船舶航行數(shù)值模擬在水運(yùn)工程的應(yīng)用

葉上揚(yáng)，喻國良，李艷紅

（上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海200240）

水運(yùn)行業(yè)的快速發(fā)展，船舶的大型化和數(shù)量增多，給通航帶來了安全隱患。例如船舶橋墩相撞、船舶之間的碰撞、船舶擱淺堵塞航道等。

必須采用有效的辦法對(duì)船舶通航進(jìn)行安全論證。在航道設(shè)計(jì)中，工程師往往根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范、當(dāng)?shù)厍闆r以及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，來確定航線的走向、航道以及泊位回轉(zhuǎn)水域的平面大小、水深等，但近年來現(xiàn)代船型的不斷涌現(xiàn)，船舶控制能力得到顯著提高，導(dǎo)航系統(tǒng)不斷更新，導(dǎo)航能力得到很大提升，因此，我國有關(guān)航道的設(shè)計(jì)規(guī)范已經(jīng)相對(duì)老舊，完全按照現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)無法充分反映近年來水運(yùn)工程的變化與進(jìn)展。

船舶航行模擬研究是對(duì)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念的補(bǔ)充，可以用來分析各種擬建水運(yùn)工程的通航安全性，并對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行完善。船舶航行模擬分為物理模型和數(shù)值模擬。物理模型在航道設(shè)計(jì)上應(yīng)用相對(duì)較少，但能較好的反應(yīng)現(xiàn)實(shí)中包括岸吸作用在內(nèi)的復(fù)雜流體動(dòng)力效應(yīng)、船舶淺水機(jī)動(dòng)性以及船舶之間的相互作用，但是也有很多技術(shù)缺點(diǎn)，例如無法準(zhǔn)確模擬流體摩阻和粘滯效應(yīng)，船舶比尺時(shí)間比尺等也無法做到很好的相似。

近年來，由于具有安全、經(jīng)濟(jì)、可重復(fù)等優(yōu)點(diǎn)，船舶航行的數(shù)值模擬得到了廣泛應(yīng)用，不僅應(yīng)用于船舶駕駛的培訓(xùn)，而且應(yīng)用于航道設(shè)計(jì)以及泊位、橋梁等的通航安全評(píng)估。國外運(yùn)用船舶操縱模擬軟件進(jìn)行港池與航道設(shè)計(jì)論證已有幾十年的歷史，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。世界上最早研究船舶操縱模擬器的是荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究所（TNO），自20世紀(jì)80年代以來，我國個(gè)別高等航海院校先后從國外引進(jìn)各類航海模擬器［1］。美國從1982年起將船舶操縱模擬器應(yīng)用于通航安全論證［2］，此后一直不斷應(yīng)用擴(kuò)展。船舶數(shù)學(xué)運(yùn)動(dòng)模型主要有兩大流派，一種是歐美學(xué)派，采用的是整體模型結(jié)構(gòu)；另一種是日本學(xué)派，發(fā)展的是分離式模型結(jié)構(gòu)。整體型模型結(jié)構(gòu)的研究者以Abkowitz為代表，其模型化方法是把船、槳、舵看作一個(gè)不可分的整體。分離式模型結(jié)構(gòu)的研究者以小川、小瀨、井上、平野等人為代表。當(dāng)前整體型和分離型船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)正在互相滲透［3］。我國以往的模擬多基于進(jìn)口的模擬器，近年來也出現(xiàn)了船舶航行的數(shù)學(xué)模擬軟件，用于水運(yùn)工程設(shè)計(jì)評(píng)估。張壽桂等［4］應(yīng)用船舶操縱模擬器對(duì)福建10萬t及液化天然氣船舶碼頭工程進(jìn)行了安全評(píng)估，并提出了合理化建議。方建華等［5］應(yīng)用大型船舶操縱模擬軟件對(duì)橋區(qū)船舶通航情況進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，為科學(xué)合理地規(guī)劃橋區(qū)船舶航路提供了依據(jù)。楊神化等［6］應(yīng)用船舶操縱模擬軟件對(duì)海上船舶碰撞過程進(jìn)行了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真研究。彭國均等［7］應(yīng)用船舶操縱模擬軟件對(duì)天津港南一泊位30萬t油輪減載的航行安全問題進(jìn)行了模擬。但這些模型沒有考慮淺水對(duì)船舶航行的作用，也未能夠反映兩船相遇和追越時(shí)的相互影響。

1 船舶航行模擬軟件Dynasim數(shù)值模型

船舶航行的數(shù)值模型由船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型和水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型耦合構(gòu)成。

