西江船隊(duì)阻力性能模型試驗(yàn)

汪皓，陳順懷

(武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，武漢 430063)

?

西江船隊(duì)阻力性能模型試驗(yàn)

汪皓，陳順懷

(武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，武漢 430063)

針對(duì)西江干線貨運(yùn)現(xiàn)狀，對(duì)由2艘機(jī)動(dòng)船構(gòu)成的運(yùn)輸船隊(duì)進(jìn)行模型阻力試驗(yàn)。試驗(yàn)包含5種不同船舶編隊(duì)方案，系列分析頂推船隊(duì)和綁拖船隊(duì)的阻力特性。試驗(yàn)結(jié)果表明，在航速低于10 km/h時(shí)頂推船隊(duì)阻力性能較差，綁拖船隊(duì)兩船錯(cuò)位0.4倍船長和錯(cuò)位0.6倍船長阻力性能較優(yōu)，優(yōu)于兩船錯(cuò)位0.2倍船長綁拖和兩船并排綁拖。建議西江干線船隊(duì)運(yùn)輸應(yīng)結(jié)合船舶及航道實(shí)際情況，采用2船錯(cuò)位0.4～0.6倍船長的綁拖隊(duì)形。

頂推船隊(duì)；綁拖船隊(duì)；阻力性能

針對(duì)傳統(tǒng)的駁船隊(duì)運(yùn)輸存在著船隊(duì)規(guī)模較大，編解隊(duì)技術(shù)復(fù)雜，運(yùn)輸組織要求高等問題，結(jié)合西江干線船舶運(yùn)輸基本條件，提出由2艘機(jī)動(dòng)船舶構(gòu)成船隊(duì)運(yùn)輸。該方案編解隊(duì)技術(shù)簡單易行，運(yùn)輸組織靈活；同時(shí)，該船隊(duì)運(yùn)輸方式，不僅能合理分配西江船舶運(yùn)力，而且能有效降低船舶營運(yùn)成本，有著其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。目前內(nèi)河運(yùn)輸船隊(duì)相關(guān)研究多集中于駁船隊(duì)[1-3]，其中，有研究提出將不對(duì)稱雙艉鰭、魚尾組合舵等多項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)動(dòng)駁頂推船隊(duì)以提高船隊(duì)運(yùn)輸效率[4]；有研究長江中游大型頂推船隊(duì)的操縱性能參數(shù),分析影響大型頂推船隊(duì)航行安全的幾項(xiàng)重要操縱性能，并提出大型頂推船隊(duì)的幾種典型操船方法[5]；研究非成隊(duì)編組分節(jié)船隊(duì)的阻力、推進(jìn)和操縱性能，并提出優(yōu)化隊(duì)形[6]。未見針對(duì)由一般運(yùn)輸船舶構(gòu)成船隊(duì)的研究。由于一般運(yùn)輸船舶的線型并未考慮船隊(duì)運(yùn)輸?shù)那闆r，因此在組成船隊(duì)運(yùn)輸時(shí)，各船之間流場(chǎng)影響與專用駁船隊(duì)很不一樣，故需要進(jìn)行不同編隊(duì)方案的阻力試驗(yàn)研究，最終得到阻力性能較好的編隊(duì)方案。以西江某主流貨船為研究對(duì)象，對(duì)由2艘該型貨船組成的船隊(duì)進(jìn)行模型阻力試驗(yàn)，對(duì)不同隊(duì)形的阻力性能進(jìn)行分析，為西江船隊(duì)運(yùn)輸?shù)耐茝V提供參考。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图胺桨?/h2>

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

模型試驗(yàn)在武漢理工大學(xué)船模拖曳水池進(jìn)行。武漢理工大學(xué)船模拖曳水池是國際拖曳水池會(huì)議(ITTC)的成員，水池長132.00 m、寬10.40 m、深2.00 m；水池拖車速度范圍0.06～7.00 m/s。車速在0.06～1.00 m/s范圍內(nèi)，其穩(wěn)速精度為±1.0 mm/s；車速在>1.00～7.00 m/s范圍內(nèi)，其穩(wěn)速精度為±0.1%；阻力試驗(yàn)采用應(yīng)變式電測(cè)阻力儀R35進(jìn)行測(cè)量，其量程為240 N，精度為±0.1%。

