内河航道横流对船舶航行影响的试验研究

内河航道横流对船舶航行影响的试验研究

0最大横向流速限值的确定船舶的航行通常受到横流的影响：例如，从海岸到海岸的船舶会穿过水流。这条河的交叉口在附近。经过转折点和曲线，穿过水面返回。进入与关闭门和其他通航建筑直接相关的船舶门区域。穿过桥的附近水域，水平流就是船舶航行中经常发现的水流状态。内河航道内的横流往往将船舶推离航线,影响船舶安全航行,因而需要研究横流对船舶航行的影响程度。目前相关的标准与规范对不同等级航道的纵向流速有相应的限制标准:在船闸引航道口门区的水流表面最大横向流速不大于0.30m·s-1(Ⅰ～Ⅳ级航道)和0.25m·s-1(Ⅴ～Ⅶ级航道),在取、排水工程的进出口处,航道横向流速不宜超过0.30m·s-1,也有学者认为船闸引航道口门区的最大横向流速限值可适当提高到0.35m·s-1。内河航道横向流速的限值是航道整治工程规划、设计、施工、维护和管理必须解决的关键技术之一,而横流对船舶航行的影响研究是限值确定的基础。有学者研究了横流对船舶航行个别参数的影响,张声明根据淮安水利枢纽实船和船模试验的成果得到Vf=(Vx-c)/0.76(1)Vf=(Vx−c)/0.76(1)式中:Vf为船队横向漂移速度;Vx为航道内横向水流速度;c为系数(顶推船队取0.09,拖带船队取0.07)。陈永奎等通过简化假设,建立了船舶在斜流场和用舵条件下的关系式,分别为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为时间;A、B为系数,在均匀斜流场中为常量;—VfV—f为均匀横流—VxV—x相应的横漂速度;Δ—VxΔV—x为作用于船体上Vx非均匀部分沿船长方向的平均值;VfP为舵力引起的横漂速度,VfP与—VfV—f同向取正号,反向取负号。李一兵在进行船闸引航道口门外连接段通航水流条件研究中,根据三峡的船模试验资料得出关系式:三驳船队为{Vf=1.533Vx-0.020Vx=0.652Vbsin(β)+0.013(4){Vf=1.533Vx−0.020Vx=0.652Vbsin(β)+0.013(4)六驳船队为{Vf=1.490Vx-0.033Vx=0.671Vbsin(β)+0.022(5){Vf=1.490Vx−0.033Vx=0.671Vbsin(β)+0.022(5)九驳船队为{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为船队的对岸航速/(m·s-1);β为船队的漂角/(°)。船舶航行的参数主要有船舶的横漂速度、漂角、航迹带宽度与漂距等,航道横向流速对船舶航行的影响目前没有较为系统的研究成果,本文利用水槽进行遥控自航船模试验研究。1模型设计1.1主槽内向支槽开口宽度b水槽长度为40m,宽度为5m,高度为0.22m,底坡为1.0‰,水槽试验观察段长度为9m;上游由矩形量水堰控制流量,下游由横拉式尾门控制水位,进出口段均设格墙与花墙,以调整平顺水流;在顺水流方向,在主槽内平行布置6条航道中心线,各航线距主槽边墙的距离见图1。为了在宽水槽内产生横向水流,由水槽侧向正交的支槽汇入水流,侧向支槽的开口宽度和主支槽的相对流量是影响主槽横流大小与范围的关键因素,采用平面二维水流数学模型进行计算,拟定侧向支槽开口宽度B为3m(接近500t级船模长度的2.5倍)。当船舶在主槽内顺不同航线航行时,可通过不同的横流区域。