大型集裝箱船在橫風(fēng)作用下航行的模擬試驗(yàn)研究

李一兵，李曉星

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

大型集裝箱船在橫風(fēng)作用下航行的模擬試驗(yàn)研究

李一兵，李曉星

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

銅鼓航道北段設(shè)計(jì)方案采用反“S”形彎道與現(xiàn)有的深圳港西部港區(qū)進(jìn)出港航道銜接，大風(fēng)天時船舶在彎道內(nèi)航行處于較強(qiáng)的橫風(fēng)作用中。為論證航道設(shè)計(jì)尺度的合理性及船舶航行的安全性，首次運(yùn)用了二維潮流數(shù)學(xué)模型、船舶操縱模擬器、定床潮流物理模型和遙控自航船模等多種手段相結(jié)合的方法進(jìn)行研究。研究表明，在風(fēng)浪大時，原設(shè)計(jì)方案航道北段反“S”形彎道的尺度不能適應(yīng)5萬噸級集裝箱船安全雙向進(jìn)出港的要求。通過將第一個彎道的大角度轉(zhuǎn)向改為兩次小角度轉(zhuǎn)向，并增加第二個彎道的寬度，通航條件明顯改善，在不利的試驗(yàn)工況下，5萬噸級集裝箱船雙向進(jìn)出港操縱順利，滿足全天候安全進(jìn)出港的要求。

大型集裝箱船；橫風(fēng)；通航條件；模擬試驗(yàn)；船舶操縱模擬器；自航船模

深圳西部港區(qū)位于珠江口伶仃洋東岸、礬石水道與暗士頓水道交匯處，主要包括蛇口港區(qū)、赤灣港區(qū)、媽灣港區(qū)、黃田港區(qū)和東角頭港區(qū)。長期以來，進(jìn)出深圳西部港口的海輪須經(jīng)香港馬灣水道，由于馬灣水道狹窄，水流較急，近岸有明礁、暗礁、旋渦，航道經(jīng)咸湯門時需90°急轉(zhuǎn)彎，船舶操縱困難。香港特區(qū)政府為了保證通航安全，采用了強(qiáng)制引水限時通航及大型船舶不準(zhǔn)夜航等一系列管制措施，使得航道通過能力極為有限，遠(yuǎn)不能滿足深圳西部港區(qū)發(fā)展需要。隨著深圳市及其腹地外向型經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，西部港區(qū)運(yùn)量的顯著增加及船舶大型化的要求，急需開辟新的出海通道。

經(jīng)科研和設(shè)計(jì)單位論證，提出了銅鼓航道方案。該方案線路北段采用了一條彎曲的“S”形航道與現(xiàn)有的深圳港西部港區(qū)進(jìn)出港航道銜接，受東南季風(fēng)的影響，航行條件惡劣，對集裝箱船24 h進(jìn)出港非常不利。為論證銅鼓航道北段船舶進(jìn)出港航行的安全性，改善船舶航行條件，優(yōu)化航道設(shè)計(jì)，在國內(nèi)首次運(yùn)用二維潮流數(shù)學(xué)模型、船舶操縱仿真模擬、定床潮流物理模型和遙控自航船模等多種研究手段相結(jié)合的方法進(jìn)行研究［1-2］。

1 工程概況

深圳港銅鼓航道是深圳港西部港區(qū)第2條通海航道，位于珠江口伶仃洋東部銅鼓海區(qū)內(nèi)，北接深圳蛇口、赤灣、媽灣、大鏟灣港區(qū)航道，南連伶仃西水道，與廣州港、東莞港通海航道交匯合并，再經(jīng)珠江口大濠水道直通南海。航道全長22.57 km，有效寬度210 m，設(shè)計(jì)底標(biāo)高-15.8 m（以當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵鏋榛妫?/p>

銅鼓航道平面布置情況如下：航道自伶仃西水道接入，以22.7°方位角向北延伸14.8 km至北段第一個轉(zhuǎn)折點(diǎn)（此段航道底寬210m）后，向東偏轉(zhuǎn)32.8°（航道方位角55.5°），航寬增加至250m；至第二個折轉(zhuǎn)點(diǎn)（距第一個折轉(zhuǎn)點(diǎn)約1 478m）后，以2 040m的彎曲半徑，80°的轉(zhuǎn)彎角轉(zhuǎn)向進(jìn)入深圳西部港區(qū)航道（方位角335.5°）。由此，使得銅鼓航道北段成為一條反“S”形的彎曲航道（圖1）。

