船閘輸水過程閘室船舶系纜力數(shù)值模擬

陳 明，梁應(yīng)辰，宣國(guó)祥，陳明棟

（1重慶交通大學(xué) 國(guó)家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶400074；2中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部，北京100736；3南京水利科學(xué)研究院，南京 210029）

0 引 言

閘室船舶的停泊安全一直是船閘設(shè)計(jì)與管理最為關(guān)注的問題，而衡量船舶停泊條件的好壞，通常以船舶系纜力的大小予以判斷。研究閘室船舶系纜力，首先需考慮作用于過閘船舶錨泊系統(tǒng)上的水動(dòng)力荷載。船閘輸水過程中閘室船舶與水體間的相互作用系“浮體—水流耦合動(dòng)力響應(yīng)問題，即船閘灌泄水時(shí)，閘室船舶錨泊系統(tǒng)將受水流作用，同時(shí)船體隨閘室水位的升降而作上下運(yùn)動(dòng)，反過來船體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)必然引起船舶周圍流場(chǎng)、壓力等參數(shù)的變化。對(duì)于船舶與水體間的耦合動(dòng)力響應(yīng)研究，有不少學(xué)者做過相關(guān)工作，如海上工作平臺(tái)在波浪作用下的動(dòng)力響應(yīng)[1]、浮體和系泊浮體在波浪作用下的動(dòng)力響應(yīng)[2-3]、高速水流沖擊浮體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)[4-5]、錨泊在港的船舶系纜力計(jì)算[6]等。以上研究大多集中在波浪環(huán)境下浮體與流體間耦合作用的動(dòng)力響應(yīng)，這與船閘輸水過程“船舶—水流”間的耦合動(dòng)力響應(yīng)差異較大。原因在于，一方面船閘輸水時(shí)閘室內(nèi)水位、流速都隨時(shí)間變化而變化，船舶將受非恒定流作用；另一方面，船舶在閘室中的運(yùn)動(dòng)屬大位移問題，且運(yùn)動(dòng)區(qū)域?yàn)橄拗菩运颉Ｒ虼?，將已有的關(guān)于流固耦合動(dòng)力響應(yīng)研究方法直接運(yùn)用于閘室船舶的系纜力計(jì)算存在較大困難。

Jong等[7]研究了閘室內(nèi)涌浪對(duì)船舶的水動(dòng)力作用及船舶的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，并根據(jù)研究成果開發(fā)了閘室內(nèi)船舶縱向力的計(jì)算程序，該程序假定了船舶所受縱向力是由三個(gè)分力的疊加，即推進(jìn)波、均勻流和集中灌水形成的射流。Kalkwijk[8]建立了閘室船舶在水平面上的受力方程，但該方程僅適用于某一特定的船閘輸水系統(tǒng)。Natale等[9]針對(duì)閘門開孔的輸水系統(tǒng)、環(huán)形廊道輸水系統(tǒng)以及閘墻長(zhǎng)廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)，得出了閘室船舶含兩個(gè)自由度的振動(dòng)方程。由于該方程考慮了錨泊系統(tǒng)的阻尼系數(shù)，但未給出系數(shù)的具體取值，Stockstill[10-11]通過物理模型試驗(yàn)，分析討論了系數(shù)的計(jì)算公式，并建立了閘室系泊船舶的振動(dòng)方程。限于閘室船舶受力過程的復(fù)雜性，上述振動(dòng)方程的建立均假設(shè)了船舶浮力始終與重力平衡，這與船舶實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程不相符。此外，船舶橫向受力亦是閘室停泊條件的重要研究?jī)?nèi)容，但上述振動(dòng)方程只考慮了船舶的縱向受力。