试验测量系统的坐标原点在支槽进口的上沿。1.2船舶涂料的设计、制造和运动性能的校正1.2.1试验船型的确定据《第二次全国内河航道普查资料汇编》统计,等级航道中Ⅳ～Ⅶ级航道占87.16%,通常高等级的Ⅰ～Ⅲ级航道上的船型较大,可克服横流的区域较长,同时有较宽的河道以调整航线,避开横流区,因而横流对Ⅰ～Ⅲ级航道内航行的船舶影响较小,而对Ⅳ～Ⅶ级的中、小河流及运河航道内的船舶影响较为明显。本文选择500t级(对应Ⅳ级航道)单桨单舵船和300t级(对应Ⅴ级航道)双桨双舵船作为试验船型。根据船模的几何形状和重力相似条件,选定500、300t级船模的几何比尺分别为1∶36、1∶55。船模参数见表1,船模各主要比尺见表2。1.2.2生成层结构的制作船体采用玻璃钢制作,严格控制船体水线以下部分尺寸的精度,对上层结构进行简化,以便减轻质量,用于安装设备、电池以及相应的配载。螺旋桨是根据实船舵叶图,利用整块黄铜,先利用机床加工,再进行人工修正的方法制作而成。舵叶依据实船舵叶图,采用黄铜制作。1.2.3船模操纵试验结果船模制作完成后,对船模进行了配载,使船模与实船在静水中的排水量、吃水及平面重心位置达到相似要求。船舶在航行过程中,为了快速并减少燃料消耗,驾驶员总是以一定的速度沿直线航行;而在预定航线上发现障碍物或其他船舶时,为避免碰撞,需改变航速或航向,因而需要校准船舶在航行过程中的操纵性能。船模静水航速的选择及其率定为:参照目前内河船舶的航行速度,试验船模的静水航速分别取2.5、3.0与3.5m·s-1(已换算至原体);首先在静水中检验并调整船模的直航稳定性,然后按不同的数值,通过调整螺旋桨的转速,使船模的车速达到设定值。船模操纵性参数效应修正:为保证自航船模与实船的水动力相似,实际中通常以重力相似为主进行设计制作,但船模受到的阻力往往比实船要大,为保证航速相似,须提高螺旋桨转速,舵叶则处于较强的推进器尾流中,从而使船模的舵效较实船好,造成船模与实船的操纵性不相似,需进行尺度效应修正;因没有实船操纵性验证资料,现按类似船型和比尺船模的试验结果进行修正,主要采用减小舵叶面积的方式进行处理,500、300t级船模尺度效应修正后的舵叶面积分别为原舵叶面积的85%、75%。船模舵角的率定:通常35°的舵角使船舶具有最大转船力矩,故本次试验选取的最大舵角值为35°。通过调节船模的遥控器,使船模左、右最大舵角率定为35°。实际上船舶安全行驶时舵角不超过25°,使用了满舵才安全通过,表明船舶已经处于事故的临界状态。2测量设备和试验条件2.1船模行人参数测量水位采用精度为±0.1mm的测针测量;垂线流速采用光电旋桨式流速仪测量;表面流场测量采用表面粒子实时图像自动采集与处理;船模航行参数的测量通过视频实时采集安置在船模船头、船尾的粒子来分析航行过程中的船位,并计算出漂角、漂距、对岸航速等航行参数;舵角通过安装在船模上的无线模块,将舵角值同步实时传输到船模软件,绘制船模航态图和航行参数变化图;通过系统实时采集的船位进行实际位置摆放校核,其测量精度满足试验要求。2.2试验条件2.2.1纵向流速大小的控制本文主要研究横流大小和范围与船舶航行参数间的关系,而横流的大小和范围又与主、支槽流量比和主槽流量有直接关系,因而试验中水流的控制是首先调整主槽的纵向流速,再利用主、支槽流量比调整横流的大小和范围。主槽纵向流速的大小,因支流的汇入后沿程变化,上下游的流速大小不等,可按照船舶航行方向的流速进行控制,即船舶逆流上行时控制下游流速,船舶顺流下行时控制上游流速,以受汇流口影响较小处的流速控制。