船行波對系泊船舶影響的試驗研究

張樂樂 周利蘭* 盛欣磊 杜偉娜

(武漢理工大學高性能船舶技術(shù)教育部重點實驗室1) 武漢 430063)(武漢理工大學船海與能源動力工程學院2) 武漢 430063)

0 引 言

我國許多港口的大型泊位都沿著進港航道而建，且碼頭前沿距航道邊線的距離很近，內(nèi)河航道如長江沿線的諸多碼頭則臨江而設(shè).因此，港口內(nèi)、碼頭處的系泊船舶容易受到過往船只航行時產(chǎn)生的船行波的影響，尤其是航道中船舶的航行速度較快，或航行船舶距離碼頭上的系泊船舶較近時，將會引發(fā)系泊船大幅度的運動，使得系泊纜繩應(yīng)力增大，碼頭護舷受到撞擊，影響船舶的正常裝卸作業(yè)，嚴重時可能導(dǎo)致系泊船的船體受損或纜繩繃斷而造成重大安全事故.

如何減小船行波的危害已成為船舶工程界以及航運部門關(guān)注的焦點之一.國內(nèi)外許多學者針對這一問題展開了模型試驗研究.Remery[1]通過變化航行船舶的尺度、速度、兩船橫向距離，總結(jié)繪制出了不同航速及間距條件下船行波對系泊船所產(chǎn)生的力、力矩的曲線圖，并得出結(jié)論：系泊船所受到的力與兩船之間的距離有關(guān)，產(chǎn)生的運動響應(yīng)與航行船舶的速度成正比.Duffy等[2]在英國紐卡斯爾港進行了航行船舶經(jīng)過系泊船舶時水動力相互作用試驗，研究中首次考慮了停泊船舶首尾存在阻礙物時對航行船舶所誘導(dǎo)的水動力影響.Swiegers[3]研究了航行的集裝箱船經(jīng)過停泊的散貨船時所產(chǎn)生的力和力矩，研究結(jié)果主要集中在碼頭和岸壁的存在對系泊船受力的影響及高速船通過時所產(chǎn)生的力的非線性效應(yīng).國內(nèi)關(guān)于系泊船舶所受影響的試驗研究起步較晚，且主要集中在風浪流等環(huán)境載荷對系泊船舶運動響應(yīng)和受力的影響[4-7].國外關(guān)于航行船舶對系泊船舶的影響研究相對較多，但研究中主要從操縱性角度出發(fā)，考慮系泊船所受力，沒有綜合考慮受力和運動響應(yīng)[8-10].隨著新建碼頭日益增多，船舶尾浪對系泊船的負面影響逐漸引起人們的注意.顯然，現(xiàn)場試驗由于成本和安全等問題不易實現(xiàn)，而模型試驗是解決該問題有效的方法.文中選用KCS船型作為系泊船舶，選用DTMB5415(高速船)和KVLCC2(低速肥大型船)作為航行船舶進行模型試驗研究.通過改變水深H、航行間距SD和航行船舶速度V，對不同工況下系泊船舶的系泊力、運動響應(yīng)、護舷碰撞力等進行分析，總結(jié)各因素對系泊船舶運動響應(yīng)和受力的影響規(guī)律.

1 模型試驗設(shè)計

1.1 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

實驗中模型滿足幾何相似及運動相似，模型與實型縮尺比為1∶58，船模和碼頭模型制作以及系泊纜繩、防撞護舷的力學特性的模擬均根據(jù)相似準則按照此縮尺比進行.

1) 船舶模擬 試驗中船模為木質(zhì)，其排水量、重心位置以及慣性矩等在慣量校驗架上依靠調(diào)節(jié)模型內(nèi)的壓鐵重量及位置達到所規(guī)定的數(shù)值.船模制作誤差滿足ITTC關(guān)于模型試驗的精度要求.用于模型試驗的船模主尺度參數(shù)見表1.

表1 船舶模型主尺度

2) 系泊纜繩及橡膠護舷模擬 實船的系泊纜繩采用的是尼龍纜繩，直徑為116 mm.本文中纜繩模擬滿足彈性相似，即模型與實型的拉力-伸長關(guān)系曲線相似，見圖1a).

實際碼頭采用的是一種用于外海碼頭大型船舶靠泊的一鼓一板式SUC2250H橡膠護舷[11].單個護舷除尺寸按照縮尺比模擬外，更重要的是橡膠護舷的力學性能模擬.本文所制作的模型與實型的力學性能曲線見圖1b).

