內(nèi)河船舶上灘阻力計算方法的對比分析

內(nèi)河船舶上灘阻力計算方法的對比分析

在山區(qū)河流的主要航線保險之一的急流航線保險中，水流湍急，水面比下降陡峭，船舶不能自行車輛著陸。因此，為了緩解水面上的水流，應通過破裂的海灘來降低水流速度以降低水面，從而使船只可以自己航行。然而，如果海灘水流速度與水面之比降低過多，處理海灘保險的工作量和投資將顯著增加，海灘段上游水位下降較高，可能會加劇上游海灘或海灘的風險。因此，合理確定消海水流指標是山地航道保險的管理者必須首先明確的問題，也是快速處理海灘風險的關(guān)鍵。目前,航道界常用確定消灘水力指標的方法有實船試驗法、經(jīng)驗分析法、阻力計算法、能量分析法和船模試驗法等五種.實船試驗法和船模試驗法既簡單又準確,但要投入大量的人力和物力;經(jīng)驗分析法和能量分析法切實可行,但需進行廣泛調(diào)研;阻力計算法則較為經(jīng)濟、方便,并且可以考慮未來發(fā)展船型(尚未航行于本河段的代表性船),根據(jù)不同的船型資料進行計算.阻力計算法中尤以茲萬科夫法應用較為廣泛,但應用中發(fā)現(xiàn)該法在計算船隊的阻力、水面有倒比降灘段的比降阻力、淺水與狹水道對船舶阻力的影響等時尚有待進一步商榷.本文在討論幾種船舶阻力計算方法的同時,還對茲萬科夫法進行了修正.1計算方法的選取1949年,A.H.Крылов開始研究淺水對船舶阻力的影響.隨后,國內(nèi)外一些學者相繼開展了相關(guān)的研究.目前,常用的船舶阻力計算方法有愛爾法、茲萬科夫法、施里希丁法、阿普赫金法、巴甫米爾曲線法、泰勒—蓋脫勒法、格羅特法(快艇)和日本漁船馬力估算法等,文獻對這些方法的制定依據(jù)、適用范圍及應用情況進行了評述.我國航道界多采用茲萬科夫法,因其使用較為簡單,不需查圖譜而只需代入公式計算.加之,川江航道整治時做了大量的實船和船模試驗,對原茲萬科夫公式中的系數(shù)進行了修正,使之更適合于川江的內(nèi)河船舶阻力計算.1.1計算船型s的公式船舶航行中受到的水流阻力RV和水面比降阻力RJ分別為:機動船∶RV1=f1SV1.83+ξ1δA0V1.7+4Fn(1)駁船∶RV2=f2SV1.83+ξ2δA0V1.7+0.15V(2)RJ=WJe(3)機動船∶RV1=f1SV1.83+ξ1δA0V1.7+4Fn(1)駁船∶RV2=f2SV1.83+ξ2δA0V1.7+0.15V(2)RJ=WJe(3)其中:f1為機動船摩阻系數(shù)(鋼船殼取為0.17、木船殼取為0.23);駁船摩阻系數(shù)f2=Κ0(0.137+0.2582.68+Lw)?Κ0=1+0.0043(15-t′)?t′為水溫,Lw為船舶水線長度(m);S為船舶浸水面積(m2),文獻中列出了計算各種船型S的公式,對內(nèi)河船有S=LW(1.8T+δB),T為船舶吃水(m),方形系數(shù)δ=W/LBT,機動船取δ=0.58～0.60,駁船取δ=0.75～0.8,分節(jié)駁船取δ=0.9左右,W為船舶排量(kg),L為船長(m),B為船舶型寬(m);V為船與水的相對速度(m/s),考慮淺水等影響時取V=1.15V′+VS或V=(1.15～1.3)V′+VS,V′為船舶(隊)長度內(nèi)縱向表面平均流速,VS為船舶(隊)上灘對岸航速,一般取VS=0.3～0.5m/s;機動船剩余阻力系數(shù)ξ1=17.7m0δ2.5/(L/6B)3+2,對無導流罩的螺旋槳船取系數(shù)m0=1.0,有導流罩時取m0=1.2;ξ2為駁船剩余阻力系數(shù),在長江上行船一般取ξ2=6.0;船舯剖面面積A0=βBT(m2),機動船的船舶橫剖面系數(shù)β=0.93,駁船取β=0.95～0.99;Fn為船舶佛汝德數(shù)Fn=V/√gL;J為水面比降,一般指船長內(nèi)的平均比降(‰);e為船隊上灘時水面比降的修正系數(shù).