試驗(yàn)采用1∶15為縮尺比制作船模。船體模型為木質(zhì)噴漆，表面光潔，并在船模9.5站處安裝激流絲(直徑=1 mm)。模型加工精度符合CB/Z326—1982號(hào)指導(dǎo)技術(shù)文件中對(duì)模型加工精度要求。試驗(yàn)?zāi)Ｐ图皩?shí)船主要參數(shù)見表1，橫剖面見圖1。

表1 模型及實(shí)船主要參數(shù)

圖1 船模橫剖面圖

1.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)采用自由拖曳法測(cè)量了單船及5種不同隊(duì)形的船模阻力，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，同時(shí)采用二因次換算預(yù)報(bào)實(shí)船阻力和有效功率，然后計(jì)算得到各編隊(duì)隊(duì)形的編隊(duì)系數(shù)[7]。采用5種不同隊(duì)形包括頂推和綁拖，分別為一頂一頂推隊(duì)形、2船并排綁拖隊(duì)形A、錯(cuò)位20%倍船長(14 m)綁拖隊(duì)形B、錯(cuò)位40%船長(28 m)綁拖隊(duì)形C、錯(cuò)位60%船長(42 m)綁拖隊(duì)形D，見圖2。

圖2 船模試驗(yàn)采用的隊(duì)形方案

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

由于船隊(duì)試驗(yàn)中存在非對(duì)稱隊(duì)形，因此以排水體積傅勞德Fr替換船長傅勞德FrL對(duì)船模試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二因次換算[8]；同時(shí)考慮到綁拖隊(duì)形試驗(yàn)中，船隊(duì)模型總寬較大，達(dá)到2.084 m，池壁影響不可忽視[9]，故采用上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所的修正公式[10]，根據(jù)阻塞效應(yīng)對(duì)綁拖船隊(duì)試驗(yàn)的船模速度進(jìn)行修正。

推導(dǎo)得到阻塞系數(shù)m為

(1)

式中：Am為船模中橫剖面面積；b為水池寬度；h為水池水深。計(jì)算得到m=0.029 5。

船模修正速度ΔV為

(2)

式中：V為船模速度；k為修正系數(shù)，取k=1.029；FnH為水深傅勞德。

試驗(yàn)結(jié)果見圖3～5。

圖3 剩余阻力系數(shù)曲線Cr

由圖3可知：

1)在頂推隊(duì)形下，頂推船隊(duì)的剩余阻力系數(shù)較單船有明顯增大。隨著Fr的增大，頂推船隊(duì)的剩余阻力系數(shù)增幅呈遞減趨勢(shì)，在Fr=0.060 5～0.304 9范圍內(nèi)，頂推船隊(duì)的剩余阻力系數(shù)增幅從87.53%減小至32.84%。

2)在綁拖隊(duì)形A和綁拖隊(duì)形B下，綁拖船隊(duì)的剩余阻力系數(shù)變化趨勢(shì)與單船剩余阻力系數(shù)變化趨勢(shì)一致，但較單船有所增大，且綁拖隊(duì)形A的增幅更大。在Fr=0.060 5～0.304 9范圍內(nèi)，綁拖船隊(duì)A的剩余阻力系數(shù)增幅從12.96%增大至58.23%，綁拖船隊(duì)B的剩余阻力系數(shù)增幅從2.72%增大至46.88%。

