船舶下沉量计算的研究

船舶下沉量计算的研究

随着船舶的日益大规模使用和导航水域的不断延伸，如何正确确定受船限制水域（u）、浅水槽（c）和运河（r）的最小安全航行水深已成为航运部和航运部的研究重点。确立最小安全通航水深,包括准确计算船舶下沉量、潮高,正确估算海图水深等测量误差及水文气象的影响,合理确定龙骨下最小富裕水深。其中关键的一环是准确计算下沉量。严格说来,船舶在受限水域航行的浮态,随水深傅汝德数Fh(Fh=v/√gh‚hFh(Fh=v/gh−−√‚h为水深)的不同而变化。当Fh≤0.7时,一般会出现下沉;当Fh≥0.8时,船体一般转为上浮。因而下沉只是Fh≤0.7时出现的局部现象。由于运输船舶多在这一速度段航行,所以下沉量研究成为航海界关注的重点。下沉量的求解,有理论方法、基于实船和船模水池实验的经验公式和简易估算方法等。从理论上讲,求解船舶在受限水域的下沉量问题,可抽象为求解受限水域流体-浮体耦合流场的N-S(纳维-斯托克斯)方程问题,但要获得此方程的解析解是十分困难的。摆脱困境的方法之一,是求离散的数值解,即用粘性流CFD(计算流体力学)方法求解。如果将流体流动视为无粘性、不可压缩流体的无旋流动,即势流,则上述问题可转化为求解拉普拉斯方程∂2ϕ∂x2+∂2ϕ∂y2+∂2ϕ∂z2∂2ϕ∂x2+∂2ϕ∂y2+∂2ϕ∂z2。(1)式中ϕ为速度势。当初边条件为线性时,可借助格林函数法求解。但船舶在受限水域运动时速度势的边界条件,需要满足流体湿表面的非线性表述,自由表面的非线性运动学和动力学条件,这又给求解带来新的困难。解决矛盾的途径是使边界条件线性化,所谓细长体理论,就是据此得到的一项成果。还有一种是基于Hess-Smith方法的,其前提条件较为苛严:要求Fh很低,流体自由表面可以忽略兴波的影响。从而引入镜面效应,把问题化为求解无限水深下的叠合船模的速度势问题。在此基础上,采用Hess-Smith方法,离散求解船体湿表面分布的源强,这实质是基于势流理论的计算流体力学方法。目前,除了粘性流的CFD方法之外,由于种种局限,至今还未见到可用于实船的、精度较高的船舶下沉量理论计算公式。简易估算方法,如欧洲引航协会规定UKC(富裕水深)的数值如下:外海水道取水深的20%;港外水道取吃水的15%;港内取水深的10%。简单估算便捷易行,但不适用于精确计算。试验方法包括实船试验和船模水池试验。基于有限的系列试验,采用拟合、回归等方法得到经验公式,这是当前下沉量研究的主流,也是可用于海上实践的主要方法。基于上述分析,本文研究的思路是:全面比较现有的下沉量经验计算公式,从中筛选出优化的成果;在此基础上,予以精确化,给出改进公式;并用试验结果验证其可行性。1比较和分析沉没经验公式1.1沉没公式当前基于所搜集的资料,当前国内外的下沉量经验公式研究,可概括为20项,其适用范围、依据及特点如表1所示。1.2海上航道的适用条件经过对20项公式的分析、比对、测试、筛选,认为Ankudinov公式是优化的公式。理由如下:1)适用于浅水、浅水航槽和运河3种航道,能满足海上航运需求;2)全面考虑了船型特点,包括方尾和球鼻首;3)计入了单、双螺旋桨效应;4)适用于任意CB的船舶和任意h/T的环境;5)能同时计算首尾的下沉量;6)通过了船模水池试验和多次实船测试。1.3船模水池试验和实船实际时长对设计从理论上说,它把各种影响因素并行列出,而没有考虑其间的耦合影响;从实践上看,公式和船模水池试验的吻合不够好,其中浅水试验的误差最大;公式与实船实验值的比较,总体偏大。为提高预报精度,需要在该公式的基础上予以改进。2改进的公式改进的Ankudinov下沉量公式(updateformalashipAnkudinovsquat),简称改进公式。2.1．计算结果为背景、以实船试验及海上措施为中心的基本分析方法,主要有以下几种1)将公式计算值与船模在U,R,C三种水池试验条件下的测试值相比对,给出了以无因次数Fn为变量的修正量表达式,使公式计算值与水池实验值吻合良好。2)之所以以船模水池实验为基准,而没有以实船试验为基准,是由于:①实船试验时的航速难以保持稳定,当船舶做加减速运动时,实测值和下沉量的计算值之间会出现较大误差。严格说来,所有下沉量计算公式均以匀速运动为前提,不宜简单用于变速运动;②实船试验时,水深通常是一变量,修正困难;③实船试验时,环境噪声,如风、流、浪的影响较大,不易滤除其影响。3)航道分类按一些国家的共识,海上受限水域航道分类如图1所示。第一类是浅水,水域宽度阈值为Weff={7.7+45(1-Cw)2}B,(2)超过此阈值的水域即属浅水。第二类是浅水航槽,即在浅水区有疏浚的航槽,高为ht,供吃水深的舰船航行。长江口、连云港进出港航道均属此类型。