内河航道横流对船舶航行影响

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第8卷第1期交通运输工程学报Vol.8No.12008年2月JournalofTrafficandTransportationEngineeringFeb.2008文章编号:1671-1637(2008)01-0061-07内河航道横流对船舶航行的影响曹民雄，，马爱兴“，王秀红，，蔡国正，(1.南京水利科学研究院港口航道泥沙工程交通行业重点实验室，江苏南京210024;2.河海大学交通学院，江苏南京210098)摘要:为了使船舶能安全通过航道内的横流区域，利用水槽进行遥控自航船模试脸，提出了内河航道横流对船舶航行横漂速度、漂角、航迹带宽度和漂距影响的经验公式，分析了N与V级航道横向流速的限值范围。分析结果表明:横流对船舶航行的影响程度主要与对岸航速成反比，与横流的大小及区域长度成正比，与船型大小(航道等级)成反比，同时与驾驶员的航行经验和初始船位有关;在限制航路航行方式过程中，W与V级航道对岸航速为2,3,4m"s-’时，可克服的一个船长内横流限值为0.48,0.58,0.70m"s-1,关键词:航道工程;内河航道;横流;船模试验;横流限值中图分类号:U611文献标识码:AInfluenceofcrosscurrentonshipnavigationininlandwaterwayCaoMin-xiongl，MaAi-xing2，WangXiu-hongl，CaiGuo-zhengl(1.KeyLaboratoryofHarbor,WaterwayandSedimentationEngineeringofMinistryofCommunications,NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210024,Jiangsu,China;2.SchoolofTraffic,HohaiUniversity,Nanjing210098,Jiangsu,China)Abstract:Toensureshipgettingthroughcrosscurrentregionsafelyanddeterminethelimitedvalueoflateralvelocityininlandwaterway,thetestofremote-controlself-propelledmodelshipwascarriedoutinflume,theinfluenceoflateralvelocityonshipnavigationwasresearched,theempiricalformulaswerepresented,whichreflectedtheinfluencesofcrosscurrentoncrossdriftvelocity,driftangle,thewidthofsailingpathanddriftdistance,thelimitedvaluesoflateralvelocitiesinNandVclasswaterwayswereanalyzed.Analysisresultindicatesthattheinfluenceextendofcrosscurrentonshipnavigationdecreaseswiththeincreaseofbankvelocityandshipsize(channelclass)，increaseswiththeincreaseoflateralvelocityandtheregionlength,andrelatestodriver'snavigationexperienceandship'sinitialposition;inNandVclasswaterways,forrestrictedroute,thelimitedvaluesoflateralvelocityintherangeofoneshipare0.48,0.58and0.70m·s1whenthevaluesofbankvelocityare2，3and4m·S-1respectively.7tabs,8figs,10refs.Keywords;waterwayengineering;inlandwaterway;crosscurrent;shipmodeltest;limitedvalueoflateralvelocityAuthorresume;CaoMurxiong(1965-)，male,PhD,seniorengineer,+86-25-85829315,mxcao)nhri.cn.岸到彼岸横穿水流;经过河道交汇口与取排水口附0引言近;经过交错浅滩与弯道，或穿越回流水域;进出船船舶航行中经常受到横流的影响:如船舶由此闸等通航建筑物引航道口门区;经过桥墩附近水域收稿日期:2007-09-13甚金项目:国家西部交通建设科技项目(200532800024)作者简介:曹民雄(1965-)，男，江西永新人，南京水利科学研究院高级工程师，工学博士，从事港口航道整治与工程泥沙研究。万方数据 交通运输工程学报2008年等等，因而横流是船舶航行中经常遇到的一种水流漂角/(。)。状况。