鉸接式頂推船船模淺水阻力試驗及實船預(yù)報

董明玉,張立,2,邢磊,陳偉民,2, 苑志江,呂明冬

(1.上海船舶運輸科學(xué)研究所 a航運技術(shù)與安全國家重點實驗室 b.航運技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，上海 200135;2.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，哈爾濱 150001;3,海軍大連艦艇學(xué)院,遼寧 大連 116013)

鉸接式頂推船(articulated tug barge， ATB)是一種經(jīng)濟性和適用性較高的船舶，其結(jié)構(gòu)可以分為前部載貨的駁船(barge)部分和后部的頂推船(tug)部分。ATB的組合形式多樣，組合形式的不同產(chǎn)生不同的經(jīng)濟效益和燃油消耗，尤其是在淺水區(qū)域中ATB的組合式船舶類型比傳統(tǒng)運輸方式更具潛力。目前以3銷式為代表的ATB具有良好的應(yīng)用前景，其俯視圖見圖 1。

圖1 ATB俯視圖

當船舶在江水或者近海海域航行時候，由于部分水域的水深較淺，船體周圍的流速增加，船舶的黏性阻力和興波阻力發(fā)生變化，導(dǎo)致船身的阻力增加，船舶航行所需功率增加，船體的航態(tài)發(fā)生變化，發(fā)生淺水效應(yīng)，對船舶運輸帶來不利影響，因此船舶在淺水水域的阻力增加需要著重考慮。ATB船舶與傳統(tǒng)船舶相比，性能區(qū)別較大，由于頂推船和駁船之間的相互關(guān)聯(lián)影響，導(dǎo)致其淺水阻力特性與傳統(tǒng)船舶不同。目前關(guān)于淺水效應(yīng)的研究多集中于針對江海直達船、肥大型船舶、瘦削型船舶的淺水效應(yīng)，但關(guān)于ATB的淺水效應(yīng)的研究報道不多。

為得到1艘鉸接式頂推船ATB的淺水阻力特性，首先對1艘總長約156.6 m的ATB在設(shè)計吃水和壓載吃水時進行深水阻力試驗，然后針對其在不同水深時淺水阻力性能進行試驗，最后參照ITTC2017規(guī)程對ATB船組、駁船和頂推船在不同水深工況下的淺水阻力進行預(yù)報，為工程實際提供參考。

1 試驗方法

對于淺水效應(yīng)，水深佛勞德數(shù)是影響淺水航行中興波阻力的重要參數(shù)，由式表示，淺水航行時候的興波阻力由船長佛勞德數(shù)和船長水深比共同決定，而淺水水域的總阻力則受和的重要影響。通常在深水中，當>1時，船舶的尾流僅包含散波；當船舶在淺水和中等水深中，即<1時，船舶周圍流場會因有限的空間而發(fā)生改變，由橫波和散波組成，加速的水流會使船舶阻力增加，見圖2。

圖2 典型船舶在開放水域、淺水和限制水道中的阻力特點

ATB的結(jié)構(gòu)形式由于與常規(guī)船舶不同，其深水阻力和淺水阻力性能與常規(guī)船舶有所區(qū)別，對比如下。

(1)

(2)

式中：為船舶航速；為重力加速度；為水深；為船長。

船模試驗是獲取船舶淺水阻力的方法之一，具有精度高，穩(wěn)定性好的優(yōu)點。采用船模試驗的方法，首先分別對ATB船組、駁船和頂推船在設(shè)計吃水和壓載吃水狀態(tài)進行深水阻力試驗，得到不同裝載狀態(tài)時候的阻力性能；然后設(shè)定典型水深，得到ATB船組、駁船和頂推船在不同的水深吃水比時的淺水阻力及增幅。

2 試驗布置及試驗工況

船舶主尺度參數(shù)見表1。

表1 船舶主尺度

分別在上海船舶運輸科學(xué)研究所深水拖曳水池和風(fēng)浪流水池中對ATB頂推船組進行了靜水中的深水阻力和淺水阻力模型試驗，見圖3。

圖3 船模阻力試驗現(xiàn)場

船模深水阻力試驗在深水拖曳水池中進行。確定淺水阻力試驗水深時，選取實船航行區(qū)域的典型淺水水深=10.0、7.5和6.0 m。然后分別針對設(shè)計吃水和壓載吃水進行深水阻力和淺水阻力試驗。

3 結(jié)果分析

參照ITTC2017推薦規(guī)程將其換算到實尺度下的阻力結(jié)果，分別對比ATB、駁船和頂推船的深水阻力特性和淺水阻力。在每項對比中，使用了2種不同的對比方法：①對比不同F(xiàn)下的深水阻力和淺水阻力結(jié)果，見圖4；②以為橫坐標，對比不同淺水狀態(tài)下的阻力增幅，見圖5。

圖4 ATB設(shè)計吃水，不同水深狀態(tài)的阻力預(yù)報結(jié)果

圖5 ATB設(shè)計吃水，不同淺水狀態(tài)的阻力增幅

3.1 ATB船組的阻力性能

如圖 4所示，ATB在深水狀態(tài)下，其范圍為0078～0130，屬于較低的速度范圍，其深水阻力增加較為緩慢，近似線性增加。當水深吃水比=20時，淺水總阻力增加趨勢也較為緩慢。當水深吃水比=15和12時，ATB船組的阻力增加較快。圖5中，當=2.0時，淺水阻力的增加比例為19%～35%之間，在不同下的阻力增幅較為平緩。當=15時，淺水阻力增加比例為53%～126%，此時淺水效應(yīng)隨的增加而增加。當=12時，>04，淺水阻力增加比例的增速較快，淺水阻力增幅可達1.0～3.5倍，增阻效應(yīng)明顯。