本文基于“船舶—水流”間的耦合動(dòng)力響應(yīng)，建立船舶運(yùn)動(dòng)控制方程及縱向和橫向受力方程。利用FLUENT軟件，借助用戶自定義函數(shù)（UDF）編制閘室船舶系纜力并行計(jì)算程序，通過建立船閘整體輸水系統(tǒng)三維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行閘室船舶系纜力數(shù)值模擬研究，為快速、方便獲取閘室船舶的系纜力提供了可能。

1 模型試驗(yàn)條件與計(jì)算條件

選取的船閘輸水型式為帶格柵消能室的短廊道集中輸水系統(tǒng)（圖1），該船閘閘室有效尺寸為140 m×14 m×2.5 m（長(zhǎng)×寬×檻上最小水深），左右側(cè)廊道對(duì)稱布設(shè)，閥門最大工作水頭為9 m，閥門雙邊按7 min勻速開啟。結(jié)合船閘基本尺度，選擇?？坑陂l室中央的300 t級(jí)單體船舶作為研究對(duì)象。鑒于實(shí)際船舶的體型繁多，研究時(shí)將船體進(jìn)行一定的概化，其基本尺度為35.0 m×9.2 m×1.4 m（總長(zhǎng)×型寬×設(shè)計(jì)吃水）。

圖1 船閘輸水系統(tǒng)Fig.1 Shiplock filling system

2 物理模型

模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，比尺為1:36。模型設(shè)計(jì)總長(zhǎng)約為10 m，包括上游水庫、上游引航道、輸水系統(tǒng)、閘室以及船舶。上引航道水位采用溢流式平水槽控制，輸水閥門采用可無級(jí)調(diào)速的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)啟閉機(jī)控制，閘室水位變化過程利用電阻式點(diǎn)壓力傳感器測(cè)定。閘室船舶系纜力的量測(cè)，采用南京水利科學(xué)研究院研制的全環(huán)電阻式測(cè)試裝置。該裝置是先通過在船舶軸線上的首尾處分別選擇相應(yīng)測(cè)點(diǎn)，然后在船首的測(cè)點(diǎn)處安裝縱向和前橫向全環(huán)電阻式測(cè)力儀，在船尾的測(cè)點(diǎn)處安裝后橫向全環(huán)電阻式測(cè)力儀。測(cè)力儀是由測(cè)力環(huán)、矩形鋼圈及滾輪組成，其中測(cè)力環(huán)上貼有應(yīng)變片。測(cè)力儀安裝完畢后，將船舶安插在首尾的兩根垂向圓形立柱上，立柱與滾輪直接接觸并起到導(dǎo)向作用。當(dāng)船舶受水流作用時(shí)滾輪首先受力，同時(shí)經(jīng)矩形鋼圈將作用力傳至測(cè)力環(huán)上，隨之便引起測(cè)力環(huán)的變形，最后由采集系統(tǒng)對(duì)應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行采集處理。物理模型總體布置及閘室船舶系纜力測(cè)試裝置如圖2所示。

圖2 物理模型布置及船舶系纜力測(cè)試裝置Fig.2 Layout of laboratory model and experiment facility for hawser forces

3 數(shù)學(xué)模型

3.1 水流控制方程

對(duì)船閘輸水過程產(chǎn)生的三維非恒定流的模擬選用RNG k-ε紊流模型，該模型在粘性水動(dòng)力的研究中得到了廣泛應(yīng)用[12-13]，其方程組在此不再贅述。

3.2 船舶縱向和橫向受力方程

在不受任何邊界約束的情況下，船舶在自由面上的運(yùn)動(dòng)為六自由度問題。而停靠在閘室中的船舶，為防在水流作用下發(fā)生撞墻、翻滾等海損事故，需通過纜繩將其系于浮式系船柱上以束縛船舶在水平面上的平動(dòng)和沿豎向的轉(zhuǎn)動(dòng)。船舶受到纜繩的約束后僅剩下三個(gè)自由度，即縱搖、橫搖以及沿豎向的平動(dòng)。一般而言，閘室水面波動(dòng)在輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮一定的控制，因此縱搖和橫搖并不明顯，而參與最為顯著的運(yùn)動(dòng)為沿水面升降的平動(dòng)過程。為簡(jiǎn)化計(jì)算，建立船舶的受力方程時(shí)，只考慮船舶沿豎向平動(dòng)過程的“船舶—水流”耦合動(dòng)力響應(yīng)。