3)在綁拖隊(duì)形C和綁拖隊(duì)形D下，當(dāng)Fr<0.2時(shí)，剩余阻力系數(shù)隨著數(shù)Fr的增大而增大，當(dāng)Fr達(dá)到0.20后，剩余阻力系數(shù)呈下降趨勢(shì)。在Fr=0.222 9～0.304 9范圍內(nèi)，綁拖船隊(duì)A的剩余阻力系數(shù)增幅從25.26%下降至7.64%，綁拖船隊(duì)B的剩余阻力系數(shù)增幅從6.45%下降至-3.59%。

圖4 實(shí)船摩擦阻力系數(shù)曲線

由圖4可知，頂推隊(duì)形和A，B，C，D 4種綁拖隊(duì)形的實(shí)船摩擦阻力系數(shù)較于單船都有所下降。其中，頂推隊(duì)形實(shí)船摩擦阻力系數(shù)下降最為明顯，減幅為9.94%～11.17%；綁拖隊(duì)形C與綁拖隊(duì)形D的實(shí)船摩擦阻力系數(shù)基本保持一致，減幅為5.75%～6.54%；實(shí)船摩擦阻力系數(shù)下降相對(duì)較小則是綁拖隊(duì)形B和綁拖隊(duì)形A，減幅分別為3.91%～4.41%和1.47～1.63%。

圖5 實(shí)船總阻力系數(shù)曲線Cts

由圖5可知：

1)船隊(duì)的總阻力系數(shù)變化趨勢(shì)與其剩余阻力系數(shù)變化趨勢(shì)保持一致。

2)頂推隊(duì)形、綁拖隊(duì)形A和B的總阻力系數(shù)相比于單船都有所增加，在Fr=0.060 5～0.304 9范圍內(nèi)，頂推隊(duì)形總阻力系數(shù)增幅從50.86%減小至15.84%，綁拖隊(duì)形A總阻力系數(shù)增幅從7.55%增大至33.50%，綁拖隊(duì)形B總阻力系數(shù)增幅從0.30%增大至26.04%；

3)綁拖隊(duì)形C和D在低Fr情況下的總阻力系數(shù)優(yōu)于單船，隨著Fr增加，其總阻力系數(shù)呈先增加后減小的變化趨勢(shì)。綁拖隊(duì)形C的總阻力系數(shù)增幅在Fr=0.060 5～0.182 1范圍內(nèi)，從-21.32%增大至13.04%，隨著Fr繼續(xù)增大至0.3049，總阻力系數(shù)增幅逐步減小至2.44%；綁拖隊(duì)形D的總阻力系數(shù)增幅在Fr=0.060 5～0.222 9范圍內(nèi)，從-42.60%增大至1.30%，隨著Fr繼續(xù)增大至0.304 9，總阻力系數(shù)增幅逐步減小至-4.05%。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果預(yù)報(bào)各編隊(duì)有效功率見表2。

表2 實(shí)船有效功率Pe預(yù)報(bào)

以2倍單船有效功率為基準(zhǔn)，計(jì)算得到各隊(duì)形的編隊(duì)系數(shù)見圖6。

圖6 船隊(duì)編隊(duì)系數(shù)曲線

由圖6可知：

1)頂推隊(duì)形的編隊(duì)系數(shù)隨著航速增加而減??；綁拖編隊(duì)A和B的編隊(duì)系數(shù)變化趨勢(shì)相似，隨著航速增加而增大，且編隊(duì)B的編隊(duì)系數(shù)略小于編隊(duì)C；綁拖編隊(duì)C和D的編隊(duì)系數(shù)變化趨勢(shì)相似，當(dāng)航速Vs<9.332 km/h時(shí)，編隊(duì)系數(shù)隨著航速的增加而增大，當(dāng)航速Vs>9.332 km/h之后，編隊(duì)系數(shù)則隨著航速增大而減小。

2)綁拖編隊(duì)D的阻力性能最優(yōu)，其編隊(duì)系數(shù)范圍0.6～1.0，其次是綁拖編隊(duì)C，其編隊(duì)系數(shù)范圍0.81～1.11；綁拖編隊(duì)A的阻力性能略優(yōu)于綁拖編隊(duì)B，其編隊(duì)系數(shù)范圍分別是1.07～1.22和1.02～1.17；頂推隊(duì)形編隊(duì)系數(shù)范圍為1.59～1.10，在航速較低的情況下，其編隊(duì)系數(shù)較大。