與設(shè)計吃水狀態(tài)相比，壓載吃水時，相同下ATB的深水阻力更低，不同水深條件下阻力值隨的增加呈近似線性增加趨勢，見圖6、7。

圖6 ATB壓載吃水，不同水深狀態(tài)的阻力預(yù)報結(jié)果

根據(jù)圖7，不同淺水狀態(tài)的壓載吃水的淺水阻力增加幅度不同，當越小，淺水阻力增幅越大；隨著的增加，不同淺水狀態(tài)下的淺水阻力增幅呈下降趨勢，且越小，下降趨勢處拐點的越大。

圖7 ATB壓載吃水，不同淺水狀態(tài)的阻力增幅

3.2 駁船的阻力性能

針對駁船的深水阻力和淺水阻力開展模型試驗，得到實尺度駁船的阻力結(jié)果見圖 8。

圖8 駁船設(shè)計吃水，不同水深狀態(tài)的阻力預(yù)報結(jié)果

由于駁船與ATB船組的長度不同，駁船航行時候的為0.086～0.144。對于深水阻力和淺水阻力，在相同的航速下，駁船的阻力較ATB船組的阻力大，這主要是因為駁船尾部的結(jié)構(gòu)布置對駁船的阻力性能造成了不利影響。

由圖9比較得出，當=2.0時，駁船的淺水阻力增幅為44%～70%，當>0.4時，該增幅開始增加，且駁船的淺水效應(yīng)比ATB的淺水效應(yīng)明顯。當=1.5時，駁船的淺水阻力增加比例隨著的增加而持續(xù)增加，此時，駁船與ATB的淺水阻力增加比例近似。當=12時，駁船的淺水阻力增加比例隨著的增加而持續(xù)增加，但該增加比例比ATB的淺水阻力增加比例小，駁船的淺水效應(yīng)沒有ATB的淺水效應(yīng)明顯。

圖9 駁船設(shè)計吃水，不同淺水狀態(tài)的阻力增幅

由圖10可知，駁船在壓載吃水狀態(tài)下，淺水阻力的增幅明顯減小，在不同水深時的阻力變化趨勢較為近似。

圖10 駁船壓載吃水，不同水深狀態(tài)的阻力預(yù)報結(jié)果

圖11表明，不同下的淺水阻力增幅均隨的增加而呈現(xiàn)下降趨勢，其特點與ATB在壓載狀態(tài)下的淺水效應(yīng)有區(qū)別。

圖11 駁船壓載吃水，不同淺水狀態(tài)的阻力增幅

3.3 推船的阻力性能

推船由于長度較短，且航速較高，因此其更高。推船的深水阻力和淺水阻力試驗的范圍覆蓋了0.152～0.305之間，對應(yīng)的阻力結(jié)果見圖12。

圖12 推船設(shè)計吃水，不同水深狀態(tài)的阻力預(yù)報結(jié)果

圖12中，當小于02時，深水阻力和淺水阻力均近似線性增加，當大于0.2，阻力增加較快。

圖13中，與ATB船組和駁船的淺水阻力增幅變化趨勢不同，對于不同的，頂推船的淺水阻力增幅穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)不隨著的增加而產(chǎn)生更加明顯的淺水效應(yīng)。當=27時，推船的淺水阻力增加比例從大約1倍降低至05倍。當=20時，推船的淺水阻力增加比例從約12倍變化至90。當=16時，頂推船的淺水阻力增加比例從1.7倍增加至約2.4倍。

圖13 頂推船設(shè)計吃水，不同淺水狀態(tài)的阻力增幅

綜上，在<1的淺水水域中，ATB、駁船和頂推船的淺水阻力特點與典型船舶有所不同，其總阻力特點受和的雙重影響。在設(shè)計吃水時，ATB和駁船淺水阻力呈現(xiàn)增長趨勢，與典型船舶的淺水阻力特點近似；但頂推船高航速，即高的特點降低了水深的影響，使其淺水阻力增幅隨增長并不迅速，且在較低時下降，與典型船舶不同。在壓載吃水時，ATB和駁船均呈現(xiàn)平穩(wěn)或者下降趨勢，該特點同樣與典型船舶不同，而水深則決定了淺水阻力增幅的大小，即水深越小，增幅越大。設(shè)計吃水時駁船的深水阻力和淺水阻力比ATB船組的大，這主要是因為駁船尾部的布置形式對其尾部流場產(chǎn)生不利影響，形成紊流。當駁船和推船組合成為ATB船組的時候，其尾部流場光順，阻力降低。而在壓載狀態(tài)下，駁船的深水阻力和淺水阻力均小于ATB船組的阻力，裝載狀態(tài)的變化削弱了結(jié)構(gòu)形式的影響。

4 結(jié)論

1)在小于1.5時ATB和駁船在設(shè)計吃水狀態(tài)時的淺水阻力增幅較大，在工作狀態(tài)時應(yīng)當避免在較小水深處進行作業(yè)。

2)ATB和駁船的淺水阻力特性與常規(guī)船舶不同，在典型水深航行時，較小的下即開始產(chǎn)生明顯的阻力增幅，因此在船舶設(shè)計階段應(yīng)適當增加功率儲備。

3)和共同影響了ATB、駁船和頂推船的淺水阻力，在航行時應(yīng)當著重關(guān)注水深和航速的影響，以避免淺水阻力增加帶來的航行安全問題。