船閘灌水時(shí)閘室船舶將受到水流和邊界約束的共同作用。其中，水流作用力可通過水壓力（含靜水壓力和動(dòng)水壓力）和粘滯力來描述。為更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的驗(yàn)證，本文采用的船舶約束邊界條件與物理模型試驗(yàn)裝置一致。邊界約束力包括縱向約束力、前橫向和后橫向約束力。在此需說明的是，由于這三種約束力與船舶受纜繩的拉力作用效果相當(dāng)，因而在模型實(shí)試驗(yàn)中通常將縱向約束力、前橫向和后橫向約束力分別視為縱向系纜力、前橫向和后橫向系纜力。由此，便可得出船舶在水平面（XZ平面）上的受力情況（圖3）：船舶受到縱向系纜力FL、前橫向系纜力FT1和后橫向系纜力FT2、縱向水壓力Fpx和橫向水壓力Fpz、縱向粘滯力Fvx和橫向粘滯力Fvz。若將水流作用力均移至船舶質(zhì)心時(shí)，則同時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的力矩Mpy和Mvy。水流作用力的計(jì)算如下：

式中：px、pz分別為船舶任意表面上的水壓力在 x、z方向上的分量；As為船舶表面；τx、τz分別為船舶任意表面上的粘滯應(yīng)力在x、z方向上的分量；（x0，y0，z0）為船舶質(zhì)心坐標(biāo)；（x，y，z）為船舶表面上任意一點(diǎn)坐標(biāo)。

根據(jù)船舶在XZ平面上的受力平衡，可建立以下表達(dá)式：

在上式中，水流作用力可根據(jù)剖分的船體網(wǎng)格采用數(shù)值積分求出，則僅剩三個(gè)未知數(shù)，即縱向系纜力FL、前橫向系纜力FT1和后橫向系纜力FT2。因此，通過方程組便可求出船舶所受的縱、橫向系纜力。

圖3 船舶在水平面及豎直面上的受力圖Fig.3 All forces on horizontal and longitudinal section of vessel

3.3 船舶運(yùn)動(dòng)控制方程

船閘灌水時(shí)，船舶必然隨閘室水位的上升而上升，一旦閘室水位上升，則船舶浸水面積加大，勢(shì)必引起船體所受浮力增加，從而打破原有平衡狀態(tài)或改變?cè)屑铀俣?。因此，船舶總體上沿豎向（y方向）做變加速的上升運(yùn)動(dòng)。由于船舶與立柱間的摩擦力較小，研究中可忽略不計(jì)，由此可作出船舶在豎直方向上的受力圖（圖3）。根據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律，可建立相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制方程：

