基于小尺度船模技術在通航樞紐設計優化中的應用

蔡新永，蔡 創，雷鵬華

(1.重慶西南水運工程科學研究所，重慶 400041；2.重慶交通大學 河海學院，重慶 400074)

基于小尺度船模技術在通航樞紐設計優化中的應用

蔡新永1，蔡 創2，雷鵬華1

(1.重慶西南水運工程科學研究所，重慶 400041；2.重慶交通大學 河海學院，重慶 400074)

通過對小比尺船模技術原理及特點分析，結合樞紐上下游的通航水流條件，展開對涪江冬瓜山航電工程及通航建筑物的優化布置方案的研究。結果表明：通航代表四級流量，500 t級船隊上下行最大舵角均未超過船模試驗安全舵角限值(25°)，上行最小航速均優于船模試驗安全最低航速(0.4 m/s)。冬瓜山樞紐船閘引航道、口門區及連接段，滿足四級航道的通航要求。

航道工程；小尺度船模；樞紐通航；航道整治；工程價值

0 引 言

用自航船模研究內河通航問題，是當今航運發達國家采用的一項新技術。內河通航研究用的自航船模受水工、河工模型比尺限制，尺度都很小。和常規水工、河工模型水流條件量測試驗相比，它能更直觀、更真實地反映航道水流條件和邊界條件對船舶航行的綜合影響，并能反映出船舶與航道水流條件的相互作用， 而且模型試驗的造價也比較低，通常的水工模型量測試驗難以辦到的。因此，通航小尺度船模技術在人工通航建筑物設計和天然航道治理研究中，被認為很有實用價值。尤其對長江航道，由于長江河道蜿蜒曲折，上游山區河道水流條件比常規河道更為復雜，利用傳統模型或實船試驗更不切合實際，因此，更加突出了自航小尺度船模的作用和意義[1-5]。

1 小尺度船模技術

1.1 通航小尺度船模技術優點

1) 直觀性：在應用中能直接操縱船模、直接觀察船模的航行情況，并能對各種航行要素和操縱要素進行記錄和分析。

2) 真實性：船模試驗的真實性體現在以下兩方面：① 傳統水利學量測試驗對量測點的流速、比降等水力要素進行獨立的測量，以致這些孤立點的流速、比降值對船舶航行條件的難易程度并不能完全反映。小尺度船模技術既能對船舶各部分與復雜的水流條件相互作用的綜合影響充分反映，又能對不同流態下船舶航行的難易程度充分顯示，與物理水工模型相互驗證，互相補充。綜上所述，小尺度船模技術不是對各孤立點的水流條件進行量測，而是對各點流速、比降等水力要素對整個船體作用的合力進行量測。因此，小尺度船模技術對船舶的航行條件能更真實地反映。② 在航道優化設計中，當船舶在依據水工模型試驗成果設計的航道中行駛，往往會出現實際航行情況與水工模型試驗設計成果不一致的情況。通過對其原因進行分析，筆者發現傳統的水工模型量測試驗只對無船舶航行時的航道水流條件進行了模擬計算，沒有進行有船舶在航道中航行的模擬計算，因此造成了一定的偏差。小尺度船模技術能反映出船舶駛入航道后引起的流速、比降等水流條件變化以及這種變化反過來對船舶航行的影響，對于一些狹窄航道效果更為明顯，譬如通過在川江雞扒子灘險整治中的小尺度船模技術試驗成果發現，船模通過某些斷面時，航道底部的流速增加達40%以上，其他科研單位也有類似的試驗結果。由此可見，船舶與航道水流條件的相互作用是不容忽略的，小尺度船模技術可以對上述偏差進行一定修正，可使通航水流條件的研究更加真實，使航道優化的設計成果與實際航行情況更一致。

3) 經濟性：在實際航道中，組織一次實船試驗耗資巨大，且費時費力。因而試驗的方案和組次往往受到限制，不易取得足夠的試驗資料。而船模的研制和試驗耗費比實船試驗小得多，一旦船模研制完成，可以根據研究的需要很方便的增加試驗內容和組次。