圖1 力學性能曲線

護舷的布置方式參考國內(nèi)外港口護舷布置方案與相關(guān)參考資料，在碼頭下方間隔15 m進行布置[12]，按照幾何相似準則，模型護舷間隔258 mm布置.橡膠護舷碼頭模型下方沿船長布置，使系泊船在整個長度范圍內(nèi)都能與護舷發(fā)生接觸[13-15].

3) 碼頭布置 試驗中系泊船通過8根系泊纜繩與碼頭靠泊，每根纜繩直徑2 mm(對應(yīng)實船為116 mm尼龍纜繩)，每根纜繩預(yù)張力0.51 N(對應(yīng)實船單根纜繩預(yù)張力100 kN).碼頭布置方案見圖2.其中:編號①，②為船尾系泊纜；編號③，④，⑤，⑥為船中橫向系泊纜，編號⑦，⑧為船首系泊纜.

圖2 碼頭系泊纜布置圖

1.2 試驗方法及裝置

試驗在武漢理工大學高性能艦船技術(shù)教育部重點試驗中心拖曳水池進行，試驗水池全長132 m、寬10.8 m、深2.0 m，水深可調(diào).

在本試驗中，八個拉力傳感器分別安裝在八根系泊纜繩系纜樁端，用于測量系泊船舶碼頭系泊系統(tǒng)中的各系泊纜繩所受的張力值；系泊船舶運動響應(yīng)采用Xsens慣性導(dǎo)航傳感器系統(tǒng)測量；纜繩拉力和護舷撞擊力的測量采用HBM多通道采集儀；航行船舶興波波高測量采用電阻式浪高儀和組合采集儀.橫向間距SD的變化通過在水池中設(shè)置可橫向移動的鋼結(jié)構(gòu)假岸壁來實現(xiàn).

1.3 試驗工況

文中以系泊船舶運動響應(yīng)、系纜力及護舷力作為分析指標，通過控制變量法進行試驗，分別為相同間距和水深討論不同航速，相同間距和航速討論不同水深，相同航速和水深討論不同間距.為便于接下來的討論，將DTMB5415速度命名為Vi，KVLCC2速度命名為Ui.具體工況見表2～4，SD為兩船中縱剖線間的垂直距離.

表2 試驗水深

表3 試驗橫向間距 單位：m

表4 航行船舶速度

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 船舶運動響應(yīng)影響因素分析

文中主要對船型、航速、橫向間距,以及水深等因素對系泊船運動響應(yīng)的影響進行探討，研究中主要關(guān)注橫搖、縱搖、首搖三個方向的運動.不同因素下系泊船舶的運動響應(yīng)幅值見圖3.

圖3 船舶運動加速度幅值

圖3a)顯示了航行船舶在同一水深、橫向間距時以不同速度行駛過系泊船所引起的運動響應(yīng)幅值.由圖3a)可知，航行船舶速度對運動響應(yīng)幅值影響非常顯著.隨著速度的增大，運動響應(yīng)最大幅值曲線出現(xiàn)了與船舶興波阻力曲線類似的峰谷值，這是由于首尾橫波相互干擾造成的.圖4為船行波與系泊船的關(guān)系圖，航行船首尾橫波的干擾情況是由興波長度和波長決定的，而弗勞德數(shù)Fr會影響興波長度與波長的關(guān)系，進而影響興波干擾的結(jié)果，導(dǎo)致運動響應(yīng)幅值會隨Fr變化出現(xiàn)與興波阻力曲線類似的峰谷值，其總體趨勢仍為增大.橫搖和首搖由于受到系泊纜繩的約束，最大幅值曲線逐漸趨于平緩，而縱搖幅值則一直保持增大趨勢，且橫搖幅值遠大于其他兩個方向.

圖4 船行波與系泊船的關(guān)系圖

圖3b)為航行船舶在相同水深、速度時以不同橫向間距行駛過系泊船時誘導(dǎo)的運動響應(yīng)幅值.由圖3b)可知，當航速和水深相同時，由于船行波的能量隨距離耗散，系泊船的運動響應(yīng)幅值隨著間距的增大而減小，而且相對于縱搖和首搖，橫向間距的改變對橫搖幅值的影響更為明顯.

