船行波對(duì)直立岸壁的作用研究

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(武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院,武漢 430063)

1 淺水條件下船舶興波計(jì)算

船舶興波阻力計(jì)算采用的面元法可分為兩類，按照所采用的格林函數(shù)不同，分別為Rankine源方法和Kelvin 源方法(又稱Havelock源方法)。

采用Rankine源格林函數(shù)，在整個(gè)流場(chǎng)邊界布置源匯。在船體表面及部分自由面進(jìn)行源匯分布，設(shè)船體表面S上的源強(qiáng)為σs(q)(這里是匯)，其所誘導(dǎo)的速度勢(shì)為

(1)

設(shè)自由面F上的源強(qiáng)為σf(q)，其所誘導(dǎo)的速度勢(shì)為

(2)

則總得速度勢(shì)為

φ(p)=φs(p)+φf(shuō)(p)

(3)

為求解速度勢(shì)式(3)，必須求解邊界面上的源強(qiáng)σ。一階Rankine面元法的思想是采用一定數(shù)量的四邊形或三角形小平面(即面元)代替連續(xù)的船體曲面及自由面(以及其它邊界面)。假定每片面元上的源強(qiáng)為常數(shù)σi(q)，則可得到離散形式的速度勢(shì)。

將船體曲面S離散為Ns片面元，記第i片面元上Si的源強(qiáng)為σs(i)，則式(1)轉(zhuǎn)化為

(4)

同理，將自由面F共離散為Nf片面元，則式(2)轉(zhuǎn)化為

(5)

將離散后的總速度勢(shì)表達(dá)式分別代入各個(gè)定解條件，并在每片面元上選取一個(gè)滿足當(dāng)?shù)丶s束方程的場(chǎng)點(diǎn)P(稱為配置點(diǎn))，可得到總共Ns+Nf個(gè)線性方程。求解方程組，求得每個(gè)配置點(diǎn)所在面元的源強(qiáng)，從而解決問(wèn)題。

Wigley船船型要素：船長(zhǎng)L=8 m，型寬B=0.8 m，吃水T=0.5 m，Wigley單體船在深水中航行時(shí)不同F(xiàn)r數(shù)下的興波阻力系數(shù)曲線見(jiàn)圖1。與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，結(jié)果令人滿意。

圖1 Wigley單體船興波阻力系數(shù)

用面元法計(jì)算Wigley船型雙體船和三體船淺水的近域波形。計(jì)算的船型：Wigley雙體船，兩片體中縱剖面之間的距離分別為0.2L，0.3L，0.4L和0.5L。對(duì)于三體船，不同的側(cè)體排水量，不同的橫向和縱向間距，對(duì)其阻力都有極大的影響。本文Wigley三體船，以Wigley單體船為主體，側(cè)體排水量取主體的0.125倍，橫向間距分別為Ys=0.2L，Ys=0.3L,Ys=0.4L，Ys=0.5L，縱向間距Xs=0，得到的波高數(shù)據(jù)見(jiàn)圖2、3。

圖2 Wigley雙體船不同間距下船側(cè)0.3L處波高

圖3 Wigley三體船不同橫向間距下船側(cè)0.3L處波高

由以上波高圖形可以看出，對(duì)于Wigley雙體船和三體船，與在深水情況下相同，由于片體之間波系存在相互干擾，當(dāng)片體與片體或片體與主體之間的間距越小時(shí)，其造成的興波越大，在干擾發(fā)生的船艉附近尤為明顯，見(jiàn)表1。

表1 淺水波高計(jì)算結(jié)果

2 船行波對(duì)直立建筑物的作用

《海港水文規(guī)范》(JTJ213-98)[1]第八章有如下規(guī)定。

當(dāng)d1≥0.6H時(shí)，圖4所示的直墻建筑物上近破波的波浪力按下列規(guī)定確定。

d-建筑物前水深，m；d1-基床上水深，m；Z-靜水面以上高度， m；ps-靜水面處的波浪壓力，kPa；pb-墻底處的波浪壓力，kPa。

圖4近破波的波壓力分布

1)靜水面以上高度Z(m)處的波浪力為零，Z按下式計(jì)算。

2)靜水面處的波浪壓力按下列公式計(jì)算。

3)墻底處的波浪壓力按下式計(jì)算。

pb=0.6ps

4)單位長(zhǎng)度墻身上的總波浪力按下列公式計(jì)算。

3 計(jì)算分析

至今對(duì)直墻建筑的破波波浪力還不能以嚴(yán)密的理論進(jìn)行分析計(jì)算，在工程上只能采用經(jīng)驗(yàn)方法，而經(jīng)驗(yàn)公式中的波浪要素均為粗略的估算，本文則利用船舶興波的數(shù)值計(jì)算，以數(shù)值計(jì)算得到的較為準(zhǔn)確的波形為輸入波，利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算波浪力，將船行波的數(shù)值計(jì)算與波浪對(duì)岸壁的作用相結(jié)合起來(lái)計(jì)算波浪力。

本文對(duì)于近破波的計(jì)算，基床底水深d取1.28 m，堤腳水深d1取0.48 m，將在淺水條件下Wigley各種船體船側(cè)0.3L處的近域波高數(shù)據(jù)代入《海港水文規(guī)范》(JTJ213-98)公式計(jì)算得到船舶興波對(duì)直立建筑的波浪力數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2。

表2 波浪力計(jì)算結(jié)果

由表2得到的壓力見(jiàn)圖5、6，縱坐標(biāo)為直墻建筑物各點(diǎn)位置，橫坐標(biāo)為該點(diǎn)處的波壓力。

可以看出，當(dāng)間距較小時(shí)，雙體船和三體船船波對(duì)直立建筑物的近破波波浪力較大；隨著間距的增大，雙體船造成的波浪力逐漸減小?？梢?jiàn)無(wú)論是對(duì)雙體船還是三體船，間距的影響還是很明顯的。由于缺少有關(guān)實(shí)驗(yàn)資料，無(wú)法比較用船波數(shù)據(jù)計(jì)算得到的值與實(shí)際值相差多少，這種方法計(jì)算的波浪力的準(zhǔn)確性尚需進(jìn)一步檢驗(yàn)與討論。

圖5 雙體船近破波的波壓力

圖6 三體船近破波的波壓力

4 結(jié)論

采用一階Rankine源面元法對(duì)淺水Wigley雙體船和三體船的近域波形進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并以其結(jié)果為輸入波計(jì)算了船行波對(duì)直立建筑物的近破波波浪力，結(jié)果表明該方法具有一定的可行性[2-4]，其準(zhǔn)確性還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

[1] 交通部.JTJ213-98海港水文規(guī)范[S].北京：人民交通出版社,1998.

[2] 張 偉.高速排水型船舶興波波形及尾浪的數(shù)值計(jì)算[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2009.

[3] 屈曉婷.破碎波對(duì)直立建筑物作用機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究 [D].大連：大連理工大學(xué)，2008.

[4] 高 高.船舶興波問(wèn)題面元法計(jì)算中自由面離散的穩(wěn)定性分析[J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展：A輯,2002(1)：53-60.