2 研究手段及方法

2.1 研究手段

（1）二維潮流數(shù)學(xué)模型。

二維潮流數(shù)學(xué)模型主要為船舶操縱模擬器提供潮流場邊界。該模型所基于的基本方程多有報(bào)道，本文不再贅述，僅介紹計(jì)算域的確定及網(wǎng)格的劃分。

本工程范圍東北至赤灣、西南至桂山島主航道，數(shù)學(xué)模型計(jì)算域?yàn)楸敝链箸P島以北4 km，西至伶仃島西4.5 km，南至大濠島，東為深圳灣及香港暗頓水道，南北約40 km，東西約31 km。模擬計(jì)算選取的網(wǎng)格形式為任意三角形計(jì)算網(wǎng)格，按關(guān)注程度不同采用疏密三角單元對計(jì)算域進(jìn)行剖分，其網(wǎng)格最小空間步長為50m。網(wǎng)格劃分見圖2。

（2）定床潮流物理模型。

本研究需要通過自航船模航行試驗(yàn)對通航條件進(jìn)行論證，根據(jù)船模航行試驗(yàn)要求，物理模型應(yīng)該設(shè)計(jì)成幾何正態(tài)定床。結(jié)合試驗(yàn)范圍、試驗(yàn)海域水深條件、試驗(yàn)場地條件等，確定物理模型的幾何比尺=150（即縮尺比1∶150）。

模型范圍包括銅鼓航道北段和赤灣航道、蛇口新航道以及與媽灣相連的深水航道的一部分，試驗(yàn)段長為10 500m，寬為3 900m。模型長為70m，寬為26m，按照試驗(yàn)區(qū)域?qū)崪y海床地形及港口岸線布置情況制作。

（3）船舶操縱仿真模擬系統(tǒng)。

船舶操縱仿真模擬系統(tǒng)的核心是船舶操縱運(yùn)動方程［3］，在此基礎(chǔ)上采用計(jì)算數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)和視景仿真技術(shù)等進(jìn)行船舶—環(huán)境系統(tǒng)仿真，為觀察研究實(shí)際空間和時間領(lǐng)域內(nèi)的船舶控制過程和人—機(jī)關(guān)系創(chuàng)造試驗(yàn)條件。該模擬系統(tǒng)能夠?qū)崟r模擬各種船舶在風(fēng)、浪、流、淺水等環(huán)境因素影響下的船舶操縱運(yùn)動。

（4）遙控自航船模。

試驗(yàn)代表船型為5萬t級和10萬t級集裝箱船，采用的實(shí)船船型及其主尺度見表1。

2.2 研究方法

從通航水流條件來看，銅鼓航道海域潮流為往復(fù)流，航道內(nèi)給定點(diǎn)的漲（落）潮流向比較穩(wěn)定，對船舶航行影響起主要作用的是流速的大小。另外，集裝箱船需全天候進(jìn)出港，在任何地點(diǎn)都可能受漲急（落急）潮流的影響。因此漲急（落急）時刻的流場是船舶航行模擬試驗(yàn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。為此采用以下方案開展研究。

（1）利用二維潮流數(shù)學(xué)模型計(jì)算得出工程海區(qū)工程前后不利條件下（洪季大、小潮漲急和落急，枯季大、小潮漲急和落急）的流場，分析航道開挖前后通航水流條件的變化。

（2）根據(jù)二維潮流數(shù)學(xué)模型提供的流場邊界，再考慮工程海域不利的風(fēng)況、浪況，在船舶操縱仿真模擬系統(tǒng)上模擬代表船型進(jìn)出銅鼓航道北段的航行操縱情況，在對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上，提出航道平面布置方案的修改方案并重復(fù)進(jìn)行船舶進(jìn)出港航行試驗(yàn)，最終提出修改論證后的推薦方案。

（3）進(jìn)行定床潮流物理模型和遙控自航船模試驗(yàn)研究，對船舶航行仿真模擬試驗(yàn)的推薦方案及設(shè)計(jì)單位提供的設(shè)計(jì)優(yōu)化方案的航道水流條件及船舶航行條件進(jìn)行試驗(yàn)研究，并從船舶航行安全的角度，論證銅鼓航道改線方案航道北段線路布置方案的合理性。

