限制水域中船舶水動(dòng)力相互作用及安全分析研究.pdf

1、近十年來(lái)，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(zhǎng)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(duì)變淺，船舶在港口航道等限制水域中的水動(dòng)力相互作用問題變得突出。這些水動(dòng)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(dòng)力相互作用等，可能會(huì)嚴(yán)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(jì)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(shí)的增強(qiáng)，對(duì)船舶航行和作業(yè)安全的要求日益提高，因此，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)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(dòng)力相互作用，并據(jù)此對(duì)船舶航行和作業(yè)安全進(jìn)行分析，有著重要的實(shí)際意義和工程應(yīng)用價(jià)值。
　　本論文主要針對(duì)船舶在限制水域中的三種水動(dòng)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(dòng)力相互作用，主要是計(jì)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(dòng)力相互作

3、用，即船-舵系統(tǒng)與岸壁之間的水動(dòng)力相互作用，主要是研究船-舵系統(tǒng)近岸航行時(shí)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(dòng)力相互作用，主要是計(jì)算和分析由航行船引起的作用在停泊船上的水動(dòng)力。為快速、高效地計(jì)算和分析以上三種不同的水動(dòng)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(jìn)行研究；針對(duì)不同的水動(dòng)力相互作用問題，建立相應(yīng)的控制方程，對(duì)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(duì)離散方程進(jìn)行求解，得到速度場(chǎng)和

4、壓力場(chǎng)，進(jìn)而求得作用在船體上的水動(dòng)力。
　　針對(duì)淺水中航行船舶的下蹲計(jì)算問題，論文首先從深水和淺水中的船體下蹲預(yù)報(bào)兩方面驗(yàn)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(duì)象，應(yīng)用該方法計(jì)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(duì)船體下蹲的影響。最后，以KCS為研究對(duì)象，分析了其下蹲隨船-岸距離的變化趨勢(shì)。
　　針對(duì)船-舵系統(tǒng)與岸壁之間的水動(dòng)力相互作用

5、問題，論文首先通過(guò)數(shù)值研究舵角為零的船-舵系統(tǒng)沿岸航行時(shí)的岸壁效應(yīng)以及數(shù)值模擬舵力試驗(yàn)并分析船-舵系統(tǒng)受力，驗(yàn)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(duì)象，應(yīng)用該方法數(shù)值模擬了其沿岸直航時(shí)的粘性流場(chǎng)，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(chǎng)特征及其所受的水動(dòng)力。通過(guò)對(duì)岸壁效應(yīng)和舵力共同作用下的流場(chǎng)特征進(jìn)行分析，初步解釋了岸壁效應(yīng)和舵力產(chǎn)生的物理機(jī)理。
　　針對(duì)航行船與停泊船之間

6、的水動(dòng)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(dòng)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(guò)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和其它經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的模型的計(jì)算結(jié)果相對(duì)比，對(duì)非靜水壓力模型進(jìn)行了初步驗(yàn)證。隨后，應(yīng)用該模型對(duì)一大型集裝箱船駛經(jīng)沿岸停泊的巴拿馬型集裝箱船時(shí)的流場(chǎng)進(jìn)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(dòng)力；通過(guò)將數(shù)值

7、結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，證明了該模型預(yù)報(bào)停泊船所受水動(dòng)力的正確性。最后，將該模型應(yīng)用于港口水域相對(duì)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(duì)航行船與停泊船之間的水動(dòng)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(dòng)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(duì)于船舶在限制水域中航行時(shí)的情況，基于船體下蹲的計(jì)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(duì)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(dòng)力計(jì)算結(jié)果，得到了船-舵系統(tǒng)所受水動(dòng)力為零（臨界狀態(tài)）時(shí)所對(duì)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(shí)探討了船-舵系統(tǒng)沿岸斜航時(shí)的臨界狀態(tài)曲線的求取方法。對(duì)于航行船駛經(jīng)停泊船的情況，分析了停泊船沿岸?？抗r和相對(duì)復(fù)雜工況下，作用在停泊船上的最大水動(dòng)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(shí)停泊船的運(yùn)動(dòng)達(dá)到允許的極限值的臨界狀態(tài)所對(duì)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(bào)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(dòng)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(shí)本論文提出的應(yīng)用船舶水動(dòng)力相互作用結(jié)果定性