一體船主推及側推尾流對基槽和邊坡影響分析

潘偉

（中交第一航務工程局有限公司，天津 300461）

0 引言

近年來，為了滿足國民經濟發展需要，我國船舶日趨大型化、高速化，引擎功率大幅提升。船用螺旋槳尺寸加大、螺旋槳推力的增加導致船舶尾流流速不斷增大，船舶尾流導致的基槽邊坡及碎石基床的破壞成為威脅碼頭安全的主要問題之一。歐洲科學家針對船舶尾流及其對碼頭穩定性的研究起步較早，并已取得大量成果：Hamill G A等[1]針對螺旋槳尾流最大速度的影響因素進行一系列試驗，為螺旋槳射流理論的深入研究提供了有力參考；Verhey H J[2]研究了底部和堤岸的穩定性螺旋槳射流引起的速度，并提出了一種預測機動螺旋槳尾部近似速度的方法；Muscari R等[3]基于數值模型，對船舶螺旋槳的尾流進行分析，并通過采用DES方法有效提高了數值模型的精度；Ahmed S等[4]利用大渦模擬對基準船螺旋槳尾流特性進行了評估并確定了導致尾流崩潰的不穩定機制。然而，由于中國航運業起步較晚，在中國港口、海岸的工程設計中，對船舶尾流作用考慮甚少。隨著近年來工程項目的迫切需要，才逐漸開展了船舶尾流的相關研究：2010年梁鵬飛[5]總結了螺旋槳射流流速分布的基本規律，并提出一組用于描述船舶尾流流速分布的經驗公式；侯連青等[6]通過對螺旋槳射流在沉管或沉箱上的尾流作用力進行理論計算和分析，為沉箱、沉管浮運提供計算依據；顧鋮璋等[7]采用數值分析方法，預測某船用螺旋槳的敞水性能，系統分析不同螺距下螺旋槳推力因數、扭矩因數和表面壓力因數的變化以及尾流情況；張寶華等[8]采用先進的多普勒點式流速儀測量基床拋石前緣和后緣的流速，得到能夠對塊石基床穩定性造成破壞的流速指標，并驗證了模型研究成果的可靠性。

本文基于三維有限元計算方法，依托深中通道工程，針對沉管浮運安裝階段一體船在倒車航行過程中產生的尾流開展數值模擬試驗。通過流速、壓力、渦系的分布和滾石分析，全面評估推進裝置尾流對基槽邊坡及碎石基床的影響，為實際施工、船舶設計提供參考。

1 工程概況

深中通道全長約24 km，其中沉管段長度5 035 m，沉管結構擬采用鋼殼混凝土管節或鋼筋混凝土管節，通過一體船實現沉管的運輸和安裝。本文依托深中通道工程，以實際工況建立數值模型進行分析計算。其中幾何模型主要包括一體船船體、沉管、主推、側推和基槽5個部分。其中，一體船船體按照其設計尺寸進行建模，船體總長190.4 m，總寬75 m，型深14.7 m，沉管管節尺寸為165 m×46 m×10.6 m，如圖1所示。

圖1 一體船及沉管示意圖Fig.1 Schematic diagram of integrated ship and immersed tube

2 研究方法

2.1 數值模型的建立

船首和船尾的布置如圖1所示。主推在船尾，以前進方向區分左右，因此有艏左側推、艏右側推、艉左側推、艉右側推、主推。圖2繪制了主推槳葉的幾何外形。在實際的計算中，主側推會有2°的后傾。同時，在倒車狀態下，主推會通過旋轉槳葉調整螺距，槳葉有-45°的轉角。此時主推為反螺距，一體船倒車航行。

