內(nèi)河航道橫流對船舶航行影響的試驗研究

內(nèi)河航道橫流對船舶航行影響的試驗研究

0最大橫向流速限值的確定船舶的航行通常受到橫流的影響：例如，從海岸到海岸的船舶會穿過水流。這條河的交叉口在附近。經(jīng)過轉(zhuǎn)折點和曲線，穿過水面返回。進入與關(guān)閉門和其他通航建筑直接相關(guān)的船舶門區(qū)域。穿過橋的附近水域，水平流就是船舶航行中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)的水流狀態(tài)。內(nèi)河航道內(nèi)的橫流往往將船舶推離航線,影響船舶安全航行,因而需要研究橫流對船舶航行的影響程度。目前相關(guān)的標(biāo)準與規(guī)范對不同等級航道的縱向流速有相應(yīng)的限制標(biāo)準:在船閘引航道口門區(qū)的水流表面最大橫向流速不大于0.30m·s-1(Ⅰ～Ⅳ級航道)和0.25m·s-1(Ⅴ～Ⅶ級航道),在取、排水工程的進出口處,航道橫向流速不宜超過0.30m·s-1,也有學(xué)者認為船閘引航道口門區(qū)的最大橫向流速限值可適當(dāng)提高到0.35m·s-1。內(nèi)河航道橫向流速的限值是航道整治工程規(guī)劃、設(shè)計、施工、維護和管理必須解決的關(guān)鍵技術(shù)之一,而橫流對船舶航行的影響研究是限值確定的基礎(chǔ)。有學(xué)者研究了橫流對船舶航行個別參數(shù)的影響,張聲明根據(jù)淮安水利樞紐實船和船模試驗的成果得到Vf=(Vx-c)/0.76(1)Vf=(Vx?c)/0.76(1)式中:Vf為船隊橫向漂移速度;Vx為航道內(nèi)橫向水流速度;c為系數(shù)(頂推船隊取0.09,拖帶船隊取0.07)。陳永奎等通過簡化假設(shè),建立了船舶在斜流場和用舵條件下的關(guān)系式,分別為Vf=BA(1-e-At)Vx(2)Vf=—Vf+VfΡ=—Vf±12bΔ—V2xt(3)Vf=BA(1?e?At)Vx(2)Vf=V—f+VfP=V—f±12bΔV—2xt(3)式中:t為時間;A、B為系數(shù),在均勻斜流場中為常量;—VfV—f為均勻橫流—VxV—x相應(yīng)的橫漂速度;Δ—VxΔV—x為作用于船體上Vx非均勻部分沿船長方向的平均值;VfP為舵力引起的橫漂速度,VfP與—VfV—f同向取正號,反向取負號。李一兵在進行船閘引航道口門外連接段通航水流條件研究中,根據(jù)三峽的船模試驗資料得出關(guān)系式:三駁船隊為{Vf=1.533Vx-0.020Vx=0.652Vbsin(β)+0.013(4){Vf=1.533Vx?0.020Vx=0.652Vbsin(β)+0.013(4)六駁船隊為{Vf=1.490Vx-0.033Vx=0.671Vbsin(β)+0.022(5){Vf=1.490Vx?0.033Vx=0.671Vbsin(β)+0.022(5)九駁船隊為{Vf=1.375Vx-0.043Vx=0.727Vbsin(β)+0.031(6){Vf=1.375Vx?0.043Vx=0.727Vbsin(β)+0.031(6)式中:Vb為船隊的對岸航速/(m·s-1);β為船隊的漂角/(°)。船舶航行的參數(shù)主要有船舶的橫漂速度、漂角、航跡帶寬度與漂距等,航道橫向流速對船舶航行的影響目前沒有較為系統(tǒng)的研究成果,本文利用水槽進行遙控自航船模試驗研究。1模型設(shè)計1.1主槽內(nèi)向支槽開口寬度b水槽長度為40m,寬度為5m,高度為0.22m,底坡為1.0‰,水槽試驗觀察段長度為9m;上游由矩形量水堰控制流量,下游由橫拉式尾門控制水位,進出口段均設(shè)格墻與花墻,以調(diào)整平順?biāo)?在順?biāo)鞣较?在主槽內(nèi)平行布置6條航道中心線,各航線距主槽邊墻的距離見圖1。為了在寬水槽內(nèi)產(chǎn)生橫向水流,由水槽側(cè)向正交的支槽匯入水流,側(cè)向支槽的開口寬度和主支槽的相對流量是影響主槽橫流大小與范圍的關(guān)鍵因素,采用平面二維水流數(shù)學(xué)模型進行計算,擬定側(cè)向支槽開口寬度B為3m(接近500t級船模長度的2.5倍)。