限制水域中船舶水動力相互作用及安全分析研究.pdf

1、近十年來，船舶尺度繼續(xù)向大型化發(fā)展，港口航道內(nèi)的船舶密度逐漸上升，但航道尺度的增長速率較慢，這使得航行船舶與航道、其他船舶或港口建筑物之間的間距變小，航行水深相對變淺，船舶在港口航道等限制水域中的水動力相互作用問題變得突出。這些水動力相互作用主要包括船舶與水底之間、船舶與岸壁之間、船舶與其他船舶或港口建筑物之間的水動力相互作用等，可能會嚴重影響船舶在限制水域中的操縱和作業(yè)安全性，導(dǎo)致碰撞、擱淺等交通事故的發(fā)生，甚至?xí)斐芍卮蟮慕?jīng)濟損失、

2、環(huán)境污染或人員傷亡。如今，隨著人們安全、環(huán)保意識的增強，對船舶航行和作業(yè)安全的要求日益提高，因此，準確預(yù)報船舶在限制水域中與水底、岸壁、其他船舶或港口建筑物之間的水動力相互作用，并據(jù)此對船舶航行和作業(yè)安全進行分析，有著重要的實際意義和工程應(yīng)用價值。
　　本論文主要針對船舶在限制水域中的三種水動力相互作用開展了研究和分析，一是船舶與水底之間的水動力相互作用，主要是計算和分析船舶在淺水中的船體下蹲；二是帶舵船舶與岸壁之間的水動力相互作

3、用，即船-舵系統(tǒng)與岸壁之間的水動力相互作用，主要是研究船-舵系統(tǒng)近岸航行時的岸壁效應(yīng)和舵的控制作用；三是航行船與停泊船之間的水動力相互作用，主要是計算和分析由航行船引起的作用在停泊船上的水動力。為快速、高效地計算和分析以上三種不同的水動力相互作用，采用了不同的數(shù)學(xué)模型并選取與之相適應(yīng)的數(shù)值方法進行研究；針對不同的水動力相互作用問題，建立相應(yīng)的控制方程，對流域或邊界劃分網(wǎng)格，采用一定的離散格式得到離散方程并對離散方程進行求解，得到速度場和

4、壓力場，進而求得作用在船體上的水動力。
　　針對淺水中航行船舶的下蹲計算問題，論文首先從深水和淺水中的船體下蹲預(yù)報兩方面驗證了所采用的三維Rankine源面元法；隨后，以集裝箱船KCS、大型油輪KVLCC2和某散貨船三種船型為研究對象，應(yīng)用該方法計算了船舶在淺水中的船體下蹲，分別研究了航速、水深和船型對船體下蹲的影響。最后，以KCS為研究對象，分析了其下蹲隨船-岸距離的變化趨勢。
　　針對船-舵系統(tǒng)與岸壁之間的水動力相互作用

5、問題，論文首先通過數(shù)值研究舵角為零的船-舵系統(tǒng)沿岸航行時的岸壁效應(yīng)以及數(shù)值模擬舵力試驗并分析船-舵系統(tǒng)受力，驗證了所采用的基于RANS方程求解的CFD方法的有效性；隨后，以帶舵的KCS為研究對象，應(yīng)用該方法數(shù)值模擬了其沿岸直航時的粘性流場，得到了不同水深、舵角和船-岸距離下船-舵系統(tǒng)周圍的流場特征及其所受的水動力。通過對岸壁效應(yīng)和舵力共同作用下的流場特征進行分析，初步解釋了岸壁效應(yīng)和舵力產(chǎn)生的物理機理。
　　針對航行船與停泊船之間

6、的水動力相互作用問題，論文首先采用XBeach開源軟件中基于淺水流動方程的非靜水壓力模型求解了航行船引起的水位下降和回流速度，通過與實驗數(shù)據(jù)和其它經(jīng)過驗證的模型的計算結(jié)果相對比，對非靜水壓力模型進行了初步驗證。隨后，應(yīng)用該模型對一大型集裝箱船駛經(jīng)沿岸停泊的巴拿馬型集裝箱船時的流場進行了數(shù)值模擬，考察了航速、船間橫向間距、航行船吃水、水深和航行船漂角等可變因素的影響，得到了航行船引起的水位下降、回流速度和作用在停泊船上的水動力；通過將數(shù)值

7、結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比，證明了該模型預(yù)報停泊船所受水動力的正確性。最后，將該模型應(yīng)用于港口水域相對復(fù)雜的工況，研究了主航道與港池的水深差、主航道與港池中心線的夾角、均勻水流以及其他停泊船等因素對航行船與停泊船之間的水動力干擾的影響。
　　基于船舶在限制水域中與水底、岸壁或其他船舶之間的水動力相互作用研究結(jié)果，定性分析了船舶的航行和作業(yè)安全。對于船舶在限制水域中航行時的情況，基于船體下蹲的計算結(jié)果，得出了不同水深下使富余水深為零（臨

8、界狀態(tài)）的臨界航速，并由此得到船舶發(fā)生觸底的臨界狀態(tài)曲線。對于船-舵系統(tǒng)沿岸直航的情況，基于不同舵角和船-岸距離下的水動力計算結(jié)果，得到了船-舵系統(tǒng)所受水動力為零（臨界狀態(tài)）時所對應(yīng)的臨界舵角和臨界船-岸距離，從而得到舵力恰好抵消岸壁效應(yīng)的臨界狀態(tài)曲線；同時探討了船-舵系統(tǒng)沿岸斜航時的臨界狀態(tài)曲線的求取方法。對于航行船駛經(jīng)停泊船的情況，分析了停泊船沿岸停靠工況和相對復(fù)雜工況下，作用在停泊船上的最大水動力與航速、船間間距、水深、水流等各種

9、影響因素之間的關(guān)系，并闡述了航行船駛經(jīng)停泊船時停泊船的運動達到允許的極限值的臨界狀態(tài)所對應(yīng)的臨界狀態(tài)曲線的求取方法。根據(jù)各種情況下的臨界狀態(tài)曲線，可以定性分析船舶在限制水域航行、船-舵系統(tǒng)沿岸航行以及停泊船受航行船影響的安全性。
　　本論文采用的數(shù)值方法可以較為合理地預(yù)報船舶與水底、船-舵系統(tǒng)與岸壁以及航行船與停泊船之間的水動力相互作用，為船舶在限制水域中的安全操縱提供一定的理論依據(jù)，同時本論文提出的應(yīng)用船舶水動力相互作用結(jié)果定性