圖2 主推槳葉的幾何外形Fig.2 The geometry of the main thruster blade

根據深中通道工程的實際工況，選取E18管節未安裝段（以下簡稱E18管節段）基槽和邊坡的實測尺寸數據，建立其基槽模型如圖3所示。

圖3 E18管節段基槽建模Fig.3 Modeling of the base groove of the E18 tube section

E18管節段基槽平緩，深度為21.877～21.707 m。模型在軸向對基槽與邊坡做了延伸，以適應計算所需區域范圍。

數值計算按照一體船的實際尺寸開展，計算域的軸向長度為1 700 m，橫向寬度為700 m。在一體船中心與基槽中心之間設置10 m的偏移，使一體船一側盡量靠近邊坡。在主推導管附近，艏艉側推孔附近，特別是尾流區域進行了網格加密。在尾流可能產生影響的基槽和邊坡位置，同樣也做了網格加密。計算網格總數為900萬。

2.2 數值模擬試驗設置

模型基于實尺度、全黏流、非定常的計算條件，對一體船帶沉管倒車狀態下，主、側推尾流對基槽邊坡及基床的影響進行數值分析[9]。一體船主推與側推同時工作時，主推功率為3 000 kW，2臺艏側推功率為3 000 kW，2臺艉側推為2 600 kW，絕對航速分別按照1.2 kn，1 kn，0.8 kn，0.6 kn進行計算。時間步長取0.02 s。一體船和沉管的橫向擺動位置按照10 m考慮，即與一側邊坡盡可能的靠近，而船體的軸向位置為沉管安裝位置。

為了控制計算耗時，主推模擬采用虛擬盤（virtual disk）技術，由于在倒車計算中，需要用到推進器的敞水曲線。依照提供的主推導管槳的外形，計算了槳葉旋轉-45°，負螺距狀態下的敞水性能。導管槳調距-45°時的敞水效率計算結果及相關參數如表1所示。

表1 導管槳調距敞水效率計算結果及相關參數（調距-45°）Table 1 Calculation results and relevant parameters of open water efficiency of ducted propeller with pitch control(pitch control-45°)

表1中，J為進速系數，J=V/nD，其中：V為來流速度；n為槳轉速；D為槳直徑。Kt為推力系數，Kt=T/ρn2D4，其中：T為螺旋槳推力；ρ為水密度。Kq為扭矩系數，Kq=Q/ρn2D5，其中：Q為螺旋槳扭矩。η0為敞水效率，η0=Kt.J/（Kq.2仔）。

一體船艏艉側推的推力和扭矩以品質系數進行估算。設艏艉側推的品質系數ηm為1.3，故螺旋槳的推力公式為：

艏艉側推的扭矩可以通過轉速功率得到。具體數值見表2。

表2 艏艉側推推力扭矩值Table 2 Side thrust torque of bow and stern

由于自由液面對于主推以及艏艉側推的流場影響可以忽略，因此在計算域的設置中僅考慮了一體船及沉管的水下部分。

3 E18管節段計算結果

3.1 速度分析

由于一體船的倒車航速遠小于主、側推尾流流速，4種航速下的速度分布特性呈現出了類似的特性，因此以1.2 kn試驗結果為例進行分析。

如圖4所示，E18管節段后艏側推的尾流直接作用于邊坡的坡頂附近，受邊坡斜率的影響，后艏側推尾流區產生了漩渦結構。此外，由于邊坡坡頂離自由液面很近，在狹窄的流道中，產生了流速增大的現象。

圖4 后艏側推速度矢量圖（1.2 kn）Fig.4 Side thrust velocity vector diagram of rear bow(1.2 kn)

由圖4可見，后艏側推的尾流場并沒有直接影響到邊坡，由于受到了淺基槽以及沉管的阻塞效應，故邊坡區域的漩渦結構不顯著。艏部側推的尾流，受到偏向自由液面的主推尾流的擾動，其流速的主要影響區域集中在自由液面附近。但是由于基槽深度較淺，尾流的加速作用對邊坡也有一定影響。流場的高速區集中在側推以及自由液面的附近。受到主推軸向尾流的作用，后艏側推附近的流向產生了明顯的偏轉。