内河航道内的横流往往将船舶推离航线，影船舶航行的参数主要有船舶的横漂速度、漂角、响船舶安全航行，因而需要研究横流对船舶航行的航迹带宽度与漂距等，航道横向流速对船舶航行的影响程度。影响目前没有较为系统的研究成果，本文利用水槽目前相关的标准与规范对不同等级航道的纵向进行遥控自航船模试验研究。流速有相应的限制标准〔卜幻:在船闸引航道口门区的1模型设计水流表面最大横向流速不大于0.30m"s-1(工~1V级航道)和0.25m·s-,(V-VI级航道)[‘〕，在1.1水槽设计取、排水工程的进出口处，航道横向流速不宜超过水槽长度为40m，宽度为5m,高度为0.22m,0.30m"s-1[21，也有学者[[3]认为船闸引航道口门区底坡为1.0编，水槽试验观察段长度为9m;上游由的最大横向流速限值可适当提高到。.35m"s-1,矩形量水堰控制流量，下游由横拉式尾门控制水位，内河航道横向流速的限值是航道整治工程规划、设进出口段均设格墙与花墙，以调整平顺水流;在顺水计、施工、维护和管理必须解决的关键技术之一，而流方向，在主槽内平行布置6条航道中心线，各航线横流对船舶航行的影响研究是限值确定的基础。距主槽边墙的距离见图1,有学者研究了横流对船舶航行个别参数的影响，张声明根据淮安水利枢纽实船和船模试验的成果得到川Vf=(V}一c)/0.76(1)「一一一一一JL_____es}门_________创巨宝竺__一泣口I式中:V，为船队横向漂移速度;V=为航道内横向水!}一]r一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一1}〔二二二二二龟r一二二二一]L___________---_---------r二二]留r一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一1X}一:}「二二二二二r闷L_____________________1赶二二」流速度;:为系数(顶推船队取0.09，拖带船队取口口-----一〕记沪_____」于一I主抽门。一JI一IL一二二一‘卜吕0.07)。厂「}----------------------一}〔二二〕}「二二二二二攀二二二二二二二]}}一「}-一-一一-一一一一一一一--一一---一-一}〔二二〕}「二二二二二总陈永奎等通过简化假设，建立了船舶在斜流场}一「-一-一一一一-一一一一一--一一-一-一一一}「一!I「一和用舵条件下的关系式，分别为[[s-s7了口、‘，图1主槽系统Vf=_AB“一e"`)V、自夕Fig.1Flumesystem云.1‘于;，_了八、.j.为了在宽水槽内产生横向水流，由水槽侧向正Vf=Vf+V,,=V‘土丽UVsZ、产交的支槽汇人水流，侧向支槽的开口宽度和主支槽式中:t为时间;A,B为系数，在均匀斜流场中为常的相对流量是影响主槽横流大小与范围的关键因量;Vf为均匀横流Vs相应的横漂速度;AV.为作用素，采用平面二维水流数学模型进行计算，拟定侧向于船体上V=非均匀部分沿船长方向的平均值;Vfl支槽开口宽度B为3m(接近500t级船模长度的为舵力引起的横漂速度，V,与Vf同向取正号，反向2.5倍)。当船舶在主槽内顺不同航线航行时，可通取负号。过不同的横流区域。试验测量系统的坐标原点在支李一兵在进行船闸引航道口门外连接段通航水槽进口的上沿。流条件研究中[E71，根据三峡的船模试验资料得出关1.2船模设计、制作与运动性能校准系式.︸妈驳幼删队叨为一1.2.1船模设计十‘!、V二==f]之533认一0.020据《第二次全国内河航道普查资料汇编)))[8〕统!、认.一--引(4)、﹄652Vbsin(户+0.013计，等级航道中IV-1d级航道占87.160o，通常高等六驳劫船报讨为?级的I一m级航道上的船型较大，可克服横流的区十f演V二一-门f‘490认一0.033域较长，同时有较宽的河道以调整航线，避开横流tj从.一--引(5)671Vbsin(月)+0.022区，因而横流对I-m级航道内航行的船舶影响较九驳劫船孤讨为纽小，而对N一A级的中、小河流及运河航道内的船舶十f、V二-一们f丈375V=一0.043影响较为明显。本文选择500t级(对应W级航道)1jV=别x(6)‘727Vbsin(月)+0.031单桨单舵船和300t级(对应V级航道)双桨双舵船式中:V、为船队的对岸航速//(m"s-');月为船队的作为试验船型。根据船模的几何形状和重力相似条万方数据 第1期曹民雄，等:内河航道横流对船舶航行的影响件，选定500,300t级船模的几何比尺分别为1，36,后的舵叶面积分别为原舵叶面积的8500,75写.1,55。船模参数见表1，船模各主要比尺见表2,船模舵角的率定:通常350的舵角使船舶具有衰I试脸船型与船模参数最大转船力矩，故本次试验选取的最大舵角值为Tab.IParametersoftestshiptypesandshipmodels350。通过调节船模的遥控器，使船模左、右最大舵载质量/参数设计排角率定为350。实际上船舶安全行驶时舵角不超过船型t长度/m宽度/m设计吃水/m水量/m3250，使用了满舵才安全通过，表明船舶已经处于事实船44.0007.6001.7503.750X102故的临界状态。