船只近沿垂直壁岸航行的岸壁效應(yīng)影響研究

代志輝

（湖南省常德航道事務(wù)中心,湖南 常德 415000）

0 引言

大型船只在限制水域中穿流航行，必須充分關(guān)注岸壁效應(yīng)影響。大型船只在限制水域行駛的駕駛控制本身就存在一定難度，再因岸壁效應(yīng)影響，受到額外的附加側(cè)向力及轉(zhuǎn)首力矩作用，操縱控制不當(dāng)，導(dǎo)致船體觸底或船岸碰撞航行的概率陡增，將嚴(yán)重危及航行安全。因此，深入認(rèn)識和把握岸壁效應(yīng)對船只臨岸航行的影響，對船舶控制技術(shù)設(shè)計、航道安全控制管理以及船只臨岸安全駕駛控制，均有應(yīng)用參考意義。該研究借助RANS方法，采用KVLCC2船體模型，基于一側(cè)敞水，一側(cè)面臨垂直岸壁的水域狀態(tài)，模擬探究船只臨沿垂直岸壁航行工況下的岸壁效應(yīng)影響，為船只臨岸安全航行安全控制應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 模擬計算情況簡述

1.1 RANS方法

RANS方法是一種基于質(zhì)量和動量守恒的黏性流3d運(yùn)動模擬計算方法，其偏微分方程組基本表達(dá)為：

式中，p——壓力；ρ——密度；τij——應(yīng)力張量；ui——順流速率；g——重力加速度；gi——笛卡爾坐標(biāo)x向的g分量。RANS方法與現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)結(jié)合，從形成對黏性流3d運(yùn)動強(qiáng)大的模擬計算能力，在解決3d流體問題的水工模擬研究中，得到越來越多的應(yīng)用[1]。

1.2 模擬計算域與邊界設(shè)置條件

計算域體積按3d立方體控制，算域總寬取4.4 m規(guī)格，入口距船頭距離取1.5 Lpp，出口距船尾取2.6 Lpp，空氣相取25% Lpp高度，水相取不同水深，岸壁相取不同距離。計算域的頂部按稱邊界條件設(shè)置，入口按速度入口邊界設(shè)置，出口按壓力出口邊界設(shè)置[2]。

船體、水底和岸壁，按不可滑移壁面條件設(shè)置。

1.3 船體參數(shù)及計算工況

KVLCC2船體縮模比按75∶1控制，船體主要規(guī)格參數(shù)具體見表1所示。其中的Δm為船只排水量，Δxcg為船只尾垂線至重心的距離，Cb為方形系數(shù)。模型的網(wǎng)格劃分采取了3種不同密度方式，即低密度網(wǎng)格取船體長度的2%、中密度網(wǎng)格取船體長度的1%、高密度網(wǎng)格取船體長度的0.7%[3]。

表1 船體主要規(guī)格參數(shù)

2 岸壁效應(yīng)的因素影響分析

2.1 興波的岸壁效應(yīng)影響

興波的岸壁效應(yīng)影響模擬計算工況與獲得的水動力結(jié)果見表2和表3所示。

表2 興波的岸壁效應(yīng)影響模擬計算工況

表3 興波的岸壁效應(yīng)水動力影響結(jié)果

模擬分析顯示，沿垂直岸壁走行時，船只受到顯著的岸壁效應(yīng)影響，船身會受到一個較大的橫向力，指向岸壁，發(fā)生轉(zhuǎn)首力矩，推動船首離岸。忽略與參考自由面興波時，船身所受到的橫向力、阻力以及搖首力矩等，其水動力值差異并不大。不同岸壁距離下，計及與忽略興波兩種情況下，水動力在分布大體相同，與忽略或者參考自由面興波的影響，關(guān)系并不明顯。雖然岸壁效應(yīng)不會受興波大幅度影響，但計及興波的船身所受到的橫向力、阻力及搖首力矩，其水動力值均比忽略興波的對應(yīng)值有略微加大。

