不同水深條件下的VLCC停船性能仿真研究

張德興 北部灣大學(xué)海運學(xué)院

程義峰 重慶市涪陵區(qū)港航管理局

1.引言

世界工業(yè)的快速發(fā)展離不開能源，石油作為一種主要的能源形式，需求量日益在增大。由于VLCC船舶具有載重量大，相對運輸成本低廉的特點，逐漸成為石油運輸?shù)闹髁Υ?。然而正是因為VLCC由于載重量大、吃水大，尺度長、慣性大的特點，其在航行中尤其是進(jìn)出港等水深受限情況下面臨著更大的碰撞風(fēng)險。VLCC碰撞事故一旦發(fā)生將會帶來巨大的經(jīng)濟損失和環(huán)境損害。船舶碰撞事故的發(fā)生在多數(shù)情況下都是由于駕駛員對操縱性的掌握不慎所致，這其中的停船性能起著關(guān)鍵的作用。充分了解VLCC船舶停船性能對尤其在受限水域條件下對船舶安全有重要意義。目前針對停船性能研究多基于平吃水條件，本文基于模擬器，對該類型船舶在不同水深條件下的停船性能進(jìn)行仿真模擬，探究了水深與其停船性能直接的內(nèi)在聯(lián)系。

2.不同水深條件下的VLCC停船模擬

2.1 模擬器介紹

本論文基于TRASAS船舶操縱模擬器完成，模擬器主要由建模部分和操縱部分構(gòu)成。建模部分又有場景建模部分Scen Editor和船舶建模部分model editor組成，場景建模部分主要負(fù)責(zé)虛擬船舶海上實驗場地的建立和實驗條件的編輯，后者負(fù)責(zé)模擬船舶的建立。操縱部分為NTPRO 5000型操船系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有7個可視化視景通道和動態(tài)聲像功能的360度三維視景空間，能夠使操縱著具有較好的模擬真實感，即物理真實感、環(huán)境真實感和物理真實感。模擬器主要部分如圖1所示。

圖1 模擬器各部分

表1 船舶參數(shù)

2.2 仿真船舶參數(shù)

本文的研究對象為一艘滿載狀態(tài)下的VLCC船舶，通過建模工具完成了該船的幾何建模和運動模型建模。船舶幾何參數(shù)見表1，幾何模型見圖2。

2.3 仿真實驗方案

本文研究目的在于探究水深變量對船舶船舶停船性能的影響，故而實驗方案設(shè)定時使用控制變量法，除水深變化外，其他條件不變，無風(fēng)無流，開敞水域。水深變量采用h/d的無量綱數(shù)值，選取水深時考慮根據(jù)國際操船規(guī)范中有關(guān)淺水的定義，本文選取將h/d從1.1到2.5區(qū)間作為研究范圍，對該范圍內(nèi)不同水深條件下的停船過程進(jìn)行了仿真模擬。

圖2 船舶模型

3.不同水深條件下的VLCC停船性能分析

3.1 縱向進(jìn)距與水深關(guān)系的分析

仿真實驗得出了船舶在不同水深條件下的停船縱向進(jìn)距數(shù)據(jù)，為了結(jié)果的普適性，將縱向進(jìn)距與船長相比得到了其無量綱值，圖3中橫坐標(biāo)為水深吃水比，縱坐標(biāo)為縱向進(jìn)距與船長之比。通過圖表可以看出隨著水深的增加VLCC的停船縱向進(jìn)距之間變小，縱向進(jìn)距與水深成反相關(guān)的關(guān)系。同時可以看出水深吃水比小于1.5時，水深對縱向進(jìn)距的影響相對較小，大于1.5以后大幅度下降，水深對縱向進(jìn)距的影響變得明顯，最終隨著水深的增加趨于不變。

3.2 橫向偏移量與水深關(guān)系的分析

橫向偏移量表征船舶停船過程的所需橫向水域大小，對船舶避碰決策有重要意義。通過仿真實驗數(shù)據(jù)的處理，得到了VLCC船舶在不同水深條件下的停船橫向偏移量，同樣對橫向偏移量進(jìn)行了無量綱處理，在圖4中橫坐標(biāo)為水深吃水比，縱坐標(biāo)為橫向偏移量和船長之比。通過圖4可以看出，對于右旋固定螺距螺旋槳船舶，隨著水深的不斷增加，VLCC的橫向偏轉(zhuǎn)方向由右偏轉(zhuǎn)逐漸變?yōu)樽笃?，?dāng)水深吃水比小于1.5時，船舶橫向偏移量向右，并隨著水深增加而變??；水深吃水比大于1.5后，船舶橫向偏移量向左，并隨著水深的增加左偏量逐漸增加，最終趨于穩(wěn)定。

3.3 速度變化與水深關(guān)系的分析

圖3 縱向進(jìn)距與水深關(guān)系圖

圖4 橫向偏移量與水深關(guān)系圖

圖5 速度變化與水深關(guān)系圖

停船過程中船舶速度的變化率大小在一定成程度體現(xiàn)了船舶停船性能的優(yōu)劣，對于避碰距離的選取至關(guān)重要。如圖5所示，圖中橫坐標(biāo)為停船過程的時間點，縱坐標(biāo)為船舶縱向速度。通過圖表可以發(fā)現(xiàn)水深對速度的下降速率有一定影響，在停車的初始階段水深對速度下降速率影響不大，后續(xù)隨著水深的增加速度下降速率逐漸增加，即水深越大船舶的速度變化率越大，停船效果越好。

3.4 航向變化量與水深關(guān)系的分析

航向變化量體現(xiàn)出船舶的保向性能，停船實驗開始時船舶的航向為000，故航向變化量即為船舶停止運動時的船舶航向。通過仿真實驗獲取了不同水深條件下的航向變化量，如圖6所示，圖中橫坐標(biāo)為水深吃水比，縱坐標(biāo)為航向變化量。通過圖標(biāo)可以發(fā)現(xiàn)，航向變化量的變化規(guī)律和停船橫向偏移量基本相似。水深吃水比小于1.5時，對于右旋固定距螺旋槳船舶航向右偏，且右偏值幾乎不受到水深的影響；水深吃水比大于1.5后，航向左偏，且左偏值受水深影響較明顯，隨水深增加左偏量增加，最后趨于平穩(wěn)。

4.結(jié)論

圖6 航向變化量與水深關(guān)系圖

本文利用船舶操縱模擬器對不同水深條件下的VLCC停船性能進(jìn)行了仿真，通過對仿真數(shù)據(jù)分析得出了停船參數(shù)與水深直接的內(nèi)在聯(lián)系。VLCC的停船縱向進(jìn)距隨著水深的增加而增加，故而在實踐作業(yè)中深水條件時的停船操縱要留有更大的安全余量；右旋固定螺距VLCC停船橫向偏移量和航向變化量均隨水深增加先右偏后變左偏，且右偏段右偏量受水深變化影響較?。煌４^程中的速降率隨水深的增加而增加。