4) 獨特性：能進行一些常規手段和實船不易甚至不能進行的試驗，如海難復演、危險航道試驗、航道邊界條件對船舶航行的影響等。

1.2 小尺度船模相似

小尺度船模技術是實船在水中航行的力學物理模擬運動過程，因此應滿足幾何相似、質量相似、運動相似和水動力相似等相似要求。由于讓小尺度船模和實船達到完全相似有很大難度，因此，目前的小尺度船模通過考慮與實船的主要相似條件來滿足航道工程優化設計的實際應用。

在小尺度船模技術實際的通航試驗應用中，我們要保證與實船的排水量、重浮心位置、轉動慣矩以及船體、螺旋槳和舵的形狀與實船的相似。由于目前加工工藝原因，小尺度船模的螺旋槳尺度比較小，做到與實船完全相似有很大難度。小尺度船模在水中的航行速度在滿足與實船的弗勞德數Fr相等的前提下，與實船的雷諾數相似得不到保證。為了解決上述問題，主要做到以下兩點：① 在實際操縱過程中盡量保持與實船舵角的相似；② 在選擇船模模型尺度時，要盡量滿足臨界雷諾數的要求，即Re≥1×105。在通航樞紐設計優化的實際應用中，由于各種因素造成的船模與實船的不相似，我們對小尺度船模的修正和控制主要通過對其總體性能的測控率定，以滿足船模與實船的主要相似，保證試驗成果的精度和可靠性。

1.3 測控系統

在小尺度船模技術應用中，既要量測船體上1個點的物理運動過程，又要快速測量船體上2～3個點的運動過程，這就使量測難度大大增加。在小尺度船模Z形試驗中，我們還要自動操舵進行實時控制。因此，在傳統的實船試驗和大尺度船模試驗中，通過人工用幾臺經緯儀、炮鏡同時瞄準跟蹤船體航行姿態的方式，很難進行小尺度船模試驗。超聲波聲納測量船模的運動姿態，除了受水質、水溫等外界因素干擾較大外，還不能同時測量船體上幾個點的物理運動過程。測量電視雖然能滿足快速測量和控制船模航行姿態的要求，但是需架設高臺和避光，試驗造價成本高，并且設備的安裝及誤差校正等調試工作較困難，不易及時滿足大多數現場船模試驗的要求。

針對以上實際情況，西科所和長科院經過不斷改進，先后開發研制成功出小尺度船模自動測控試驗系統。試驗系統采用激光掃描和無線電接口對船模的航行要素和操縱要素進行高精度、非接觸快速遙測，并用微機自動進行數據處理和實時控制，做到了計算機實時控制自動完成Z形試驗全過程，還能實時顯示和事后復演船模試驗情況[6-8]。

該船模自動試驗系統自動化程度和效率高、試驗質量好，較全面地滿足了小尺度船模操縱性能試驗和通航試驗對測試和控制的技術要求。

2 通航樞紐設計優化應用

2.1 工程概況

涪江冬瓜山航電樞紐工程位于涪江中游三臺縣劉營鎮大圍壩，是《涪江流域水資源總體規劃報告》中川境段自上而下16個梯級中的第4級，也是涪江蘆溪至三臺河段規劃三級(冬瓜山、吳家渡、明臺)開發中的第一級。樞紐距三臺縣城約33.5 km(水路里程)，距劉營場鎮約4.0 km，上游正常擋水位408.50 m與已建成的永安電站尾水相接，下游正常尾水395.01 m與吳家渡上游正常擋水位395.00 m銜接，工程利用水位落差12.9 m，以發電、航運為主，并有一定灌溉、防洪作用。

冬瓜山船閘按Ⅳ級航道標準選定船閘有效尺度，即120 m×12 m×3.5 m(長×寬×門檻水深)，水深14.5 m，通行500 t級船舶，船閘設計單向年通過能力187.30萬噸。冬瓜山航電樞紐擋水建筑物自左至右為左接頭壩、泄洪沖砂閘、電站主廠房、船閘上閘首、右岸接頭壩。

為了配合涪江冬瓜山航電工程的設計工作，論證工程設計方案的合理性和可行性，以優化該工程的設計，通過小尺度船模技術對航電工程上下游的通航水流條件及通航建筑物的布置方案進行研究。