3 試驗(yàn)條件及其模擬

用于研究通航工程問題的模型，無論是數(shù)模還是物模，無論是船舶操縱模擬器還是遙控自航船模，均需對涉及的試驗(yàn)條件進(jìn)行模擬，并使模型與原型對應(yīng)的條件盡可能達(dá)到相似，從而保證研究結(jié)果的相對真實(shí)和可靠。

不同的模型因研究目的不同，需要模擬的試驗(yàn)條件也各有側(cè)重。此次研究采用了二維潮流數(shù)學(xué)模型、船舶操縱模擬器、定床潮流物理模型和遙控自航船模等四種模型，其中的二維潮流數(shù)學(xué)模型主要模擬計(jì)算域內(nèi)不利潮位和潮流場（流速及流向）；船舶操縱仿真模擬系統(tǒng)除模擬計(jì)算域內(nèi)不利潮位和潮流場外，還需模擬不利風(fēng)、浪情況，以及試驗(yàn)船舶本身的外形特征（船體相似）、船舶的運(yùn)動特性以及航行操縱性能（回轉(zhuǎn)、應(yīng)舵等），和船舶在上述不利風(fēng)、浪、流條件下的航行操縱情況；定床潮流物理模型主要模擬工程海域的不利潮位和潮流場、不利風(fēng)況等；遙控自航船模主要模擬船舶本身的外形特征（船體相似）、船舶的運(yùn)動特性以及航行操縱性能，船舶在不利風(fēng)、流條件下的航行操縱情況等。

上述各試驗(yàn)條件的模擬，在定床潮流物理模型和遙控自航船模試驗(yàn)中增加風(fēng)的模擬是本研究中的一大特點(diǎn)。因?yàn)閲鴥?nèi)還沒有開展過遙控自航船模在大風(fēng)中的航行試驗(yàn)研究，其他有關(guān)流、浪、船舶等試驗(yàn)條件的模擬相對都比較成熟，國內(nèi)外針對船舶在風(fēng)中的操縱與航行也開展了數(shù)值模擬預(yù)報(bào)和計(jì)算工作，相關(guān)文獻(xiàn)也較多［4-9］。因此，本章重點(diǎn)介紹物理模型試驗(yàn)中風(fēng)的模擬，其他試驗(yàn)條件的模擬可參考相關(guān)文獻(xiàn)。

3.1 風(fēng)的相似準(zhǔn)則及相關(guān)比尺

根據(jù)船舶操縱仿真模擬系統(tǒng)模擬結(jié)果，試驗(yàn)區(qū)域的風(fēng)況對船舶航行的影響很大，因此在物理模型試驗(yàn)中，也需要模擬風(fēng)對船模航行的作用。風(fēng)對船舶的作用力主要表現(xiàn)為風(fēng)壓力，因此，本試驗(yàn)對風(fēng)場的模擬，以滿足風(fēng)壓力相似為準(zhǔn)。

壓力相似即模型與原型的歐拉數(shù)Eu相似。由Eu=△W/ρU2，ρ=γ/g，△W/γ=L，即有Eu=L g/U2。按壓力相似準(zhǔn)則，可寫成比尺關(guān)系為

上述各式中：ρ為風(fēng)的密度，γ為重率，L為長度，△W為風(fēng)壓，g為重力加速度為風(fēng)速比尺。

3.2 風(fēng)場的模擬

船舶在大風(fēng)中航行時，對船舶操縱影響較大的是橫向風(fēng)。因此，模型主要模擬橫向風(fēng)作用下船舶航行操縱情況，以論證銅鼓航道北段船舶進(jìn)出港航行的安全性。

根據(jù)赤灣風(fēng)力情況統(tǒng)計(jì)資料和航道設(shè)計(jì)條件，選擇對船舶航行不利的風(fēng)速、風(fēng)向進(jìn)行模擬試驗(yàn)。