1.1 船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型

船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型的本構(gòu)方程

式中，U（u，v，w）為線速度；Ω（p，q，r）為角速度；p 為旋轉(zhuǎn)角速度；r為偏移角速度；m 為船體質(zhì)量；Ix，Iz分別為船舶對(duì)ox和oz軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；X，Y分別為水動(dòng)力和外力在x，y方向的分量；K和N是x，z方向作用于船體的力矩矢量。

1.2 水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型

式中，λ11、λ22為船舶附加質(zhì)量；λ44、λ66為船舶附加慣性矩；X0、Y0分別為水動(dòng)力作用力在 x，y 方向的分量；K0、N0分別為水動(dòng)力作用力矩在x，z方向的分量。

2 影響船舶航行的因素

船舶航行過程中不僅受自身操縱性能的影響，還受自然條件（風(fēng)、浪、流和能見度等）、航道水深、航道寬度、船舶交通密度和船速等因素的影響。

2.1 風(fēng)

風(fēng)對(duì)船舶航行的影響很重要，尤其是大風(fēng)天氣，不僅會(huì)改變船速、航跡線，還會(huì)導(dǎo)致船舶的橫向漂移，產(chǎn)生風(fēng)壓差和船首的偏轉(zhuǎn)。船舶在航行過程中，受風(fēng)的作用力與風(fēng)速的平方成正比，風(fēng)對(duì)船舶產(chǎn)生的力和力矩表達(dá)式為

式中，UArel為對(duì)船舶的相對(duì)風(fēng)速；AT為船舶正投影面積；AL為船舶側(cè)投影面積。

CAX、CAY、CAN為風(fēng)壓系數(shù)，表達(dá)式分別為

2.2 流

水流會(huì)對(duì)船舶的航行速度、漂移、舵效、沖程以及掉轉(zhuǎn)頭等產(chǎn)生重要影響。航行過程中，當(dāng)水流與船縱剖面有一定夾角時(shí)，將同時(shí)改變船舶的航速和航跡帶，同時(shí)橫流將會(huì)使船舶產(chǎn)生漂移，特別是一些橫流較大的水域是船舶航行的危險(xiǎn)區(qū)域。水流產(chǎn)生的水動(dòng)力和力矩表達(dá)式為

式中：vw為相對(duì)流速；d為船舶吃水；L為船舶兩柱間長；Cw、CNw分別水動(dòng)力和力矩系數(shù)。

2.3 波浪

波浪的影響可分為2個(gè)方面，一方面是波浪對(duì)船舶的漂流力，另一方面是因波浪而變化的搖擺力矩。在前者的作用下，常導(dǎo)致船舶偏離航線或航道；后者則造成船舶的強(qiáng)制搖擺，都給船舶運(yùn)動(dòng)的控制，如方向控制、速度控制、位置控制等帶來困難。由波浪作用產(chǎn)生的水動(dòng)力表達(dá)式可以表示為

式中：Rs為波幅變化較慢的波浪作用力，指數(shù)部分表示波幅變化較快的波浪；σ為波浪碰撞頻率。

2.4 水深

對(duì)于淺水航道，行船存在沉底現(xiàn)象，速度越快，沉底效應(yīng)越明顯。航道的水深直接影響船舶能否在此航行，船舶安全航行需要的水深依據(jù)規(guī)范［8］進(jìn)行理論計(jì)算。理論上通常情況下，在航道深度（h）和船舶吃水（T）之比為1.1～1.2的航段上，危險(xiǎn)性明顯增加；當(dāng)h/T大于1.3時(shí)，水深對(duì)船舶航行安全不產(chǎn)生實(shí)際影響［8］。數(shù)值模擬中需要考慮航道底部對(duì)行船附加的重量和船體的下沉量。為此，對(duì)于L/B＞5的船體，船舶附加質(zhì)量系數(shù)分別進(jìn)行淺水修正，修正系數(shù)取值見表1。

表1 附加質(zhì)量的淺水修正系數(shù)Tab.1 Shallow water correction factors for added mass

T/H為船舶吃水與船舶底部水深的比值，從表1可以看出，船舶底部水深相對(duì)于船舶吃水越小，也即水深相對(duì)越淺，淺水修正系數(shù)越大。

2.5 船舶之間的相互影響

由于港區(qū)新建碼頭泊位的增加，增大了船舶交通流，導(dǎo)致水域航段通航復(fù)雜化。

近距離上對(duì)駛會(huì)船、追越和駛過系泊船時(shí)，兩船之間產(chǎn)生的流體作用，將出現(xiàn)互相吸引、排斥、轉(zhuǎn)頭、波蕩等船間效應(yīng)［10］。在船舶航行過程中會(huì)發(fā)生船間效應(yīng)的過程主要為兩船對(duì)遇和兩船追越，船舶的影響主要取決于船舶周圍水流的改變。