2.2 小尺度船模技術應用

2.2.1 小尺度船模

船模試驗模擬實船在水中的運動，與實船要滿足幾何、運動和水動力相似[1]。除此之外，船模與實船之間還須滿足操縱性相似。根據量綱分析，計算出船模與實船之間的物理相似比尺如下：

1) 幾何比尺：λ=λL=λH=60

3) 速度比尺：λv=λL/λt=7.746

工程設計優化所用的實船為1+1×500 t分節駁船隊，小尺度船模采用比尺為1∶60，相關參數見表1。

表1 實船與船模的相關參數Table 1 Related parameters of real ship and ship model

小尺度船模經過操縱性能率定和尺度效應修正，符合船模與實船操縱性能相似，且要求要比實船航行時略具有一定的安全性。采用減少邊舵面積的方法，經過修正后的船模與實船操縱性指數見表2。

表2 修正后實船與船模的操作性指數Table 2 Modified operation index of real ship and ship model

2.2.2 應用方案

通航航段是船閘下游上段航道和船閘下游下段航道，其中上段航道為下游船閘口門到引航道上段彎道，航段長約600 m，下段航道為引航道下段彎道到引航道口門區及連接段，航段長約500 m。

根據設計方案給出的航段代表通航流量級，應用小尺度船模技術進行優化。代表通航流量級如下：

1)Q=158 m3/s(一臺機組發電，下游生態流量，下游水位395.3 m)；

2)Q=316 m3/s(兩臺機組發電，下游生態流量，下游水位395.5m)；

3)Q=475 m3/s(三臺機組發電，下游生態流量，下游水位396.43m)；

4)Q=2 000 m3/s(三臺機組發電，下游河道流量Q=1 525 m3/s，下游水位399.7 m)。

船舶在實際航行過程中，水流條件與船舶本身的動力特性及其操縱性能的優劣對其航行狀態的好壞有至關重要的影響。在一定的水流條件下，船舶的航行狀態主要由船舶在水中航行的航跡、舵角、漂角、車檔、航速等航行參數來體現。國內在研究三峽樞紐和許多內河航道的通航條件時，對小尺度船模航行過程中的舵角及航速值作了相應的限定，即最大舵角≯25°，最小航速≮0.4 m/s，以此來判別航行狀態的優劣。小尺度船模的航行參數劣于上列數值時，則認為航道是不安全的。

為保證小尺度船模結果的可靠性，減小試驗成果的隨機誤差，每種通航流量和工況均要進行多個航次試驗，用其特征值分析通航條件。

2.3 應用成果

由于涪江冬瓜山航電樞紐船閘上游航道為庫區，航道流速低，航行條件相對較好。船閘下游航道和上游航道相比，下游航道為通航控制條件。為了便于對不同航段、流量的船模成果進行比較，在應用中將小尺度船模的靜水航速按照相應比尺換算成實船航行的上行速度為4 m/s、下行速度為3.5 m/s。小尺度船模應用成果見表3，均已換算成實船數據。

表3 船閘下游應用成果Table 3 Application results of ship lock in the downstream

2.4 分析結論

樞紐船閘下游上段航道500 t級船隊上、下行最大舵角分別為17.58°和17.46°〔見圖1(a)和圖1(b)〕，均未超過舵角安全限值25°，上行最小航速為2.66 m/s〔見圖1(c)〕，優于最低航速安全限值0.4 m/s。樞紐船閘下游下段航道500t級船隊上下行最大舵角分別為19.21°和15.10°〔見圖1(d)和圖1(e)〕，均未超過舵角安全限值25°，上行最小航速為2.71 m/s〔見圖1(f)〕，優于最低航速安全限值0.4 m/s。

圖1 1+500 t船隊船閘下游下段航道不同流量下的結果Fig.1 Results of 1+500 t fleet ship lock at the lower part of the downstream of channel under different traffic flow

小尺度船模應用的兩個航段，通航代表四級流量(Q=158、316、475、2 000 m3/s)，上下行的船模試驗中，500 t級船隊上下行最大舵角均未超過船模試驗安全舵角限值(25°)，上行最小航速均優于船模試驗安全最低航速(0.4 m/s)。冬瓜山樞紐船閘引航道、口門區及連接段，滿足四級航道的通航要求。