風(fēng)速：7級（13.9～17.1m/s）和8級（17.2～20.7m/s），試驗(yàn)時模擬各級風(fēng)中最大風(fēng)速。

風(fēng)向：橫風(fēng)SE（次常風(fēng)向、強(qiáng)風(fēng)向）和橫風(fēng)NW

為使船模在航行過程中一直處于上述不利的橫風(fēng)作用下，需要在模型中的試驗(yàn)段內(nèi)模擬出上述不利風(fēng)速和風(fēng)向。為此，在模型試驗(yàn)段安裝了一排經(jīng)過改造后可調(diào)整方向和轉(zhuǎn)速的工業(yè)電扇，使得船舶在試驗(yàn)段內(nèi)航行時一直處于設(shè)定的風(fēng)況作用下。

需要指出的是，以往多以水流條件為主要研究對象的船模，加工時主要控制船體水線以下線形和尺寸的精確性即可滿足試驗(yàn)要求。由于本次試驗(yàn)需要模擬風(fēng)對集裝箱船舶航行的影響，因此船模在制作過程中不但要嚴(yán)格控制船體水線以下線形和尺寸的精確性，還要保證水線以上線形和尺寸的精確性。在進(jìn)行船模航行試驗(yàn)時，模擬的是船舶滿載狀態(tài)，故除保證船舶水上上水線形和尺寸相似外，還考慮了船上集裝箱的尺寸和堆放情況，使之能夠基本反映出船舶受風(fēng)力影響后的航行狀態(tài)。

4 航道設(shè)計(jì)方案論證及優(yōu)化

4.1 二維潮流數(shù)學(xué)模型與船舶操縱仿真模擬

通過銅鼓航道北段潮流數(shù)值模擬計(jì)算和船舶航行仿真模擬試驗(yàn)及成果分析，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）船舶在漲（落）急流、風(fēng)浪較小時進(jìn)出港航行，銅鼓航道北段航道布置設(shè)計(jì)方案具有良好的通航條件。通航安全問題主要反映在兩個反向轉(zhuǎn)彎段，在風(fēng)浪大時，船舶過彎道操縱航態(tài)參數(shù)（漂角、航跡帶寬、控制能力）已接近和超出船舶與航道的適配程度。在7～8級橫風(fēng)、1.0m以上橫浪作用下，已不能適應(yīng)5萬t級集裝箱船安全雙向進(jìn)出港的要求。

（2）為了適應(yīng)5萬t級集裝箱船安全進(jìn)出港的要求，進(jìn)行了兩個修改方案的試驗(yàn)研究。其中修改方案二拓寬CDE彎道、減小CDE彎道的轉(zhuǎn)向角，同時將B彎道的大角度轉(zhuǎn)向改為兩次小角度轉(zhuǎn)向，并且減小了BC直線段與主流向、強(qiáng)風(fēng)強(qiáng)浪向的交角，有利于船舶的操縱安全（圖3）。試驗(yàn)表明：修改方案二通航條件良好。在不利的試驗(yàn)工況條件下，5萬t級集裝箱船雙向進(jìn)出港、10萬t級集裝箱船單向進(jìn)出港操縱順利，能夠滿足全天候安全進(jìn)出港的要求。

4.2 定床潮流物理模型和遙控自航船模試驗(yàn)

針對二維潮流數(shù)學(xué)模型與船舶操縱仿真模擬研究推薦的方案，在銅鼓航道北段定床潮流物理模型中開展了自航船模航行試驗(yàn)，以論證修改方案二的合理性，試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）在最不利的流態(tài)（枯季大潮落急）、無風(fēng)條件下，銅鼓航道北段航道布置修改方案二通航條件良好，5萬t級和10萬t級集裝箱船舶可以順利進(jìn)出。在7級大風(fēng)條件下，5萬t級和10萬t級集裝箱船舶也可以比較順利通過銅鼓航道北段，安全進(jìn)出港作業(yè)。在8級大風(fēng)條件下，5萬t級和10萬t級集裝箱船舶可以安全出港避風(fēng)。但在上述風(fēng)況條件下，船舶在兩個反向轉(zhuǎn)彎段過彎道時的舵角接近或達(dá)到滿舵，航行漂角也比較大，彎道段的航道寬度略顯不足。