300船模0.8000.1380.0322.254X10-32测量设备与试验条件实船46.7009.6001.8009.769X102500船模1.2970.2670.0502.094X10-22.1试验测t设备衰2船模主要比尺水位采用精度为士0.1mm的测针测量;垂线Tab.2Mainscalesofshipmodels流速采用光电旋桨式流速仪测量;表面流场测量采载质量八{几何比尺}吃水比尺}排水量比尺}速度比尺}时间比尺用表面粒子实时图像自动采集与处理;船模航行参数的测量通过视频实时采集安置在船模船头、船尾5300令3565I1466635765畔7.402I67.0402的粒子来分析航行过程中的船位，并计算出漂角、漂距、对岸航速等航行参数;舵角通过安装在船模上的1.2.2船模制作船体采用玻璃钢制作，严格控制船体水线以下无线模块，将舵角值同步实时传输到船模软件，绘制部分尺寸的精度，对上层结构进行简化，以便减轻质船模航态图和航行参数变化图;通过系统实时采集量，用于安装设备、电池以及相应的配载。螺旋桨是的船位进行实际位置摆放校核，其测量精度满足试根据实船舵叶图，利用整块黄铜，先利用机床加工，验要求。再进行人工修正的方法制作而成。舵叶依据实船舵2.2试验条件叶图，采用黄铜制作。2.2.1水流试验条件本文主要研究横流大小和范围与船舶航行参数1.2.3船模运动性能校准船模制作完成后，对船模进行了配载，使船模与间的关系，而横流的大小和范围又与主、支槽流量比实船在静水中的排水量、吃水及平面重心位置达到和主槽流量有直接关系，因而试验中水流的控制是相似要求。船舶在航行过程中，为了快速并减少燃首先调整主槽的纵向流速，再利用主、支槽流量比调料消耗，驾驶员总是以一定的速度沿直线航行;而在整横流的大小和范围。主槽纵向流速的大小，因支预定航线上发现障碍物或其他船舶时，为避免碰撞，流的汇人后沿程变化，上下游的流速大小不等，可按需改变航速或航向191，因而需要校准船舶在航行过照船舶航行方向的流速进行控制，即船舶逆流上行程中的操纵性能。时控制下游流速，船舶顺流下行时控制上游流速，以船模静水航速的选择及其率定为:参照目前内河受汇流口影响较小处的流速控制。试验中的上下游船舶的航行速度，试验船模的静水航速分别取2.5,纵向流速控制在0.5,1.0和1.5m"s-'(原型值).3.0与3.5m"s'(已换算至原体);首先在静水中检主槽纵向流速大小的控制除与上游来流量有验并调整船模的直航稳定性，然后按不同的数值，通关，同时与下游控制水位有关，下游尾门的控制水位过调整螺旋桨的转速，使船模的车速达到设定值。又与航道水深有关。水深对船舶航行的影响主要由船模操纵性参数效应修正:为保证自航船模与水深吃水比h/T来反映，文献〔10]认为h/T<3.00实船的水动力相似，实际中通常以重力相似为主进时，船舶航行必须考虑浅水的影响，因而试验中的水行设计制作，但船模受到的阻力往往比实船要大，为深吃水比一般控制在h/T>3.00。但考虑到对比分保证航速相似，须提高螺旋桨转速，舵叶则处于较强析，其中有一组h/T为2.11。共进行9组水流试的推进器尾流中，从而使船模的舵效较实船好，造成验，试验控制条件见表3,船模与实船的操纵性不相似，需进行尺度效应修正;2.2.2船模航行试验条件因没有实船操纵性验证资料，现按类似船型和比尺船模采用3种静水航速、2种航行方式分别沿船模的试验结果进行修正，主要采用减小舵叶面积不同航线航行(表3)。车速1,2,3对应的静水航速的方式进行处理，500,300t级船模尺度效应修正分别为2.5,3.0,3.5m"s-';2种航行方式分别为:万方数据 交通运输工程学报2008年操纵舵角保持航向与设定航线平行的航行方式(简称无fm向角航行)与操纵舵角限制船舶在航路中航行的方式(简称限制航路航行)。裹3船模的航行试验条件Tab.3Conditionsofnavigationtestforshipmodels控制流速/主、支槽水深吃航行车速/航道中心线船型航线(m·1-1)流量比水比方式(m"81)上游0.51.443.51两种方式下行1.无苗向角航行下游0.50.443.90限制航路上行采用航线1,21图2船舶力学模型上游1.02.093.20两种方式下行2.限制航路航Fig.2Mechanicalmodelofship行:上游控制流速薄500t下游1.01.043.82两种方式上行2.5,叭油为1.5m.,71娜尊上游152.543.25两种方式上行3.0与时，采用航线1-誉下游1.51.633.49两种方式上行3.5，鱿5，下游控制流速、.r卜声r、上游1.02.502.11两种方式下行为1.5m"s1时，、.厂鱿J上游0.51.445.52两种方式下行采用航线1-r6,其、.、300t余采用航线1-4下游1.51.445.52两种方式上行1~潜卜-F翻.注:下行指船舶顺水航行，上行指船舶逆水航行;采用的航线均指船舶初始位拜络于的航线。心、3受力与流速分析(8)船舶下行(b)船铂上行3.1受力分析图3船舶速度模型船舶跨越横流区时的受力(图2)主要有船舶自Fig.3Velocitymodelsofship身的推力F、平行于船体的水流阻力R'，及船体侧表示船舶下行，“一”表示船舶上行。向的横流作用力R‘二。R，二可等效为作用于船舶重船舶下行越过横流区，一般斜向顶着横流，心的横流力R'}和扭矩M二。船舶在平面上的运动V'二>V.;上行越过横流区，同样需要斜向顶着横既有平动又有转动，横流作用力R'二促使船舶横向流，V‘二