试验中的上下游纵向流速控制在0.5、1.0和1.5m·s-1(原型值)。主槽纵向流速大小的控制除与上游来流量有关,同时与下游控制水位有关,下游尾门的控制水位又与航道水深有关。水深对船舶航行的影响主要由水深吃水比h/T来反映,文献认为h/T<3.00时,船舶航行必须考虑浅水的影响,因而试验中的水深吃水比一般控制在h/T≥3.00。但考虑到对比分析,其中有一组h/T为2.11。共进行9组水流试验,试验控制条件见表3。2.2.2静水转速运行规定船模采用3种静水航速、2种航行方式分别沿不同航线航行(表3)。车速1、2、3对应的静水航速分别为2.5、3.0、3.5m·s-1;2种航行方式分别为:操纵舵角保持航向与设定航线平行的航行方式(简称无艏向角航行)与操纵舵角限制船舶在航路中航行的方式(简称限制航路航行)。3重力与速度分析3.1横流作用力的影响船舶跨越横流区时的受力(图2)主要有船舶自身的推力F、平行于船体的水流阻力R′y及船体侧向的横流作用力R′x。R′x可等效为作用于船舶重心的横流力R″x和扭矩Myx。船舶在平面上的运动既有平动又有转动,横流作用力R′x促使船舶横向漂移,当船体的前半部分与后半部分受到的横流作用力不同时,横流对船体产生的扭矩Myx使船舶转动。作用于船体上的扭矩大小与沿船体上的横流大小及其不均匀程度有关。当船舶受自身推力与水流作用力的合力作用而偏离航线方向时,船舶重心将偏离航线,此时需操纵舵角调整艏向角以保持船舶沿预定航线航行。在图2中:Vxmax为航道内最大横向水流速度,α为船舶艏向角,R为船舶推力在舵叶面上的分量。3.2横向速度公式船舶上下行过程中的流速见图3,Vs为纵、横向水流的合成速度,与船舶的车速V0合成后为船舶的对岸航速Vb,对岸航速可分解出垂直于船舶的横向速度V′x,横向水流速度Vx及垂直于船舶的横向速度V′x,分别为Vx=Vssin(θ)(7)V′x=Vssin(θ±α)(8)式中:θ为水流合成速度与设定航线之间夹角;“+”表示船舶下行,“-”表示船舶上行。船舶下行越过横流区,一般斜向顶着横流,V′x>Vx;上行越过横流区,同样需要斜向顶着横流,V′x<Vx。由于艏向角的存在,同时航线附近Vs沿程大小与方向均不断变化,为了保持船位的平衡,需不断调整艏向角;当船舶偏离航线时,需要操纵很大的舵角以恢复船舶的正常平衡船位。由于艏向角的不断人为调整,使船舶受力不断变化。4横向速度的影响分析4.1船舶无向角行车试验航行中的船舶受到横向水流以及船舶自身的操舵作用,将会横向漂离航线,横漂速度直接反映了船舶偏航程度的大小。横漂速度为Vf=Vbsin(Ψ)(9)Ψ=β-αVf=Vbsin(Ψ)(9)Ψ=β−α式中:Ψ为船舶航向角。在限制航路条件下,需要频繁操舵,不断调整船舶艏向角以限制船舶横向漂移,因而仅讨论无艏向角航行的情况。在船舶无艏向角航行试验中,虽基本保证船位与航线平行,但实际航行过程中船舶仍存在一定的艏向角,只是数值较小,在横漂速度计算中仅统计艏向角不超过2°的试验数据,并按式(9)计算相应的横漂速度。根据船模航行试验资料分析(图4)得Vf={0.91VxV0.1b(500t)0.95VxV0.1b(300t)(10)可写成一般式Vf=k1VxV0.1b(11)式中:k1为与船型有关的系数。