當(dāng)船舶在主槽內(nèi)順不同航線航行時,可通過不同的橫流區(qū)域。試驗測量系統(tǒng)的坐標(biāo)原點在支槽進口的上沿。1.2船舶涂料的設(shè)計、制造和運動性能的校正1.2.1試驗船型的確定據(jù)《第二次全國內(nèi)河航道普查資料匯編》統(tǒng)計,等級航道中Ⅳ～Ⅶ級航道占87.16%,通常高等級的Ⅰ～Ⅲ級航道上的船型較大,可克服橫流的區(qū)域較長,同時有較寬的河道以調(diào)整航線,避開橫流區(qū),因而橫流對Ⅰ～Ⅲ級航道內(nèi)航行的船舶影響較小,而對Ⅳ～Ⅶ級的中、小河流及運河航道內(nèi)的船舶影響較為明顯。本文選擇500t級(對應(yīng)Ⅳ級航道)單槳單舵船和300t級(對應(yīng)Ⅴ級航道)雙槳雙舵船作為試驗船型。根據(jù)船模的幾何形狀和重力相似條件,選定500、300t級船模的幾何比尺分別為1∶36、1∶55。船模參數(shù)見表1,船模各主要比尺見表2。1.2.2生成層結(jié)構(gòu)的制作船體采用玻璃鋼制作,嚴格控制船體水線以下部分尺寸的精度,對上層結(jié)構(gòu)進行簡化,以便減輕質(zhì)量,用于安裝設(shè)備、電池以及相應(yīng)的配載。螺旋槳是根據(jù)實船舵葉圖,利用整塊黃銅,先利用機床加工,再進行人工修正的方法制作而成。舵葉依據(jù)實船舵葉圖,采用黃銅制作。1.2.3船模操縱試驗結(jié)果船模制作完成后,對船模進行了配載,使船模與實船在靜水中的排水量、吃水及平面重心位置達到相似要求。船舶在航行過程中,為了快速并減少燃料消耗,駕駛員總是以一定的速度沿直線航行;而在預(yù)定航線上發(fā)現(xiàn)障礙物或其他船舶時,為避免碰撞,需改變航速或航向,因而需要校準船舶在航行過程中的操縱性能。船模靜水航速的選擇及其率定為:參照目前內(nèi)河船舶的航行速度,試驗船模的靜水航速分別取2.5、3.0與3.5m·s-1(已換算至原體);首先在靜水中檢驗并調(diào)整船模的直航穩(wěn)定性,然后按不同的數(shù)值,通過調(diào)整螺旋槳的轉(zhuǎn)速,使船模的車速達到設(shè)定值。船模操縱性參數(shù)效應(yīng)修正:為保證自航船模與實船的水動力相似,實際中通常以重力相似為主進行設(shè)計制作,但船模受到的阻力往往比實船要大,為保證航速相似,須提高螺旋槳轉(zhuǎn)速,舵葉則處于較強的推進器尾流中,從而使船模的舵效較實船好,造成船模與實船的操縱性不相似,需進行尺度效應(yīng)修正;因沒有實船操縱性驗證資料,現(xiàn)按類似船型和比尺船模的試驗結(jié)果進行修正,主要采用減小舵葉面積的方式進行處理,500、300t級船模尺度效應(yīng)修正后的舵葉面積分別為原舵葉面積的85%、75%。船模舵角的率定:通常35°的舵角使船舶具有最大轉(zhuǎn)船力矩,故本次試驗選取的最大舵角值為35°。通過調(diào)節(jié)船模的遙控器,使船模左、右最大舵角率定為35°。實際上船舶安全行駛時舵角不超過25°,使用了滿舵才安全通過,表明船舶已經(jīng)處于事故的臨界狀態(tài)。2測量設(shè)備和試驗條件2.1船模行人參數(shù)測量水位采用精度為±0.1mm的測針測量;垂線流速采用光電旋槳式流速儀測量;表面流場測量采用表面粒子實時圖像自動采集與處理;船模航行參數(shù)的測量通過視頻實時采集安置在船模船頭、船尾的粒子來分析航行過程中的船位,并計算出漂角、漂距、對岸航速等航行參數(shù);舵角通過安裝在船模上的無線模塊,將舵角值同步實時傳輸?shù)酱＼浖?繪制船模航態(tài)圖和航行參數(shù)變化圖;通過系統(tǒng)實時采集的船位進行實際位置擺放校核,其測量精度滿足試驗要求。