小半徑彎曲航道整治船模試驗及數值模擬研究

蔡創，龔梁爽，楊碩，侯向勇

（重慶交通大學 河海學院，重慶 400074）

1 背景

船舶在內河航道行駛時，有時會遇到彎曲航道，此時船舶的航行會遇到很大的困難，因此對彎道航槽進行船模通航試驗及船舶操縱性試驗開展模擬研究具有很大的實用性。

湘江是湖南省內的一條非常具有航運價值的河流[1]，水運方面發展有著雄厚的基礎。琵琶洲彎道險灘，位于浯溪樞紐庫區[1]，它在平面上是典型的回頭彎U 型河段。所以，要想在此處確保船舶安全暢通，開展相關自航船模研究十分必要。本文研究的河段主要選取的是琵琶洲急彎河段。

2 船模試驗

2.1 船模設計

船模在水中運動時需要滿足一定的相似條件[2]。經過量綱分析后，計算出船舶模型的一些重要物理量之間的比尺：

幾何比尺：λ=λL=λH=100

時間比尺：λt=λL1/2=10

速度比尺：λv=λL/λt=10

排水量比尺：λΔ=λL3=1000000力的比尺：λf=λL3=1000000

本文船舶模型與實際船舶的有關參數見下表1[3]。

表1 船模與實船參數

船模經過操縱性能率定試驗和尺度效應修正后，滿足與實船操縱性能相似的試驗要求[4]。采用縮小邊舵面積的方法[4]，修正后的船舶模型及實際船舶操縱性指數如下表2 所示：

表2 操縱性指數

2.2 試驗方案

流量：本論文進行了Q=7550m3/s 的通航試驗研究。

航槽布置：

（1）彎曲半徑r=360m。

（2）彎曲半徑r=440m。

（3）彎曲半徑r=480m。

（4）推薦航線，沿緩流區抱凸岸上行、順江心主流下行。

2.3 船模試驗結果及分析

（1）如果船模依照R360、R440 和R480 的布置航槽分別進行航行，船模上、下行的最大舵角都大于25°（見表3)。

表3 不同航線選擇船模試驗結果

（2）如果船模選擇推薦航槽作為航線，船模上行和下行時的最大舵角值均未超過25°（見表3)，符合安全標準[5]。

3 船舶操縱運動數學模型

3.1 數學模型的建立

（1）MMG 數學模型操縱運動方程

（2）作用在船體上的水動力計算公式

（3）螺旋槳的計算模型

（4）舵的計算模型

3.2 方程求解

船舶操縱運動方程常選擇四階龍格-庫塔法[6]來進行求解：

3.3 船舶操縱運動數學模型的檢驗

根據琵琶洲彎道船舶通航的有關參數，進行船舶操縱運動數學模型的相關檢驗（圖1)：1000t 級貨船在靜水條件下并滿足舵角為25°時，此時定常回轉直徑達到了3.15L(L 是船長)[7]，符合定長回轉直徑的規定范圍。

圖1 代表船舶推進和回旋性能

4 模型應用及分析

4.1 計算工況

航槽布置：與船模試驗航槽布置方案一致

仿真條件：仿真時間、初始船舶速度、初始船舶航向、初始船舶位置、初始水流速度、流向，水深吃水比：深水(見表4）

表4 仿真條件

其中：水深吃水比：均為深水；船舶在不同的航線上行時，初始水流速度均為0.2m/s，水流流向為-17°、9°、52°、87°、127°、153°、175°，當船舶在不同的航線下行時，初始水流速度均為0.9m/s，此時水流流向為175°、153°、127°、87°、52°、9°、-17°。

4.2 計算結果與分析

依照布置的四條船舶試驗航線，經過仿真計算模擬，得出船舶上行和船舶下行在Q=7550m3/s 流量條件下的試驗結果，見表5。

表5 湘江琵琶洲彎道船舶通航試驗結果

根據表5 可知：

（1）船舶上行：在Q=7550m3/s 試驗流量工況條件下，船舶按照預設的R360、R440 和R480 的固定航槽航行時，最大舵角值不符合安全標準；當船舶按照推薦航線航行時，最大舵角值不超過25°，符合安全標準。

（2）船舶下行：在Q=7550m3/s 試驗流量工況條件下，船舶按照預設的R360、R440 與R480 的固定航槽航行時，最大舵角值不符合安全標準；當船舶按照推薦航線航行時，最大舵角值未超過25°，屬于安全范圍之內。

（3）綜合對比，船舶的推薦航線是最良好的一條航線。

5 結論

（1）通過船模試驗，可以得知：如果船模按推薦航線行駛時，上、下行最大舵角都在25°范圍以內，船模航行安全。所以船模的推薦航線為最佳航線。

（2）本文選擇船舶操縱運動數學模型試驗來進行有關的仿真模擬計算，可以得知：1000t 自航貨船沿著推薦航線行駛時，上、下行的最大舵角值在安全范圍之內。很明顯，推薦航線就是最優航線。

（3）本文結合船模試驗和船舶操縱運動數學模型試驗仿真的結果，最終獲得一致結論，即船舶的推薦航線為最佳航線。