3 結(jié)論

1)頂推隊(duì)形在低航速下，其阻力性能表現(xiàn)較差，隨著航速的提高，其阻力性能有所提升，但仍不理想，不適合用于西江船隊(duì)運(yùn)輸。

2)綁拖隊(duì)形在2船錯(cuò)位不超過0.2倍船長時(shí)，其阻力性能隨著航速的增加而不斷變差，主要是由于在航速較大式，長寬比偏小致使剩余阻力迅速增大。

3)綁拖隊(duì)形在兩船錯(cuò)位超過0.4倍船長時(shí)，表現(xiàn)出較好的阻力性能，在低航速下的阻力性能優(yōu)于單船，隨著航速的增加，船隊(duì)總阻力系數(shù)先是接近單船，隨后又低于單船，總體呈拋物線趨勢(shì)。

綜上所述，建議結(jié)合船舶以及航道實(shí)際情況采用2船錯(cuò)位0.4～0.6倍船長的綁拖隊(duì)形作為西江船隊(duì)運(yùn)輸?shù)年?duì)形。

[1] 徐鳴.分節(jié)駁頂推船隊(duì)在長江集裝箱運(yùn)輸中的應(yīng)用研究[D].上海：上海海事大學(xué),2005.

[2] 梁洪.瀾滄江—湄公河船型船隊(duì)研究通過鑒定[J].珠江水運(yùn),1997(4):33.

[3] 呂自強(qiáng).湘江鹵水頂推船隊(duì)的技術(shù)進(jìn)步[J].湖南交通科技,1996(1):61-63.

[4] 錢徐濤.江西綜合節(jié)能機(jī)動(dòng)駁頂推船隊(duì)研究[J].交通節(jié)能與環(huán)保,1999(4):3-7.

[5] 楊亞東.長江大型頂推船隊(duì)操縱性能的研究[J].交通科技,2001(3):56-58.

[6] 滕淑華,劉恒茂.非成對(duì)編組分節(jié)船隊(duì)的優(yōu)化隊(duì)形[J].船海工程,1995(3):12-17.

[7] 楊大明,尹赟凱,施奇,等.某型低速船模型阻力試驗(yàn)研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2010,10(13):3296-3297.

[8] 盛振邦 劉應(yīng)中.船舶原理.上冊(cè)[M].上海：上海交大出版社,2005.

[9] 施奇,楊大明,尹赟凱.船模拖曳水池靜水阻力比對(duì)試驗(yàn)研究[J].江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,25(4):312-314.

[10] 謝克振,周占群,宋家瑾,等.水池阻塞效應(yīng)的試驗(yàn)探討[J].上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所學(xué)報(bào),1978(2):3-29.

Experimental Study on the Resistance Performance of Xijiang River Barges Train Model

WANG Hao, CHEN Shun-huai

(School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

The resistance performance of the pushing ships train and ships train towed alongside composed of two motor ships was studied experimentally. The test results indicated that the resistance performance of the pushing ships train is relatively poor, particularly in the speed of less than 10 km/h; the resistance performance of ships train towed alongside at a distance of 40% ship length or 60% ship length is better than ships train towed alongside abreast or at a distance of 20% ship length. Considering the situation of ship and channel, ships train towed alongside at a distance from 40% to 60% ship length is appropriate to Xijiang barge train transportation.

pushing ships train; ships train towed alongside; resistance performance

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.021

2016-12-13

廣西交通廳科技項(xiàng)目

汪皓(1992—)，男，博士生

研究方向：船舶布置優(yōu)化技術(shù)及船舶現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法

U661.3

A

1671-7953(2017)04-0094-04

修回日期：2016-12-26