4.2船舶航行能力模型向角k船舶因受横向水流的作用,其航迹线将逐渐偏离预定航线,使得船舶中轴线与船舶中心处航迹线的切线成某一夹角,该夹角称为船舶航行漂角β(图3)。船舶在限制航路航行时,在进入横流区前需预先扬艏,漂角同时受频繁操舵及船舶艏向角的影响。根据船模航行试验资料分析得(图5)β={0.80VxV1.3bLs+2.0(500t)0.82VxV1.3bLs+2.5(300t)(12)式中:Ls为船舶长度。可见,船舶航行漂角β除了与对岸航速与横向流速、船型有关外,还与船舶的航行方式有关。船舶限制航路航行时,由于艏向角的存在使得船体沿航线上的有效船长减小,从而使横向流速对船舶产生的横向水流作用力较无艏向角时小。式(12)的截距分别是船舶进入横流区前预先扬艏所产生的平均漂角。当无艏向角航行时截距为0。且式(12)可表示为β=k2VxV1.3bLs+p(13)式中:k2为与船舶航行方式和船型有关的系数;p为初始漂角,与船舶的航行方式有关(无艏向角航行时为0)。4.3横流不存在型宽的原因由于船舶航行漂角的存在,船舶航迹带宽度将增加,且可由下式确定Bf=Bs+Lssin(β)(14)式中:Bs为船舶宽度。根据船模航行试验资料分析,以及式(13)、(14)的关系,可得(图6)Bf={0.64VxV1.3bLs+11.5(500t)0.67VxV1.3bLs+9.0(300t)(15)当横流不存在(即V0=0)时,船舶以无艏向角航行,从理论上来说航迹带宽度与船舶型宽一致,即Bf=Bs,现式(15)中截距比船舶的型宽稍大,这是因为船舶在限制航路航时,由于初始漂角的存在。式(15)可写成一般式Bf=k3VxV1.3bLs+qBs(16)式中:k3、q分别为与船舶航行方式和船型有关的系数(q在无艏向角航行时为1,限制航路航行时大于1)。4.4船舶跨越横流区时间在横流作用下,船舶将产生一定的横漂速度及航行漂角,当船舶穿越航线附近的横流区后,船舶将横向偏离初始船位一定距离,该距离为船舶的漂距D。漂距的大小一方面取决于横漂速度Vf的大小,同时取决于船舶航行在横流区的时间。船舶跨越横流区的时间为t=LVb结合式(11)有D=Vft=k1VxV0.1bLVb=k4VxV1.1bdLs(17)d=LLs式中:L为某一横流范围;d为横流相对长度;k4为与船型有关的系数。限制航路条件下,操舵频繁,并不断调整船舶沿程艏向角,以限制船舶被横流推出航道或因自身的推进而驶离航道,因而对船舶航行漂距的计算仅讨论无艏向角航行的情况。经过对船模航行试验资料的分析,得到关系式见表4(图7)。式(18)～(20)可写成一般式,为D=k5dVxV1.1bLs(21)式中:k5为与船型与航行过程有关的系数。5初始向角调整船舶以无艏向角航行方式穿越横流区时,需预先调整船位,使船体靠近横流区时有足够的富裕横向漂移距离,以安全通过该横流区;船舶以限制航路航行方式穿越横流区时,需预先调整船位,形成一定的初始艏向角,并在沿程不断调整艏向角,以安全通过横流区。本次研究中Ⅳ、Ⅴ级双线航道底宽分别为45、40m,按照《内河通航标准》(GB50139-2004)附录A中有关双线航道各项安全距离之和的取值范围要求(货船取0.67～0.80倍航迹带宽度),对2种船型的安全距离(即允许的最大船舶航迹带宽度)进行反算,结果见表5。5.1船舶航行过程中,文创各条线路及其海表1船舶无艏向角安全航行的衡量标准为:船舶左右操纵舵角不超过25°;船舶航迹带宽度不超过表5中规定的安全线距离;船舶航行过程中50