分析上述現(xiàn)象，最重要的原因是，因?yàn)榕d波作用，在沿縱方向上，使自由面高度面臨變化趨勢，進(jìn)而影響了流場和動壓力狀態(tài)。此外，水的流動也受空氣流動影響。水和空氣在自由液面區(qū)域，滿足連續(xù)速率條件，當(dāng)2種流體的流動速率不同時，液面區(qū)域會發(fā)生有速率梯度的流動，對船只所受水動力亦會發(fā)生影響。

綜上，興波對岸壁效應(yīng)會發(fā)生一定程度影響。興波雖不能改變船只所受的水動力一般規(guī)律，但在它的影響下，航行船只所受的橫向力、阻力及搖首力矩等，均會一定程度有所加大，對船只航行安全來講，考慮興波影響，是更加強(qiáng)化安全性的做法。為保證水動力的分析計算更加準(zhǔn)確，以及強(qiáng)化船只航行安全考慮，該研究中對船身沿岸壁航行的模擬計算，均參考了興波作用影響。

2.2 流黏性的岸壁效應(yīng)影響

流黏性的岸壁效應(yīng)影響模擬計算工況與獲得的水動力結(jié)果，見表4和表5所示[4]。

表4 流黏性的岸壁效應(yīng)影響模擬計算工況

表5 流黏性的岸壁效應(yīng)水動力影響結(jié)果

現(xiàn)實(shí)自然流體，都一定程度存在黏性，某些狀態(tài)下，可以將自然流體視作標(biāo)準(zhǔn)流體。該部分基于吃水比1.35，船壁距離1.36 m、0.973 1 m、0.586 1 m、0.517 5 m，按計入和不計入流體黏性工況，計算分析黏性條件的岸壁效應(yīng)影響。

分析結(jié)果顯示，在計及與不計及黏性條件下，阻力值產(chǎn)生比較大的差異變化，橫向力與搖首力矩則差異變化比較小，忽略黏性的計算結(jié)果相對偏小。原因主要在于，船只在臨岸航行時流體黏滯性所產(chǎn)生影響。黏性是液體自身所有的性質(zhì)，流體相鄰層面間存在速率梯度時，會發(fā)生抵抗形變的黏性應(yīng)力，對于船只阻力的影響比較大，而橫向力和轉(zhuǎn)首力矩的影響狀態(tài)，主要是因?yàn)榇蛔笥蚁系牟粚ΨQ流體流動所導(dǎo)致的，黏性的影響則相對不大。

2.3 航行速度的岸壁效應(yīng)影響

航行速度的岸壁效應(yīng)影響模擬計算工況及岸壁效應(yīng)水動力影響結(jié)果，見表6和表7。

表6 航行速度的岸壁效應(yīng)影響模擬計算工況

表7 航行速度的岸壁效應(yīng)水動力影響結(jié)果

顯然，在不同航行速度下，船只受到的水動力影響有所不同，航行速度會對岸壁效應(yīng)發(fā)生比較大的影響。該部分基于吃水比1.35，船壁距離1.36 m、0.973 1 m、0.586 1 m、0.517 5 m，船速0.238 m/s、0.356 m/s，分析航行速度的岸壁效應(yīng)影響。

分析結(jié)果顯示，船只臨岸航行，隨著航行速度的加大，所受到的水動力影響伴隨加大，航行速度越高時，水動力影響越大，則航行船只所面臨的岸壁影響風(fēng)險越高。而船只在不同速率下，船岸距離的影響差異不大，證明航行速率是一個顯著而直接的岸壁效應(yīng)影響要素，航行速度越高時船只的岸壁效應(yīng)會越顯著。

沿船長的自由面興波的表現(xiàn)規(guī)律，總體相似，船只在高航行速度的自由面興波要大于在低航行速度下的狀態(tài)。自由面興波，船岸距離越近，波幅越大。綜上，船只沿垂直岸壁行駛時，自由面興波呈現(xiàn)航行速度越高則波幅度越大，對岸壁效應(yīng)的影響越顯著。另外，岸壁與深度對自由面興波亦有比較大的影響，深度越淺和船岸距離壁越近時，自由面興波影響則越不顯著。

