稱雙艉鰭、魚尾組合舵等多項技術應用于機動駁頂推船隊以提高船隊運輸效率[4]；有研究長江中游大型頂推船隊的操縱性能參數,分析影響大型頂推船隊航行安全的幾項重要操縱性能，并提出大型頂推船隊的幾種典型操船方法[5]；研究非成隊編組分節船隊的阻力、推進和操縱性能，并提出優化隊形[6]。未見針對由一般運輸船舶構成船隊的研究。由于一般運輸船舶的線型并未考慮船隊運輸的情況，因此在組成船隊運輸時，各船之間流場影響與專用駁船隊很不一樣，故需要進行不同編隊方案的阻力試驗研究，最終得到阻力性能較好的編隊方案。以西江某主流貨船為研究對象，對由2艘該型貨船組成的船隊進行模型阻力試驗，對不同隊形的阻力性能進行分析，為西江船隊運輸的推廣提供參考。

1 試驗模型及方案

1.1 試驗模型

模型試驗在武漢理工大學船模拖曳水池進行。武漢理工大學船模拖曳水池是國際拖曳水池會議(ITTC)的成員，水池長132.00 m、寬10.40 m、深2.00 m；水池拖車速度范圍0.06～7.00 m/s。車速在0.06～1.00 m/s范圍內，其穩速精度為±1.0 mm/s；車速在>1.00～7.00 m/s范圍內，其穩速精度為±0.1%；阻力試驗采用應變式電測阻力儀R35進行測量，其量程為240 N，精度為±0.1%。

試驗采用1∶15為縮尺比制作船模。船體模型為木質噴漆，表面光潔，并在船模9.5站處安裝激流絲(直徑=1 mm)。模型加工精度符合CB/Z326—1982號指導技術文件中對模型加工精度要求。試驗模型及實船主要參數見表1，橫剖面見圖1。

表1 模型及實船主要參數

圖1 船模橫剖面圖

1.2 試驗方案

本試驗采用自由拖曳法測量了單船及5種不同隊形的船模阻力，并對試驗數據進行分析，同時采用二因次換算預報實船阻力和有效功率，然后計算得到各編隊隊形的編隊系數[7]。采用5種不同隊形包括頂推和綁拖，分別為一頂一頂推隊形、2船并排綁拖隊形A、錯位20%倍船長(14 m)綁拖隊形B、錯位40%船長(28 m)綁拖隊形C、錯位60%船長(42 m)綁拖隊形D，見圖2。

圖2 船模試驗采用的隊形方案

2 試驗結果及分析

由于船隊試驗中存在非對稱隊形，因此以排水體積傅勞德Fr替換船長傅勞德FrL對船模試驗結果進行二因次換算[8]；同時考慮到綁拖隊形試驗中，船隊模型總寬較大，達到2.084 m，池壁影響不可忽視[9]，故采用上海船舶運輸科學研究所的修正公式[10]，根據阻塞效應對綁拖船隊試驗的船模速度進行修正。

推導得到阻塞系數m為

(1)

式中：Am為船模中橫剖面面積；b為水池寬度；h為水池水深。計算得到m=0.029 5。

船模修正速度ΔV為

(2)

式中：V為船模速度；k為修正系數，取k=1.029；FnH為水深傅勞德。

試驗結果見圖3～5。

圖3 剩余阻力系數曲線Cr

由圖3可知：

1)在頂推隊形下，頂推船隊的剩余阻力系數較單船有明顯增大。隨著Fr的增大，頂推船隊的剩余阻力系數增幅呈遞減趨勢，在Fr=0.060 5～0.304 9范圍內，頂推船隊的剩余阻力系數增幅從87.53%減小至32.84%。

2)在綁拖隊形A和綁拖隊形B下，綁拖船隊的剩余阻力系數變化趨勢與單船剩余阻力系數變化趨勢一致，但較單船有所增大，且綁拖隊形A的增幅更大。在Fr=0.060 5～0.304 9范圍內，綁拖船隊A的剩余阻力系數增幅從12.96%增大至58.23%，綁拖船隊B的剩余阻力系數增幅從2.72%增大至46.88%。

3)在綁拖隊形C和綁拖隊形D下，當Fr<0.2時，剩余阻力系數隨著數Fr的增大而增大，當Fr達到0.20后，剩余阻力系數呈下降趨勢。在Fr=0.222 9～0.304 9范圍內，綁拖船隊A的剩余阻力系數增幅從25.26%下降至7.64%，綁拖船隊B的剩余阻力系數增幅從6.45%下降至-3.59%。

圖4 實船摩擦阻力系數曲線

由圖4可知，頂推隊形和A，B，C，D 4種綁拖隊形的實船摩擦阻力系數較于單船都有所下降。其中，頂推隊形實船摩擦阻力系數下降最為明顯，減幅為9.94%～11.17%；綁拖隊形C與綁拖隊形D的實船摩擦阻力系數基本保持一致，減幅為5.75%～6.54%；實船摩擦阻力系數下降相對較小則是綁拖隊形B和綁拖隊形A，減幅分別為3.91%～4.41%和1.47～1.63%。