圖3c)～d)為系泊船的運動響應(yīng)隨水深吃水比的變化情況，由圖3c)～d)可知，改變水深對系泊船舶的運動響應(yīng)有很大影響，水深變淺，系泊船舶的運動響應(yīng)增大.尤其在水深吃水比H/T小于2.0時系泊船舶的運動響應(yīng)隨水深變淺急劇增大.

選取最惡工況即最淺水深、最小間距、最大航速，航行船舶尾浪引起的運動響應(yīng)幅值見表5.由表5可知:高速船行駛經(jīng)過系泊船時產(chǎn)生的尾浪對系泊船運動響應(yīng)的影響更為顯著.

表5 不同船型尾浪引起的運動響應(yīng)幅值 單位：(°)

2.2 系纜力影響因素分析

不同因素對不同位置處系纜力幅值影響曲線見圖5.

圖5 系纜力幅值

圖5a)～b)分別為DTMB5415、KVLCC2在一定水深、橫向間距條件下以不同速度行駛過系泊船時所引起的系纜力幅值.由圖5a)～b)可知:航速對系纜力最大幅值的影響與運動響應(yīng)類似.當其他條件相同，系纜力幅值隨著航速的增大而增大，幅值曲線出現(xiàn)與興波阻力曲線類似的峰谷值，這同樣是由于不同速度處的首尾橫波相互干擾造成的.

當橫向間距增大時，系纜力幅值隨之減小，但不同位置的系纜力隨間距的變化趨勢有很大差異.圖5c)為橫向間距對不同位置處系纜力幅值的影響.由圖5c)可知，系泊船首、尾系泊纜的系纜力對橫向間距的變化更為敏感.在相同水深、航速下航行船舶與系泊船舶間距越大，系泊力顯著地降低，而橫纜減小趨勢則較為平緩.因此在實際情況中，若航行船舶距離系泊船較近，要特別注意首尾纜繩的安全性.

圖5d)為不同位置處系纜力幅值隨水深吃水比的變化.由圖5d)可知，水深對系纜力幅值影響非常顯著，當水深變淺時，系纜力急劇增大.同時對于較短的③、④號橫纜，船舶水平面上的線位移將造成較大的纜繩應(yīng)力，相對橫纜，較長的首尾纜繩系纜力的幅值較小.因此船舶在碼頭系泊時應(yīng)避免部分纜繩過短的情況.

對于船型對系纜力的影響，選取最佳工況即最小航速、最大間距及最大水深對船舶尾浪引起的系纜力幅值進行分析，試驗結(jié)果見表6.對比其結(jié)果可以看出，與運動響應(yīng)類似，高速船航行產(chǎn)生的尾浪對系泊船的系纜力幅值影響更為顯著.

表6 不同船型尾浪引起的系纜力幅值 單位：N

2.3 護舷碰撞力影響因素分析

系泊船舶的撞擊作用主要由橫蕩和橫搖運動而產(chǎn)生.因此，對撞擊作用的研究可以歸結(jié)為船舶橫蕩和橫搖的研究.撞擊作用與波浪、船型和纜繩等都有關(guān).圖6分別為水深H1和H2時不同橫距下的護舷碰撞力隨速度的變化情況.由圖6可知，相同水深時，當速度增大，護舷碰撞力隨之增大.

圖6 護舷碰撞力隨速度的變化(船中位置護舷)

3 結(jié) 論

1) 系泊船舶運動響應(yīng)及受力總體上隨航速的增大而增大.因此當船舶行駛接近系泊船舶時，其航速應(yīng)被限制.

2) 兩船間距增大時，系泊船的運動響應(yīng)、系泊力和護舷力隨之減小，且系泊船首、尾系泊纜繩的系纜力對橫向間距的變化更為敏感.

3) 低速肥大型船舶在淺水航行時水深的減小對系泊船舶的運動響應(yīng)和受力的增加非常顯著，且增加的應(yīng)力集中在橫纜.

4) 高速船航行產(chǎn)生的尾浪對系泊船運動響應(yīng)和受力的影響更為顯著.

由此可見，減小船舶尾浪對系泊船舶危害的最佳方法是降低航速和增大間距，但增大橫向間距在限制水域中難以實現(xiàn)，優(yōu)化系泊系統(tǒng)及纜繩的布置方案也是減小船舶尾浪影響值得考慮的方法之一.