2.2試驗條件2.2.1縱向流速大小的控制本文主要研究橫流大小和范圍與船舶航行參數(shù)間的關(guān)系,而橫流的大小和范圍又與主、支槽流量比和主槽流量有直接關(guān)系,因而試驗中水流的控制是首先調(diào)整主槽的縱向流速,再利用主、支槽流量比調(diào)整橫流的大小和范圍。主槽縱向流速的大小,因支流的匯入后沿程變化,上下游的流速大小不等,可按照船舶航行方向的流速進行控制,即船舶逆流上行時控制下游流速,船舶順流下行時控制上游流速,以受匯流口影響較小處的流速控制。試驗中的上下游縱向流速控制在0.5、1.0和1.5m·s-1(原型值)。主槽縱向流速大小的控制除與上游來流量有關(guān),同時與下游控制水位有關(guān),下游尾門的控制水位又與航道水深有關(guān)。水深對船舶航行的影響主要由水深吃水比h/T來反映,文獻認為h/T<3.00時,船舶航行必須考慮淺水的影響,因而試驗中的水深吃水比一般控制在h/T≥3.00。但考慮到對比分析,其中有一組h/T為2.11。共進行9組水流試驗,試驗控制條件見表3。2.2.2靜水轉(zhuǎn)速運行規(guī)定船模采用3種靜水航速、2種航行方式分別沿不同航線航行(表3)。車速1、2、3對應(yīng)的靜水航速分別為2.5、3.0、3.5m·s-1;2種航行方式分別為:操縱舵角保持航向與設(shè)定航線平行的航行方式(簡稱無艏向角航行)與操縱舵角限制船舶在航路中航行的方式(簡稱限制航路航行)。3重力與速度分析3.1橫流作用力的影響船舶跨越橫流區(qū)時的受力(圖2)主要有船舶自身的推力F、平行于船體的水流阻力R′y及船體側(cè)向的橫流作用力R′x。R′x可等效為作用于船舶重心的橫流力R″x和扭矩Myx。船舶在平面上的運動既有平動又有轉(zhuǎn)動,橫流作用力R′x促使船舶橫向漂移,當(dāng)船體的前半部分與后半部分受到的橫流作用力不同時,橫流對船體產(chǎn)生的扭矩Myx使船舶轉(zhuǎn)動。作用于船體上的扭矩大小與沿船體上的橫流大小及其不均勻程度有關(guān)。當(dāng)船舶受自身推力與水流作用力的合力作用而偏離航線方向時,船舶重心將偏離航線,此時需操縱舵角調(diào)整艏向角以保持船舶沿預(yù)定航線航行。在圖2中:Vxmax為航道內(nèi)最大橫向水流速度,α為船舶艏向角,R為船舶推力在舵葉面上的分量。3.2橫向速度公式船舶上下行過程中的流速見圖3,Vs為縱、橫向水流的合成速度,與船舶的車速V0合成后為船舶的對岸航速Vb,對岸航速可分解出垂直于船舶的橫向速度V′x,橫向水流速度Vx及垂直于船舶的橫向速度V′x,分別為Vx=Vssin(θ)(7)V′x=Vssin(θ±α)(8)式中:θ為水流合成速度與設(shè)定航線之間夾角;“+”表示船舶下行,“-”表示船舶上行。船舶下行越過橫流區(qū),一般斜向頂著橫流,V′x>Vx;上行越過橫流區(qū),同樣需要斜向頂著橫流,V′x<Vx。由于艏向角的存在,同時航線附近Vs沿程大小與方向均不斷變化,為了保持船位的平衡,需不斷調(diào)整艏向角;當(dāng)船舶偏離航線時,需要操縱很大的舵角以恢復(fù)船舶的正常平衡船位。由于艏向角的不斷人為調(diào)整,使船舶受力不斷變化。4橫向速度的影響分析4.1船舶無向角行車試驗航行中的船舶受到橫向水流以及船舶自身的操舵作用,將會橫向漂離航線,橫漂速度直接反映了船舶偏航程度的大小。橫漂速度為Vf=Vbsin(Ψ)(9)Ψ=β-αVf=Vbsin(Ψ)(9)Ψ=β?α式中:Ψ為船舶航向角。在限制航路條件下,需要頻繁操舵,不斷調(diào)整船舶艏向角以限制船舶橫向漂移,因而僅討論無艏向角航行的情況。在船舶無艏向角航行試驗中,雖基本保證船位與航線平行,但實際航行過程中船舶仍存在一定的艏向角,只是數(shù)值較小,在橫漂速度計算中僅統(tǒng)計艏向角不超過2°的試驗數(shù)據(jù),并按式(9)計算相應(yīng)的橫漂速度。根據(jù)船模航行試驗資料分析(圖4)得Vf={0.91VxV0.1b(500t)0.95VxV0.1b(300t)(10)可寫成一般式Vf=k1VxV0.1b(11)式中:k1為與船型有關(guān)的系數(shù)。