3.4 數(shù)值計(jì)算

3.4.1 數(shù)值方法

本文應(yīng)用FLUENT大型流體力學(xué)計(jì)算平臺(tái)，對(duì)閘室船舶系纜力進(jìn)行數(shù)值模擬。針對(duì)閥門開啟和船舶運(yùn)動(dòng)采用動(dòng)網(wǎng)格模塊；對(duì)RNG k-ε紊流模型方程組采用控制體積法進(jìn)行離散，壓力和速度的耦合求解利用SIMPLEC算法；對(duì)固壁邊界采用壁面函數(shù)法；閥門井及閘室自由液面采用水汽兩相流的VOF模型處理；對(duì)船舶的運(yùn)動(dòng)控制及系纜力的計(jì)算程序采用用戶自定義函數(shù)（UDF）進(jìn)行編寫。為避免因船舶運(yùn)動(dòng)速度的過快而導(dǎo)致網(wǎng)格在重構(gòu)時(shí)出現(xiàn)負(fù)體積，計(jì)算過程中對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)速度及其運(yùn)動(dòng)方向上的水流作用力進(jìn)行時(shí)均化處理，即將整個(gè)計(jì)算時(shí)間劃分為若干個(gè)運(yùn)動(dòng)時(shí)段，在每個(gè)運(yùn)動(dòng)時(shí)段內(nèi)均作勻速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)前時(shí)段內(nèi)的速度大小為上一時(shí)段內(nèi)的速度值與作時(shí)均處理后的速度變化值之代數(shù)和，其計(jì)算公式見（6）式?？紤]不影響計(jì)算結(jié)果的精度，本文選取每20個(gè)計(jì)算步為一個(gè)運(yùn)動(dòng)時(shí)段，則運(yùn)動(dòng)時(shí)段總數(shù)ns=tt/20，其中tt為總時(shí)間步數(shù)。

實(shí)現(xiàn)船閘輸水全過程的閘室船舶系纜力數(shù)值模擬，不僅需建立整體輸水系統(tǒng)三維數(shù)學(xué)模型，且要考慮工作閥門和船舶在同一模型中的多體運(yùn)動(dòng)。由此則帶來了計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量龐大，同時(shí)還牽涉到大量的網(wǎng)格更新，普通PC機(jī)尚難于完成計(jì)算任務(wù)。為此，本文采用多處理器的工作站同時(shí)調(diào)用16個(gè)CPU進(jìn)行并行計(jì)算，從而提高了計(jì)算效率，縮短了計(jì)算時(shí)間。

3.4.2 網(wǎng)格剖分及邊界條件

為兼顧計(jì)算精度和減小計(jì)算量，網(wǎng)格剖分時(shí)將閘室區(qū)域劃分成多塊區(qū)域，其中在閥門段、廊道進(jìn)出口區(qū)域以及船舶動(dòng)區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分并進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，其余較規(guī)則的區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分。船體表面網(wǎng)格見圖4。整個(gè)計(jì)算區(qū)域剖分的網(wǎng)格單元總數(shù)約為124萬個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)約為36萬個(gè)，網(wǎng)格剖分見圖5。進(jìn)口邊界施加沿水深分布的靜水壓力，兩側(cè)閥門井水體與大氣相通，采用空氣壓力進(jìn)口，閘室出流同樣與大氣相通，采用空氣壓力出口，兩側(cè)工作閥門的開啟過程采用動(dòng)邊界處理。

圖4 船體表面網(wǎng)格Fig.4 Computation grid on the ship surface

圖5 網(wǎng)格剖分及邊界條件Fig.5 Grid generation and boundary conditions

圖6 船舶運(yùn)動(dòng)速度變化Fig.6 Computed time series of vessel velocity

圖7 船舶位移與閘室水位比較Fig.7 Time series of curves of vessel displacement and water surface elevation

4 數(shù)值計(jì)算與模型試驗(yàn)結(jié)果的比較

4.1 船舶運(yùn)動(dòng)過程

圖6為計(jì)算程序記錄的船舶運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)間的變化情況，在整個(gè)灌水過程中船舶的運(yùn)動(dòng)速度基本上是處于增減的交替變化狀態(tài)，即做變加速的上升運(yùn)動(dòng)。盡管速度的變化存在瞬態(tài)性，但從整體趨勢(shì)上看是呈先增加后減小的變化特性，在船閘灌水初期和末期上升速度較慢，在灌水中期上升速度較快，其中最大值達(dá)0.036 4 m/s。從船舶質(zhì)心豎向位移曲線與閘室水位實(shí)測(cè)變化過程線間的比較（圖7）可以看出，兩條曲線整體上處于平行狀態(tài)，由此表明船舶上升過程與閘室水位的變化基本同步，這與船舶實(shí)際過閘過程一致。因此分析認(rèn)為，通過采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，基于“浮體—水流”耦合動(dòng)力響應(yīng)所提出的船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)值方法是合理可行的。