此外,根據(jù)川江的實船及船模試驗結(jié)果,提出的船隊上灘時水面比降的修正系數(shù)為:大型船舶e=1.05,中型船舶e=1.1～1.2,并將(2)式修正為RV2=f2SV1.83+ξ2δA0V1.7+0.03V(4)1.2曲度修正系數(shù)k深水阻力的計算結(jié)果與實船試驗結(jié)果十分接近,可直接運用于船舶設計.總阻力R=RF+RX+RW(5)式中:摩擦阻力RF=(kζF+ΔζF)12ρV2S;渦漩分離阻力RX=0.045A0ρV2√√A02LΗ;興波阻力RW=CWψWLV2?(0.6√ˉˉL≤V≤1.6√ˉˉL);RW=20ψWL(1.6√ˉˉL)2√V1.6√ˉˉL?(V＞1.6√ˉˉL);曲度修正系數(shù)k=-0.005LB+1.07;ζF為平板摩擦阻力系數(shù),采用應用較廣的普蘭特-施里希丁(Prandtl-schlichting)公式ζF=0.455/(lgRe)2.58,雷諾數(shù)Re=LV/ν,ν為動力粘性系數(shù);ΔζF為粗糙度修正系數(shù),一般取ΔζF=0.4×10-3;ρ為水的密度;LH為船體后體長度,即船在平行舯體后端至尾柱間的長度(m);系數(shù)CW可查文獻中的表;ˉL=xL?x值可查文獻中的表,ψ=10δB/L.但船舶航行在內(nèi)河航道時,其船舶阻力將受到淺水和狹水道的影響,故應對深水船舶受到的水流阻力進行如下修正:RV=χzR0(6)式中:狹水道船舶阻力換算系數(shù)χz=1.1[hm-(1+0.2δ2V2)2;斷面系數(shù)m=A/A0,A為水道過水斷面面積.1.3雙槳船長度修正巴甫米爾曲線法是由前蘇聯(lián)巴甫米爾在大量民船、軍艦模型和實船試驗的基礎上提出的.船舶航行中受到的水流阻力RV=550.148WV2χLCλ√ψ(7)式中:χ為系數(shù)(單槳船χ=1,雙槳船χ=1.05,三槳船χ=1.075,四槳船χ=1.1);C可由文獻中的圖確定;長度修正數(shù)λ=0.7+0.3√L/100,當L≥100m時取λ=1;其余符號同前.巴甫米爾曲線法沒有討論水面比降阻力的計算,而船舶上灘航行的阻力中水面比降阻力不容忽視.2船模上灘試驗結(jié)果分析茲萬科夫法在我國山區(qū)航道整治設計中發(fā)揮了良好的作用.但在實際使用過程中發(fā)現(xiàn)一些有待進一步討論的問題.如在進行漓江船模上灘試驗中,當船舶航行在槽窄、水淺的淺灘時,茲萬科夫法計算的阻力小于實際阻力,并且,茲萬科夫法僅適用于水面順比降灘段的阻力計算.然而,急流灘的水力特性表明,灘口下游一定范圍內(nèi)往往存在水流速度較大的水面倒比降灘段,其一側(cè)或兩側(cè)伴有回流,船舶可以利用主流與回流間的緩流區(qū)(二溜水)上行,但有時緩流區(qū)范圍不夠,必須從主流區(qū)逆流而上.船舶上灘的動水特性試驗表明,當船舶在水中前行時,船艏及船艉出現(xiàn)波峰,船舯處舷邊水流速度增大,引起船體下沉、艉傾、船側(cè)水面下降及興波增大等現(xiàn)象,產(chǎn)生了水面附加比降,出現(xiàn)縱傾阻力.