4.2船舶航行能力模型向角k船舶因受橫向水流的作用,其航跡線將逐漸偏離預(yù)定航線,使得船舶中軸線與船舶中心處航跡線的切線成某一夾角,該夾角稱為船舶航行漂角β(圖3)。船舶在限制航路航行時,在進入橫流區(qū)前需預(yù)先揚艏,漂角同時受頻繁操舵及船舶艏向角的影響。根據(jù)船模航行試驗資料分析得(圖5)β={0.80VxV1.3bLs+2.0(500t)0.82VxV1.3bLs+2.5(300t)(12)式中:Ls為船舶長度?？梢?船舶航行漂角β除了與對岸航速與橫向流速、船型有關(guān)外,還與船舶的航行方式有關(guān)。船舶限制航路航行時,由于艏向角的存在使得船體沿航線上的有效船長減小,從而使橫向流速對船舶產(chǎn)生的橫向水流作用力較無艏向角時小。式(12)的截距分別是船舶進入橫流區(qū)前預(yù)先揚艏所產(chǎn)生的平均漂角。當(dāng)無艏向角航行時截距為0。且式(12)可表示為β=k2VxV1.3bLs+p(13)式中:k2為與船舶航行方式和船型有關(guān)的系數(shù);p為初始漂角,與船舶的航行方式有關(guān)(無艏向角航行時為0)。4.3橫流不存在型寬的原因由于船舶航行漂角的存在,船舶航跡帶寬度將增加,且可由下式確定Bf=Bs+Lssin(β)(14)式中:Bs為船舶寬度。根據(jù)船模航行試驗資料分析,以及式(13)、(14)的關(guān)系,可得(圖6)Bf={0.64VxV1.3bLs+11.5(500t)0.67VxV1.3bLs+9.0(300t)(15)當(dāng)橫流不存在(即V0=0)時,船舶以無艏向角航行,從理論上來說航跡帶寬度與船舶型寬一致,即Bf=Bs,現(xiàn)式(15)中截距比船舶的型寬稍大,這是因為船舶在限制航路航時,由于初始漂角的存在。式(15)可寫成一般式Bf=k3VxV1.3bLs+qBs(16)式中:k3、q分別為與船舶航行方式和船型有關(guān)的系數(shù)(q在無艏向角航行時為1,限制航路航行時大于1)。4.4船舶跨越橫流區(qū)時間在橫流作用下,船舶將產(chǎn)生一定的橫漂速度及航行漂角,當(dāng)船舶穿越航線附近的橫流區(qū)后,船舶將橫向偏離初始船位一定距離,該距離為船舶的漂距D。漂距的大小一方面取決于橫漂速度Vf的大小,同時取決于船舶航行在橫流區(qū)的時間。船舶跨越橫流區(qū)的時間為t=LVb結(jié)合式(11)有D=Vft=k1VxV0.1bLVb=k4VxV1.1bdLs(17)d=LLs式中:L為某一橫流范圍;d為橫流相對長度;k4為與船型有關(guān)的系數(shù)。限制航路條件下,操舵頻繁,并不斷調(diào)整船舶沿程艏向角,以限制船舶被橫流推出航道或因自身的推進而駛離航道,因而對船舶航行漂距的計算僅討論無艏向角航行的情況。經(jīng)過對船模航行試驗資料的分析,得到關(guān)系式見表4(圖7)。式(18)～(20)可寫成一般式,為D=k5dVxV1.1bLs(21)式中:k5為與船型與航行過程有關(guān)的系數(shù)。5初始向角調(diào)整船舶以無艏向角航行方式穿越橫流區(qū)時,需預(yù)先調(diào)整船位,使船體靠近橫流區(qū)時有足夠的富裕橫向漂移距離,以安全通過該橫流區(qū);船舶以限制航路航行方式穿越橫流區(qū)時,需預(yù)先調(diào)整船位,形成一定的初始艏向角,并在沿程不斷調(diào)整艏向角,以安全通過橫流區(qū)。本次研究中Ⅳ、Ⅴ級雙線航道底寬分別為45、40m,按照《內(nèi)河通航標(biāo)準》(GB50139-2004)附錄A中有關(guān)雙線航道各項安全距離之和的取值范圍要求(貨船取0.67～0.80倍航跡帶寬度),對2種船型的安全距離(即允許的最大船舶航跡帶寬度)進行反算,結(jié)果見表5。5.1船舶航行過程中,文創(chuàng)各條線路及其海表1船舶無艏向角安全航行的衡量標(biāo)準為:船舶左右操縱舵角不超過25°;船舶航跡帶寬度不超過表5中規(guī)定的安全線距離;船舶航行過程中50