4.2 船舶系纜力

圖8比較了船舶縱向系纜力數(shù)值計(jì)算與實(shí)測(cè)值的過程線，由圖可知，在灌水初期（0～170 s），兩者的變化特性和變化幅值吻合良好，均出現(xiàn)了3次明顯的周期性變化，且周期逐漸減小，其中在T=32 s時(shí)出現(xiàn)了第一次波谷，計(jì)算值為-4.9 kN，實(shí)測(cè)值為-4.0 kN；在灌水中期（170～395 s），縱向系纜力沿FL=0軸上下振蕩，仍然呈周期性變化且波形較為復(fù)雜；在灌水后期（395 s之后），實(shí)測(cè)值主要偏向于正向值，在該時(shí)段內(nèi)，盡管兩者過程線的變化特性存在一定差異，但均具有逐步向零值靠攏的趨勢(shì)?？v向系纜力出現(xiàn)上述變化特性，原因在于灌水初期閘室水位較低，水流進(jìn)入閘室時(shí)容易引起閘室水面的傾斜，從而激發(fā)水面周期性的長(zhǎng)波運(yùn)動(dòng)，由此引起的船舶受力主要為正向（x正向）波浪力，則船舶縱向系纜力方向自然為x負(fù)向。在灌水中期船舶受水流局部力與波浪力的共同作用，此時(shí)存在正向波和反射波的多重疊加，從而導(dǎo)致了船舶受到了復(fù)雜的水流作用。之后，隨著輸水流量的下降，閘室斷面流速逐漸減小，閘室水面在縱向上以擺動(dòng)為主，無明顯的水力坡降，船舶受力以水流局部力為主，且正向和負(fù)向的水流作用相當(dāng)。到達(dá)灌水末期，水面波動(dòng)趨于平穩(wěn)，水流作用力逐步向零值衰減。

圖8 縱向系纜力計(jì)算與實(shí)測(cè)過程線Fig.8 Computed and observed time series of longitudinal hawser force

圖9 船舶橫向系纜力計(jì)算與實(shí)測(cè)過程線Fig.9 Computed and observed time series of transverse hawser forces

圖9比較了船舶橫向系纜力的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的過程線，由圖可知，計(jì)算得出的船舶前橫向系纜力和后橫向系纜力的變化曲線均基本在軸FT=0上下振蕩，該變化特性與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致。在量值上，在個(gè)別時(shí)段內(nèi)實(shí)測(cè)值大于計(jì)算值，其余時(shí)段兩者均吻合良好。

由以上對(duì)比分析可知，縱向和橫向系纜力的實(shí)測(cè)值在個(gè)別時(shí)段內(nèi)大于計(jì)算值。分析其原因，一方面是由于試驗(yàn)過程中啟閉機(jī)運(yùn)行時(shí)偶爾發(fā)出較強(qiáng)的電磁信號(hào)干擾了應(yīng)變信號(hào)的采集質(zhì)量，另一方面是由于建立船舶受力方程時(shí)只考慮了船舶沿豎向平動(dòng)的單自由度運(yùn)動(dòng)所致。但綜合上述對(duì)比成果，計(jì)算結(jié)果在整體上達(dá)到了較好的精度要求，尤其是在船閘灌水初期，船舶縱向系纜力的吻合程度較高。因此，本文提出的數(shù)值模擬方法是合理可行的，可用于閘室船舶系纜力研究。