3 結 語

通過應用小尺度船模技術對涪江冬瓜山航電樞紐通航設計方案研究，可以直觀、可靠和經濟地分析設計方案的通航流量控制條件。通過分析不同設計方案的通航流量，得出樞紐通航安全限值，從而對設計方案進行一定的優化，具有很大的實用價值和工程價值。

小尺度船模技術還在通航條件預測、最佳航線選擇和駕駛方式、航道治理效果驗證等方面具有廣泛的應用性，筆者會在以后的科研工作中，做進一步研究。

[1] VARYANI K S，MCGREGOR R C，WOLD P，et al.Identification of trends in extremes of sway-yaw interference for several ships meeting in restricted waters[J].ShipTechnologyResearch，2009，49(6)：174-191.

[2] VANTORRE M，DELEFORTRIE G，ELOOT K，et al.Experimental investigation of ship-bank interaction forces[C] //InternationalConferenceonMarineSimulationandShipManeuverability(MARSIM’03).[S.L.]：International Marine Simulator Forum，2003：437-446.

[3] HASANADIL M，YANG D W，WANG Y.Hydrodynamic coefficients of ships with forward speed in shallow waters[J].JournalofShipMechanics，2004，8(3)：46-54.

[4] WANG D J，BAKOUNTOUZIS L，KATORY M.Prediction of ship hydrodynamic derivatives in shallow and restricted waters[J].InternationalShipbuildingProgress，2000，47(452)：379-396.

[5] 蔡汝哲.在水工河工模型中應用小尺度船模試驗方法探討[C] //國際高壩水利學術討論會論文集.北京：[s.n.]，1988.

CAI Ruzhe.The hydraulic model test method research on small scale ship model[C] //ConferenceProceedingsoftheInternationalHighDamWaterConservationAcademic.Beijing：[s.n.]，1988.

[6] 蔡創.三峽樞紐通航船模試驗系統軟件開發[J].重慶交通學院學報，2001，20(2)：110-115.

CAI Chuang.The development of JGⅡ-V3.0 general software in Three Gorge pivot ship model experiment[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience)，2001，20(2)：110-115.

[7] 蘇興翹.船舶的操縱性[M].北京：國防工業出版社，1985.

SU Xingqiao.ShipManeuverability[M].Beijing：National Defense Industry Press，1985.

[8] 蔡創.長江斗笠子河段灘險整治船模通航試驗研究[J].重慶交通大學學報(自然科學版)，2008，27(1)：134-138.

CAI Chuang.Study on navigable condition on Doulizi reach regulation by ship model test[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience)，2008，27(1)：134-138.

(責任編輯：譚緒凱)

Application of Small Scale Ship Model Technique in Optimization of Navigation Hub Design

CAI Xinyong1，CAI Chuang2，LEI Penghua1

(1.Southwest Research Institute for Water Transport Engineering，Chongqing 400041，P. R. China；2.School of River and Ocean Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，P. R. China)

Through the analysis on the principle and characteristics of small scale ship model technology，combined with the navigation flow conditions at the upper and lower reaches of the hub，the optimization of the layout of Dongguashan navigation junction and navigation structure in Fujiang River was studied.The results show that the navigation is on behalf of four stage flows.The maximum rudder angle of 500t fleet in upstream and downstream doesn’t exceed the safety rudder angle limit (25°) in ship model test，and the minimum navigation speed in upstream is better than the lowest safety speed (0.4 m/s) in ship model test.The navigation channel，entrance area and connecting section of the lock for the Dongguashan hub meet the navigation requirements of the four grade channel.

waterway engineering；small scale ship model；hub navigation；channel improvement；engineering value

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.08.11

2015-08-12；

2016-02-19

重慶市自然科學基金項目(CSTC,2008BB6354)

蔡新永(1983—)，男，河北河間人，工程師，碩士，主要從事小尺度船模及水工量測技術方面的研究。E-mail：438866653@qq.com。

蔡 創(1968—)，男，重慶人，副研究員，主要從事小尺度船模及水工量測技術方面的研究。E-mail：caichuang@sina.com。

U612.32

A

1674-0696(2017)08-058-05