由速度矢量圖可知，主推的尾流向遠離船體方向擴散。路徑會略微的偏向自由液面。尾流與船體相互作用，產生了一系列的漩渦結構。另有部分的尾流則直接打在船體的表面。

3.2 壓力分析

試驗發現，4種航速下的壓力分布無明顯差異，因此這里選取航速為1.2 kn的試驗結果進行分析。如圖5所示，側推尾流受邊坡影響出現了明顯的渦結構，隨之產生了一組渦心低壓和駐點高壓。由于E18管節段具有基槽淺、邊坡長，坡頂離自由液面近等特點，因此具有明顯的流道收縮，使得坡頂附近的局部高壓區域更加明顯，并且壓力沿側推尾流方向逐漸傳播。此外，由于受到基槽及沉管的阻塞作用，后艏側推的尾流受到限制，因此其在坡頂位置形成的高壓峰值較低。

圖5 后艏側推壓力云圖（1.2 kn）Fig.5 Side thrust pressure cloud map of rear bow(1.2 kn)

后艏側推的尾流在自由液面的附近形成了一組渦系結構，呈現出高、低壓交錯的形態。由于側推離邊坡的距離較近，渦系的壓力變化也會反映在邊坡的壓力分布上。艏側推對基槽的影響較弱。艏部主推尾流在船體附近形成渦系，部分作用在船體的尾流產生局部高壓。總體上主推尾流的壓力演化對基槽壓力的改變不明顯。

由圖5可見，由于E18管節段邊坡、基槽與船體距離較近，艏側推尾流在邊坡上產生了明顯的高壓，高壓區的范圍仍舊在邊坡坡頂的附近。此外，船首區域渦系產生的壓力變化，也反映在邊坡的壓力分布中。

3.3 渦結構分析

4種倒車航速下，渦系結構特征大致相同，這里采用1.2 kn航速的數值模擬結果進行分析，見圖6。流場扭矩值的等值面表征了渦系的發展。E18管節段艏部側推渦主要集中在側推孔內。而船首區域由于主、側推尾流場相互作用，舵和導管擾動顯著，渦系結構十分復雜。

圖6 一體船艏部扭矩圖（1.2 kn）Fig.6 Torque diagram of bow of integrated ship(1.2 kn)

3.4 滾石分析

試驗發現，4種航速下試驗結果的滾石分布特征較為類似，因此以1.2 kn試驗結果為例，對一體船在E18管節段，主、側推尾流對碎石的影響進行分析。如圖7所示，在船尾右側附近，受到艉部側推尾流的影響，邊坡區域靠近坡頂的位置流速較大。而在船尾左側，僅主推工作，因此船體附近的流速較大，并且沿船尾右側逐漸擴散。船尾流速的軸向視圖顯示，雖然艉側推對邊坡的影響范圍較大，但主側推及艉側推的尾流并未引發基槽碎石的滾動。

圖7 左側船尾速度切片（1.2 kn）Fig.7 Left stern speed slice(1.2 kn)

船尾側推尾流區域在E18管節段邊坡的影響范圍較大。但在基槽處的速度并未超過碎石穩定的臨界速度。總體上，一體船以1.2～0.6 kn航速倒車航行時，側推尾流對邊坡的影響范圍顯著增加。流場中，達到滾石臨界速度的區域也更加靠近基槽，但不會引起基槽碎石的滾動。

4 結語

本文采用非定常黏流計算方法，針對一體船在倒車航行過程中產生的尾流開展數值模擬試驗分析。通過測試4種倒車航速，主、側推同時工作的情況下，主、側推尾流附近的速度、壓力以及渦系的分布情況，綜合評估實際工況下，一體船尾流對基槽和邊坡的影響，并對基槽碎石進行滾石分析，得到主要結論如下：

1）一體船的艏部側推尾流直接作用于邊坡，影響范圍比較大，邊坡上駐點高壓的峰值更高。主推與艉部側推尾流相互作用形成的渦系結構，也會影響邊坡的壓力分布情況。

2）滾石分析表明，一體船艏、艉側推和主推的尾流對基槽的影響較弱，基槽附近的流速不會使碎石發生滾動。由于E18管節段的基槽較淺，因此流場中達到滾石臨界速度的區域離基槽較近。

3）考慮到真實海況的影響（浪、流等），一體船的航行路線以及數值計算的誤差等因素，實際工作狀態下基槽碎石是否發生滾動，還需要開展進一步的模型試驗分析。