5 算 例

基于上述計(jì)算條件，針對(duì)格柵消能室內(nèi)有無設(shè)置輔助消能工進(jìn)行閘室船舶系纜力數(shù)值模擬研究。輔助消能工的布設(shè)方法是在消能室內(nèi)對(duì)稱布置縱向消力檻和階梯式消力梁，同時(shí)在每個(gè)頂面格柵孔下方設(shè)置“T”形橫截面的縱向消力擋板，見圖10。由于停泊位置對(duì)船舶的受力影響較大，本次計(jì)算采用的停泊位置為閘室上半?yún)^(qū)域且靠右閘墻。

圖10 輔助消能工三維立體圖Fig.10 3D stereogram of auxiliary energy dissipaters

圖11 船舶縱向系纜力過程線比較Fig.11 Comprison of computed and observed time series of longitudinal hawser force

圖12 船舶橫向系纜力過程線比較Fig.12 Comprison of computed and observed time series of transverse hawser forces

對(duì)于集中輸水而言，船舶的主要受力階段在船閘灌水初期，圖11～12給出了船閘灌水前200 s的船舶系纜力過程線。由圖11可知，布設(shè)輔助消能工前后縱向系纜力的過程線總體上未出現(xiàn)明顯的差異。從橫向系纜力過程線的對(duì)比情況（圖12）來看，布設(shè)輔助消能工前后前橫向系纜力和后橫向系纜力均基本沿FT=0軸上下振蕩，但兩者幅值的變化存在一定的差異，其中在輔助消能工布設(shè)前，前橫向系纜力的變化范圍為-1.82～1.63 kN，后橫向系纜力的變化范圍為-1.81～1.72 kN；輔助消能工布設(shè)后，前橫向系纜力的變化范圍為-1.23～1.25 kN，后橫向系纜力的變化范圍為-1.24～1.24 kN。由此可知，輔助消能工布設(shè)后較布設(shè)前降低了28%左右。以上計(jì)算結(jié)果表明，輔助消能工的功能主要體現(xiàn)在對(duì)閘室橫向流速均勻分布的調(diào)整上，為閘室船舶提供了較為均勻的流場(chǎng)環(huán)境，減小了船閘左右側(cè)的動(dòng)水壓力差和局部水流力，從而達(dá)到了降低橫向系纜力的目的。

6 結(jié) 論

本文針對(duì)帶格柵消能室的船閘集中輸水系統(tǒng)，以300 t級(jí)單船為研究對(duì)象，開展了灌水過程的閘室船舶系纜力數(shù)值模擬研究，得出以下主要結(jié)論：

（1）基于“船舶—水流”耦合動(dòng)力響應(yīng)，建立了船舶縱向和橫向受力方程及其運(yùn)動(dòng)控制方程。通過充分利用FLUENT軟件提供的用戶自定義函數(shù)功能，實(shí)現(xiàn)了閘室船舶系纜力的并行計(jì)算。將計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，本文提出的數(shù)值計(jì)算方法具有良好的精度，可用于閘室船舶系纜力研究，為下一步考慮更為全面和更為復(fù)雜的船舶三自由度運(yùn)動(dòng)的系纜力數(shù)值模擬打下了基礎(chǔ)；

（2）由船舶系纜力過程線的變化規(guī)律可知，船舶縱向受力主要發(fā)生在灌水初期，此階段的水流作用力主要由坡降力組成，船舶橫向上的水流作用力主要由動(dòng)水壓力差和局部水流力組成。因此，對(duì)于集中輸水系統(tǒng)而言，應(yīng)采取工程措施控制好灌水初期的水面坡降和調(diào)整閘室流場(chǎng)的均勻分布，以達(dá)到減小船舶系纜力的目的；

（3）通過對(duì)消能室內(nèi)有無設(shè)置輔助消能工情形下的閘室船舶系纜力數(shù)值模擬，研究表明在消能室內(nèi)采用消力檻、消力梁和消力擋板的組合式布置方式，可有效降低船舶橫向系纜力。研究成果對(duì)類似工程的設(shè)計(jì)和建設(shè)具有重要的指導(dǎo)意義。

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