图1(b)中标出的Ac(水道横截面积)是为计算而设定的,并非实际的水道截面。第三类是运河。水道的特征参数除h,w,Ac外,还有反向坡度n,n=cotθ=水道单位高程相应延伸长度n=cotθ=水道单位高程相应延伸长度。(3)上述航道分类适用于海上,至于内河航道的分类,应遵循我国建设部颁发的《内河通航标准》(GB50139-2004)。2.2基本公式2.2.1象征性意义2.2.2公式语句Smax=LPP(Sm∓0.5Trim)。(3)1ph/t、pfh、ch1Sm=(1+KSΡSP)PHuPFhPh/TPCh1-ΔSm(Fh)。(4)式中:KSΡSP为螺旋桨影响参数,为浅水船型影响参数,ΡΗu=1.7CB(BΤL2pp)+0.004C2BPHu=1.7CB(BTL2pp)+0.004C2B;Ph/T为水深影响参数,Ρh/Τ=1.0+0.35(h/Τ)2Ph/T=1.0+0.35(h/T)2;PFh为航速影响参数,PFh=F(1.8+0.4Fh)h(1.8+0.4Fh)h;ΔSm(Fh)为船中修正量;PCh1为航道影响参数,ΡCh1={1.0‚U；1.0+10Sh-1.5(1.0+Sh)√Sh,R,C。PCh1={1.0‚U；1.0+10Sh−1.5(1.0+Sh)Sh−−√,R,C。2航道影响参数Trim=Trim-ΔTrim(Fh),(5)Trim=-1.7PHuPFhPh/TKTrPCh2。(6)式中:Ph/T为水深影响参数,Ρh/Τ=1-e√25(1-h/Τ)FhPh/T=1−e25(1−h/T)Fh√;PCh2为航道影响参数,ΡCh2={1.0‚U；1.0-5Sh‚R,C。PCh2={1.0‚U；1.0−5Sh‚R,C。KTr=CnΤrbnTrb-(0.15KSΡSP+KΤΡTP)-(KΤBTB+KΤΤrTTr+KΤΤ1TT1)。式中:nTr为纵倾指数,nΤr=2.0+0.8ΡCh1CBnTr=2.0+0.8PCh1CB;KΤBTB为球鼻首影响参数,ΚΤB={0.1‚有球鼻首‚0.0‚无球鼻首；KTB={0.1‚有球鼻首‚0.0‚无球鼻首；KΤΡTP为螺旋桨纵倾影响参数,ΚΤp={0.15‚单桨‚0.20‚双桨；KTp={0.15‚单桨‚0.20‚双桨；KΤΤrTTr为方尾影响参数,ΚΤΤr={0.1+[0.4BB]‚方尾‚0.0‚非方尾；KΤΤ1为初始纵倾影响参数,ΚΤΤ1=0.5ΤA-ΤFΤA+ΤF;ΔTrim(Fh)为纵倾修正量。2.3修正量公式下沉量修正值ΔSm(Fh)和ΔTrim(Fh)在船舶浅水、浅水航槽、运河航行时是不同的,须分别修正。修正量是以Fh为变量的函数。1rimfh的计算ΔSU(Fh)=Lpp(-0.790286F4h+1.356493F3h-0.857464F2h+0.239116Fh-0.023915)‚ΔΤrim(Fh)=Lpp(0.053068F2h-0.069871F3h+0.035602F2h-0.005583Fh+0.000221)。(7)2rimfh的计算ΔSR(Fh)=Lpp(0.019796F2h-0.015795Fh+0.003976)‚ΔΤrim(Fh)=Lpp(0.021027F2h-0.010839Fh+0.001755)。(8)3rimfh的计算ΔSc(Fh)=Lpp(0.003751F3h+0.000984F2h+0.002948Fh+0.000021)‚ΔΤrim(Fh)=Lpp(0.022788F2h-0.016207Fh+0.003244)。(9)计算时,先计算Trim,得到首尾的纵倾绝对值,再从中减去ΔTrim。3已选中分别以船模水池试验和实船测试结果为基准,将改进公式计算值和原公式计算值进行比对,验证了修正后的下沉量公式的有效性和精度。3.1对比结果及分析本文选取VLCC船模的试验结果,船模主尺度数据如表3所示。对比结果如表4和图2所示。由表3和图2可见,本文提出的下沉量计算改进公式与水池试验吻合良好,尤其是当傅汝德数介于0.3～0.6之间时,误差在5%以内,精度较高。3.2船民用船数据分析用了2艘实船的测试数据。第1艘船是巴拿马级散货船GlobalChallenger号,第2艘船是巴拿马级油轮Elbe号。测试地点在巴拿马运河的Gaillard河段,在该河段2船航速相对稳定,GlobalChallenger号航速大约在9～10kn之间,Elbe号航速大约在5～7kn之间,2船的船型数据和航道参数如表5所示。实船测量值与2公式计算值对比结果如表6和表7所示。从表6和表7可以看出,本文提出的下沉量计算改进公式值与实船试验误差在10%以内,比Ankudinov公式计算结果更加精确,能满足海上实践需要。4anpudinov公式在当前的下沉量研究中,经验公式方法是研究和用于海上实践的主流。通过对国内外浅水下沉量公式的分