船模上灘試驗中實測水面比降要比自然狀態(tài)增加38%～87%,并隨著船舶的水深吃水比(h/T)和斷面系數(shù)m的減小,航行船舶受淺水和狹水道的影響加大,從而產(chǎn)生的水面附加比降也就越大.不論是水面順比降還是倒比降的灘段,都將產(chǎn)生水面附加比降并阻礙船舶的航行;同時,船舶航行的水面附加比降與(h/T)和m有關(guān).茲萬科夫法在槽窄、水淺的淺灘中計算阻力偏小的原因,與船舶航行的水面附加比降用原水面比降直接乘以一個常數(shù)的處理有關(guān).因此,本文擬對茲萬科夫法進行修正,以擴大其適用范圍.利用拉肯伯法計算船舶運動引起的周圍回流速度為ΔVV∞=0.1242(A0h2-0.05)+1-√tanhghV2∞(8)式中:ΔV為船舶運動引起的船體周圍的回流速度(單位為kn,1kn=0.514m/s);V∞為船舶在深水中航行的速度(kn);其他符號同前.船舶上灘時,回流速度ΔV需要進行狹水道影響的修正:ΔvV=ΔVVbmbm-B(9)式中:Δv為考慮狹水道寬度影響后的回流速度;bm=(b1+b)/2,b1為航道底寬;b為航道水面寬.采用Kutter計算式計算船舶運動所產(chǎn)生的水面附加比降:J0=Δv2C2rh(10)式中:河床組成系數(shù)C的取值見表1;斷面形態(tài)系數(shù)rh=(bh-A0)/(b+2h+μ0),h為航道斷面水深;μ0為水下船舯剖面的濕周長.最后,船舶上灘的水面比降阻力為RJ=W(J+J0)(11)3比較不同體積的船舶模型和壓力計算方法之間的差異3.1船模上灘試驗為研究船舶上灘時的動水特性與船舶阻力計算,合理地確定消灘水力指標,在概化的急流灘段進行了船模上灘試驗.概化灘段模型置于試驗水槽中段,船模為烏江409機動駁按1:50縮小的遙控自航船.模型中的流量分別為10、20、30、40和50m3/s.船模上灘試驗中觀測了灘段的各種水力因素及船舶上灘的對岸航速.3.2船模阻力計算根據(jù)船舶航行時的受力平衡條件,船舶航行中受到的總阻力R應等于滿載時船舶的有效推力T0.由文獻可知,船模的有效推力為T0=36.8kN;船舶阻力計算中,水流速度V取船與水的相對速度V=1.15V′+VS,對岸航速VS取船模試驗中實測值,且吊灘時的對岸航速VS=0.用哪種方法計算出的船舶阻力R與T0越接近,就說明該計算方法越有效.利用茲萬科夫法、巴甫米爾曲線法和修正的茲萬科夫法分別計算船模阻力的結(jié)果見圖1.可見,用茲萬科夫法計算水面為順比降灘段的船模可自航上灘的阻力為17.5～47.1kN,一般為29kN左右,且隨著水深吃水比(h/T)的減小,計算船模阻力也減小.當(h/T)≤3.5后,計算阻力R<20kN.用巴甫米爾曲線法計算水面為順比降灘灘段的船?？勺院缴蠟┑淖枇?8.8～47.4kN,一般為28kN左右,比茲萬科夫法的計算阻力略小,遠小于有效推力T0,而用該方法計算水面為倒比降灘段的船模可自航上灘的阻力為12.5～40.5kN,多數(shù)為18kN左右;用修正的茲萬科夫法計算水面為順比降灘段的船?？勺院缴蠟┑淖枇?2～49kN,多數(shù)為36.6kN,接近有效推力T0=36.8kN,而用該法計算水面為倒比降灘段的船?？勺院缴蠟┑淖枇?3.2～41.7kN,多數(shù)為32kN左右,在(h/T)≤3.5時,計算阻力為26.0～41.7kN,多數(shù)為36.8kN.比較3種計算方法的船模阻力結(jié)果可知,巴甫米爾曲線法計算的船模阻力最小,修正的茲萬科夫法計算的船模阻力最接近有效推力,說明對淺水和狹水道影響進行的修正是合適的;修正的茲萬科夫法還可用于淺水水面為倒比降灘段的阻力計算.此外,還采用直接修正深水阻力