3 船舶航行數(shù)值模型在水運(yùn)工程中的應(yīng)用

船舶航行數(shù)值模擬在水運(yùn)工程中的應(yīng)用主要包括在下列方面。

（1）水運(yùn)工程建筑物的布局優(yōu)化

沿海港區(qū)布置、內(nèi)河碼頭以及一些跨河橋梁的布置需要進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃，否則會(huì)造成各種通航安全事故或留下安全隱患，而船舶航行數(shù)值模擬則可以對(duì)港區(qū)各種規(guī)劃布置進(jìn)行科學(xué)的分析和論證，對(duì)水運(yùn)工程建筑物的整體布置進(jìn)行優(yōu)化，使其滿足安全通航要求。

（2）航道優(yōu)化

由于船舶的大型化、航道交通流的增大以及沿海深水航道的建設(shè)，很多航道的設(shè)計(jì)寬度深度以及轉(zhuǎn)彎半徑都不太適應(yīng)現(xiàn)代船舶發(fā)展的需要，在當(dāng)?shù)刈匀粭l件下，都需要進(jìn)行專門的論證和優(yōu)化，船舶航行數(shù)值模擬可以對(duì)航行水域的寬度、水深、航道選線、轉(zhuǎn)彎半徑等分別進(jìn)行論證，為航道的設(shè)計(jì)提供較科學(xué)的建議，對(duì)規(guī)劃設(shè)計(jì)的航道提出修改并進(jìn)行優(yōu)化，使得航道的設(shè)計(jì)更加合理化，同樣可以對(duì)回旋水域、錨地等設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)優(yōu)化。

（3）橋渡通航優(yōu)化

我國公路、跨海大橋、鐵路運(yùn)輸業(yè)特別是近幾年高鐵的大量建設(shè)，導(dǎo)致跨河跨海橋梁日益增多，船舶的航行和橋墩的安全受到很大影響。例如2009年一艘韓國貨輪碰擦舟山跨海大橋，導(dǎo)致大橋推遲通車并且造成了很大經(jīng)濟(jì)損失，而船舶航行數(shù)值模擬可以對(duì)橋位選擇、橋式、凈空跨度、墩位布置、橋墩防護(hù)設(shè)施的設(shè)置以及導(dǎo)流建筑物的布置等進(jìn)行研究和論證，保證工程后船舶的通航安全。

（4）船舶操作優(yōu)化

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，很多船舶碰撞和船舶觸底等事故都是船舶操縱不當(dāng)引起的。在碼頭建設(shè)前可以通過船舶數(shù)值模擬軟件，論證各種碼頭設(shè)計(jì)船型和兼顧船型在當(dāng)?shù)馗鞣N風(fēng)浪流工況下的航行情況，這樣不僅可以論證碼頭建設(shè)的合理性，還可以了解船舶在各種天氣下的航行情況以及船舶航行需要注意的操縱事項(xiàng)，為以后船員在此塊海域的航行提供建議。數(shù)值模擬軟件可以模擬出每種船型允許航行的極限天氣狀況，可對(duì)航行于此港區(qū)的不同船型提供一個(gè)科學(xué)的船舶操縱指南。

4 工程實(shí)例

船舶航行模擬軟件Dynasim是為在有波浪、風(fēng)、水流以及障礙物的有限水域內(nèi)模擬多個(gè)船舶動(dòng)力學(xué)而設(shè)計(jì)的，使用者可以引入地形要素、航道形態(tài)以及環(huán)境條件。這個(gè)模擬軟件可以模擬多種船舶在不同風(fēng)、浪、流以及船舶裝載等條件下的航跡線，從系統(tǒng)觀察的角度評(píng)估行船與港口的安全性以及估計(jì)多種船舶、通航密度、航行通道以及環(huán)境條件的沖突可能性。特別是能夠同時(shí)模擬多船之間的相互作用，如兩船之間的追越和相遇時(shí)彼此的影響，這也是當(dāng)前很多模擬系統(tǒng)無法做到的。

我國南方某擬建港口作業(yè)區(qū)南9#碼頭泊位設(shè)計(jì)為以煤炭進(jìn)口為主、兼做少量雜貨進(jìn)口的通用散雜貨碼頭，其規(guī)模設(shè)計(jì)為5萬t級(jí)散貨船。該工程擬利用的岸線目前為自然岸線，鄰近均規(guī)劃為碼頭岸線。該段海岸水深大、淤積弱、航道寬、風(fēng)浪小、航泊條件好、緊靠國際航線，并擁有充足錨地，適宜建設(shè)通用散雜貨碼頭。港區(qū)碼頭和航道的平面布置初步擬定如圖1所示。