（2）綜合二維潮流數(shù)學(xué)模型與船舶操縱仿真模擬試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為銅鼓航道北段線路布置修改方案二在設(shè)定的風(fēng)、流條件下，基本能夠滿足5萬t級和10萬t級集裝箱船舶安全通航的要求，因此修改方案二可以作為設(shè)計(jì)參考。但在兩個反向轉(zhuǎn)彎段，船舶要想順利過彎道，其舵角就需接近或達(dá)到滿舵，給船舶的實(shí)際操縱帶來難度。建議在航道設(shè)計(jì)時考慮一定的安全量，特別是增加兩個彎道折角處的寬度。

（3）由于5萬t級以上的集裝箱船受風(fēng)面積大，在航道內(nèi)航行時受風(fēng)的影響嚴(yán)重，應(yīng)加強(qiáng)船舶交通管理，避免大風(fēng)時在航道北段會船。

5 結(jié)語

（1）船舶在航道中航行，除了船舶本身的船型和操縱特性因素外，其航行操縱還受航線設(shè)置、流速流向、風(fēng)速風(fēng)向、波浪大小與方向等因素的綜合影響，這些因素構(gòu)成一個相互關(guān)聯(lián)、相互制約的整體，決定了航道的通航條件。

（2）運(yùn)用二維潮流數(shù)學(xué)模型、船舶操縱模擬器、定床潮流物理模型和遙控自航船模等多種手段相結(jié)合的方法，對航道布置方案及其通航條件進(jìn)行研究，并在試驗(yàn)中對風(fēng)、浪、流進(jìn)行了綜合模擬，更能反應(yīng)船舶在真實(shí)自然條件下的航行狀態(tài)，使得論證試驗(yàn)結(jié)果更加可靠。

（3）研究結(jié)果表明，風(fēng)是影響船舶操縱及航行的重要因素，特別是大風(fēng)（7～8級風(fēng)）天時，風(fēng)是影響船舶航行安全的主要因素。在確定航道寬度時，對風(fēng)的影響應(yīng)予以充分考慮。同時大風(fēng)天行船也應(yīng)采取相應(yīng)的安全保障措施，以保障船舶的航行安全。

［1］李一兵，王永成，袁章新.銅鼓航道改線方案航道北段通航條件數(shù)值模擬計(jì)算研究報(bào)告［R］.天津：交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2004.

［2］劉俊濤，黎國森，李一兵.銅鼓航道改線方案航道北段通航條件物理模型試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.天津：交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2005.

［3］趙月林.船舶操縱［M］.大連：大連海事大學(xué)出版社，2000.

［4］張永勝，蔡烽，周波，等.船舶受非均勻風(fēng)力的計(jì)算方法［J］.中國航海，2005（4）：61-64，74. ZHANG Y S，CAIF，ZHOU B，et al.The Computation of Random Wind Loads on Ships［J］.Navigation of China，2005（4）：61-64，74.

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［6］夏召丹，范佘明.船舶在風(fēng)浪流及限制航道中操縱性預(yù)報(bào)研究進(jìn)展［J］.船舶工程，2008，30（z1）：1-6. XIA ZD，F(xiàn)AN SM.Study Progress on the Prediction of Ship Maneuvering in wind&wave Current and Restricted Line［J］.Ship Engineering，2008，30（z1）：1-6.

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Simulation test research for container vessel navigation in crossw ind

LIYi-bing,LIXiao-xing
(Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China)

The northern section of Tonggu Channel connects with the fairway of Shenzhen western port area by an inverse S-shaped bend.To demonstrate the safety of navigation in the northern section of Tonggu Channel, a method of combining 2-D tidal flow mathematical model,ship maneuvering simulator,fixed bed tide physical model and remote control self-propelled ship model were applied for the first time.The test results show that, when the winds and waves are big,the channel dimension of the inverse S-shaped bend in original design plan cannot meet the demand for container ship with 50,000-ton class entering and leaving harbor safely in both ways. By changing the first bend with one big turning angle to two small turning angles,and increasing the channel width of the second bend,the navigation conditions of northern section of Tonggu Channel are improved markedly.In the worst test condition,container ship with 50,000-ton class can enter and leave harbor successfully in both ways.

container vessel;crosswind;navigation condition;simulation test;ship maneuvering simulator; self-propelled ship model

U 661.33

A

1005-8443（2013）05-0393-05

2013-01-05；

2013-03-06

李一兵（1961-），男，江西省撫州市人，研究員，主要從事港口、航道和通航工程研究。

Biography：LIYi-bing（1961-），male，professor.