圖5 實船總阻力系數曲線Cts

由圖5可知：

1)船隊的總阻力系數變化趨勢與其剩余阻力系數變化趨勢保持一致。

2)頂推隊形、綁拖隊形A和B的總阻力系數相比于單船都有所增加，在Fr=0.060 5～0.304 9范圍內，頂推隊形總阻力系數增幅從50.86%減小至15.84%，綁拖隊形A總阻力系數增幅從7.55%增大至33.50%，綁拖隊形B總阻力系數增幅從0.30%增大至26.04%；

3)綁拖隊形C和D在低Fr情況下的總阻力系數優于單船，隨著Fr增加，其總阻力系數呈先增加后減小的變化趨勢。綁拖隊形C的總阻力系數增幅在Fr=0.060 5～0.182 1范圍內，從-21.32%增大至13.04%，隨著Fr繼續增大至0.3049，總阻力系數增幅逐步減小至2.44%；綁拖隊形D的總阻力系數增幅在Fr=0.060 5～0.222 9范圍內，從-42.60%增大至1.30%，隨著Fr繼續增大至0.304 9，總阻力系數增幅逐步減小至-4.05%。

根據試驗結果預報各編隊有效功率見表2。

表2 實船有效功率Pe預報

以2倍單船有效功率為基準，計算得到各隊形的編隊系數見圖6。

圖6 船隊編隊系數曲線

由圖6可知：

1)頂推隊形的編隊系數隨著航速增加而減小；綁拖編隊A和B的編隊系數變化趨勢相似，隨著航速增加而增大，且編隊B的編隊系數略小于編隊C；綁拖編隊C和D的編隊系數變化趨勢相似，當航速Vs<9.332 km/h時，編隊系數隨著航速的增加而增大，當航速Vs>9.332 km/h之后，編隊系數則隨著航速增大而減小。

2)綁拖編隊D的阻力性能最優，其編隊系數范圍0.6～1.0，其次是綁拖編隊C，其編隊系數范圍0.81～1.11；綁拖編隊A的阻力性能略優于綁拖編隊B，其編隊系數范圍分別是1.07～1.22和1.02～1.17；頂推隊形編隊系數范圍為1.59～1.10，在航速較低的情況下，其編隊系數較大。

3 結論

1)頂推隊形在低航速下，其阻力性能表現較差，隨著航速的提高，其阻力性能有所提升，但仍不理想，不適合用于西江船隊運輸。

2)綁拖隊形在2船錯位不超過0.2倍船長時，其阻力性能隨著航速的增加而不斷變差，主要是由于在航速較大式，長寬比偏小致使剩余阻力迅速增大。

3)綁拖隊形在兩船錯位超過0.4倍船長時，表現出較好的阻力性能，在低航速下的阻力性能優于單船，隨著航速的增加，船隊總阻力系數先是接近單船，隨后又低于單船，總體呈拋物線趨勢。

綜上所述，建議結合船舶以及航道實際情況采用2船錯位0.4～0.6倍船長的綁拖隊形作為西江船隊運輸的隊形。

[1] 徐鳴.分節駁頂推船隊在長江集裝箱運輸中的應用研究[D].上海：上海海事大學,2005.

[2] 梁洪.瀾滄江—湄公河船型船隊研究通過鑒定[J].珠江水運,1997(4):33.

[3] 呂自強.湘江鹵水頂推船隊的技術進步[J].湖南交通科技,1996(1):61-63.

[4] 錢徐濤.江西綜合節能機動駁頂推船隊研究[J].交通節能與環保,1999(4):3-7.

[5] 楊亞東.長江大型頂推船隊操縱性能的研究[J].交通科技,2001(3):56-58.

[6] 滕淑華,劉恒茂.非成對編組分節船隊的優化隊形[J].船海工程,1995(3):12-17.

[7] 楊大明,尹赟凱,施奇,等.某型低速船模型阻力試驗研究[J].科學技術與工程,2010,10(13):3296-3297.

[8] 盛振邦 劉應中.船舶原理.上冊[M].上海：上海交大出版社,2005.

[9] 施奇,楊大明,尹赟凱.船模拖曳水池靜水阻力比對試驗研究[J].江蘇科技大學學報(自然科學版),2011,25(4):312-314.

[10] 謝克振,周占群,宋家瑾,等.水池阻塞效應的試驗探討[J].上海船舶運輸科學研究所學報,1978(2):3-29.

Experimental Study on the Resistance Performance of Xijiang River Barges Train Model

WANG Hao, CHEN Shun-huai

(School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

The resistance performance of the pushing ships train and ships train towed alongside composed of two motor ships was studied experimentally. The test results indicated that the resistance performance of the pushing ships train is relatively poor, particularly in the speed of less than 10 km/h; the resistance performance of ships train towed alongside at a distance of 40% ship length or 60% ship length is better than ships train towed alongside abreast or at a distance of 20% ship length. Considering the situation of ship and channel, ships train towed alongside at a distance from 40% to 60% ship length is appropriate to Xijiang barge train transportation.

pushing ships train; ships train towed alongside; resistance performance

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.021

2016-12-13

廣西交通廳科技項目

汪皓(1992—)，男，博士生

研究方向：船舶布置優化技術及船舶現代設計方法

U661.3

A

1671-7953(2017)04-0094-04

修回日期：2016-12-26