2.4 岸船距離的岸壁效應(yīng)影響

岸船距離的岸壁效應(yīng)影響模擬計算工況及岸壁效應(yīng)水動力影響結(jié)果，見表8和表9。

表8 岸船距離的岸壁效應(yīng)影響模擬計算工況

表9 岸船距離的岸壁效應(yīng)水動力影響結(jié)果

船只在臨岸航行時，會受到壁岸的影響限制，岸壁會對船身繞流作用造成很大影響。從岸船距離的岸壁效應(yīng)影響分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，船只在臨岸航行時，隨著船岸距離的減小，水動力均伴隨逐步加大，變化率亦伴隨船岸距離減小而對應(yīng)加大。當(dāng)船岸距離比較大時，船只所受水動力的值比較小，岸壁效應(yīng)不顯著。當(dāng)岸船距離比較小時，船只所受水動力的值比較大，岸壁效應(yīng)顯著。得出船只在臨岸航行時，岸壁效應(yīng)受到船岸距離的影響比較大，船岸距離越小，則岸壁效應(yīng)影響越顯著。

壓力分布規(guī)律，不同岸船距離下比較相似，相比船岸距離比較大時的船體壓力，船岸距離比較小時的船體壓力相對要大，低壓區(qū)與高壓區(qū)的壓力差異更大。相對于船岸距離比較大時的情況來說，船岸距離比較小時，右舷的壓力增加量較左舷的增加量要大。越近的船岸距離，水動力影響相對越敏感，引起的變化就相對越顯著，即岸壁效應(yīng)越顯著。

2.5 吃水深度的岸壁效應(yīng)影響

吃水深度的岸壁效應(yīng)影響模擬計算工況及岸壁效應(yīng)水動力影響結(jié)果，見表10和表11。

表10 吃水深度的岸壁效應(yīng)影響模擬計算工況

表11 吃水深度的岸壁效應(yīng)水動力影響結(jié)果

水底對船只的繞流運(yùn)動，對航行船只產(chǎn)生一定限制作用，所以船只在不同吃水深度，所受的水動力狀態(tài)也會有所不同。該部分1.5、1.35、1.1的3種吃水比，模擬分析了不同吃水深度下的岸壁效應(yīng)影響狀態(tài)[5]。

模擬分析顯示，船只在臨岸航行過程中，隨著吃水深度的變化，岸壁效應(yīng)所引起的水動力狀態(tài)呈現(xiàn)單調(diào)變化，吃水深度淺，航行船只所受到的水動力影響會逐步提高。各深度的阻力變化亦呈現(xiàn)單調(diào)變化狀態(tài)，深度值越淺，阻力值對應(yīng)逐步變大。各深度中的橫向力方向均指向岸壁，深度越淺，岸壁吸引力相對越強(qiáng)。各深度中的首轉(zhuǎn)力矩方向，指向船首離岸方向，深度越淺，首轉(zhuǎn)力矩值對應(yīng)變大，并且淺水中呈現(xiàn)迅速變化的狀態(tài)。

模擬分析顯示，在不同深度下，水動力各值隨岸船距離的變化規(guī)律總體相同，岸船距離加大，水動力對應(yīng)逐步變小。在1.1吃水比深度區(qū)域，隨岸壁距離的變化，各水動力值亦呈現(xiàn)迅速變化狀態(tài)，其變化率相對較大，顯示在淺水中航行時，船只受到的岸壁效應(yīng)影響則比較大。

比較淺水和深水條件下的壓力狀態(tài)差異可以發(fā)現(xiàn)，相比深水壓力，船體在淺水所承受的壓力要大，表現(xiàn)為高壓區(qū)域的壓力值更高，低壓區(qū)域的壓力值更低，并且壓差相對更大。與深水相比，船只在淺水時，相較遠(yuǎn)離岸壁側(cè)，岸側(cè)的壓力增量要大。各水動力的值呈現(xiàn)吃水越淺，變化越大，即岸壁效應(yīng)的影響越明顯。

3 結(jié)語

出于船舶安全駕駛控制以及航道安全管理和應(yīng)用的技術(shù)需要，該文開展了船只近沿垂直壁岸航行的岸壁效應(yīng)影響研究，并從興波、流黏性、航行速度、岸船距離、吃水深度等方面作重點(diǎn)分析，對船只臨岸安全航行安全控制有技術(shù)參考價值。