該碼頭工程設(shè)計(jì)代表船型為5萬t級(jí)散貨船，兼靠4萬t與2萬t級(jí)散貨船，設(shè)計(jì)船型主尺度為：型長223 m，型寬32.3 m，型深17.9 m，吃水12.8 m。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)，碼頭前沿段單向航道寬度為200 m滿足5萬船級(jí)散貨船，航道走向?yàn)?9.1°/199.1°，航道轉(zhuǎn)向角為19.1°，轉(zhuǎn)彎半徑為1 115 m。

通過Dynasim模擬軟件，對(duì)該港區(qū)南9#碼頭泊位及其入港航道進(jìn)行通航仿真模擬，按85%（310 d）的通航保證率考慮，選取以下8種工況（表2），對(duì)于該港區(qū)南9#碼頭泊位及其入港航道進(jìn)行通航仿真模擬，對(duì)船舶在泊位前沿的回轉(zhuǎn)水域進(jìn)行掉頭模擬以及靠離泊模擬。得出各種工況下的航跡帶寬度、最大偏航角，從而檢驗(yàn)依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范確定的航道所需寬度以及航道布置的合理性，并且通過模擬軟件分析碼頭前沿段單向航道內(nèi)船舶發(fā)生追越的可行性。

模擬結(jié)果顯示：依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范確定的航道轉(zhuǎn)彎偏多，不利船舶航行，9#泊位前沿段航道船舶航行存在一定風(fēng)險(xiǎn)，特別是在工況1和工況3條件下，安全航行靠離泊成功率很低，在較常見工況5和6下，碼頭前沿段船舶航行也不是很安全。

根據(jù)各種工況的通航模擬結(jié)果，從確保安全和力求節(jié)能的角度對(duì)碼頭平面布置進(jìn)行優(yōu)化，將碼頭前沿段航道航向變?yōu)?°/185°，航道有效寬度調(diào)整為170 m，而且無轉(zhuǎn)角，具體平面布置見圖2。優(yōu)化后的航道平面布置方案再次進(jìn)行通航模擬，發(fā)現(xiàn)4萬t和5萬t船在八級(jí)風(fēng)和流比較大的情況下可以航行，但不能自行靠泊，且當(dāng)風(fēng)速為6級(jí)、流速1.2 m/s的情況下，2萬t船航行有危險(xiǎn)，當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)不易在高流速下航行，其他較弱風(fēng)和流的工況條件下模擬結(jié)果滿足通航設(shè)計(jì)要求。模擬情況顯示，優(yōu)化后的航道平面布置方案可以滿足通航保證率的要求。

表2 通航仿真模擬工況Tab.2 Navigation simulation conditions

由于此港區(qū)小漁船出入較多，且南9#泊位前沿為單向航道，不允許兩船對(duì)面相遇，所以通過模擬軟件Dynasim模擬了在表1所示各種工況下南9#泊位前沿段航道的設(shè)計(jì)船型追越小漁船的情況。模擬結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)船型的行船追越小漁船時(shí)容易發(fā)生相撞。因此建議此段航道禁止船舶追越。圖3為兩船發(fā)生追越前模擬圖，圖4為兩船追越相撞模擬圖。

5 結(jié)論

通過對(duì)船舶航行數(shù)值模擬應(yīng)用分析和試驗(yàn)?zāi)M，可以得到如下結(jié)論：

（1）船舶航行數(shù)值模擬應(yīng)用越來越廣泛而且普遍，不僅應(yīng)用于航道設(shè)計(jì)以及港區(qū)的通航安全評(píng)估，而且可應(yīng)用于船舶駕駛培訓(xùn)。

（2）采用Dynasim軟件對(duì)我國南方某作業(yè)區(qū)南9#碼頭的通航進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明：與傳統(tǒng)的船舶航行模擬器相比，船舶航行數(shù)值模擬具有安全、經(jīng)濟(jì)、可重復(fù)等優(yōu)點(diǎn)，并且還能夠模擬多船同時(shí)航行。

（3）復(fù)雜條件下的航道、港口建設(shè)以及重要通航橋梁建設(shè)，必須開展船舶數(shù)值模擬研究，以彌補(bǔ)現(xiàn)行航道設(shè)計(jì)規(guī)范的不足。根據(jù)各種工況的通航模擬結(jié)果，從確保安全和力求節(jié)能的角度對(duì)工程的平面布置進(jìn)行優(yōu)化。

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