限制性Ⅲ級航道船舶阻力試驗研究

俞中奇， 袁章新， 周 超

(1.湖州市港航管理局，浙江 湖州 313000； 2.上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國家重點實驗室，上海 200135； 3.浙江省港航管理局，杭州 310009)

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，內(nèi)河船舶的運(yùn)輸量不斷增大。為適應(yīng)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需要，我國不斷增大對內(nèi)河航道基礎(chǔ)建設(shè)的投資，建設(shè)骨干航道網(wǎng)，提升航道通過能力，改善通航條件。然而，內(nèi)河航道建設(shè)存在土地、環(huán)境、資源等多方面制約因素，必須綜合考慮土地節(jié)約、資源保護(hù)、航運(yùn)安全、建設(shè)成本[1]。船舶航行阻力是影響內(nèi)河航道建設(shè)與航運(yùn)經(jīng)濟(jì)性的重要因素之一，與航道尺度關(guān)系密切，是航道設(shè)計、航道管理、船舶設(shè)計、船舶營運(yùn)等部門關(guān)注的焦點。為此，浙江省港航管理局牽頭，聯(lián)合國內(nèi)相關(guān)規(guī)劃設(shè)計部門、科研院所開展了“資源節(jié)約型限制性Ⅲ級航道建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究”工作，其中上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所承擔(dān)船舶航行模型試驗。

通過限制性Ⅲ級航道船舶阻力試驗研究，分析了船舶阻力變化規(guī)律，提出了1 000 t內(nèi)河散貨船的阻力估算公式，建立水深、航道斷面對阻力影響的修正系數(shù)。

1 限制性航道船舶阻力估算方法

國內(nèi)外學(xué)者通過大量的理論和試驗研究，提出了許多阻力估算方法，常用的有愛爾法、茲萬科夫法、施里希丁法、阿普赫金法、巴甫米爾曲線法、泰勒蓋脫勒法等。對于在無限寬闊的海上航行船舶，已經(jīng)形成了一套比較成熟的船舶阻力預(yù)報方法，具有較高的預(yù)報精度[2-3]。對于內(nèi)河限制性航道船舶航行阻力，由于影響內(nèi)河船舶航行的因素眾多，船型復(fù)雜多樣，阻力估算的精度總體較低。國內(nèi)外學(xué)者也提出過內(nèi)河船舶阻力的一些估算方法[4-8]，其中茲萬科夫法應(yīng)用較為廣泛，但將該方法應(yīng)用于計算淺水與狹水道對船舶阻力的影響等方面還有待進(jìn)一步商榷[9]。因此，長期以來船模試驗仍是確定船舶阻力的主要手段。

1.1 基于船模試驗的阻力計算方法

船舶的總阻力主要由摩擦阻力、興波阻力、粘壓阻力等部分組成。由于粘壓阻力一般所占比重不大，且難以同興波阻力分開，故通常把粘壓阻力與興波阻力合并在一起稱為剩余阻力。因此,船舶總阻力可表達(dá)成

R=RF+RR

(1)

(2)

(3)

式(1)～式(3)中：R為總阻力；RF為摩擦阻力；RR為剩余阻力；CF為摩擦阻力系數(shù)，ΔCF為粗糙度補(bǔ)貼系數(shù)，一般取0.4×10-3；CR為剩余阻力系數(shù)；ρ為水密度；S為船體濕表面面積。

由于采用這種方法得到的阻力計算結(jié)果與實際相當(dāng)接近，因而被廣泛使用。

1.2 茲萬科夫公式

內(nèi)河船舶阻力通常用茲萬科夫公式計算。茲萬科夫法是根據(jù)前蘇聯(lián)伏爾加河非自航駁船的試驗結(jié)果，并分析其他近似公式而得出。

船舶總阻力

R=fSV1.83+ξCBAmV1.7+4Fn

(4)

(5)

式(4)～式(5)中：f為摩擦阻力系數(shù)，一般取0.17；S為船舶浸水面積(m2)；ξ為剩余阻力系數(shù)；Am為船浸水部分舯剖面面積(m2)；CB為方形系數(shù)。

茲萬科夫公式可用于粗略估算一般內(nèi)河自航或非自航船舶的阻力，但在限制性航道，船舶阻力受到淺水和狹水道的影響，故應(yīng)用該公式時需要修正。

由茲萬科夫公式中各參數(shù)的物理意義可知，該公式的前一部分為摩擦阻力,后一部分為剩余阻力。船舶在限制性航道中航行時，阻力較非限制性航道明顯增大，而兩者在相同船速下，其摩擦阻力相同，阻力差異主要反映在剩余阻力的增大。因此，限制性航道中的船舶阻力估算，可通過修正剩余阻力來實現(xiàn)。

2 船舶阻力模型試驗

2.1 試驗船型及航道斷面參數(shù)

2.1.1 試驗船型

船型參數(shù)見表1。

2.1.2 航道斷面

模型試驗所采用的航道斷面(見圖1)航道邊坡斜率為1∶4，設(shè)計最低通航水位為3.2 m。試驗航道參數(shù)見表2。

2.2 主要試驗成果

通過對1 000 t散貨船的船模阻力測量以及船模與實船的阻力換算，得到船舶在不同尺度航道中的阻力(見圖2～圖6)。

3 航道尺度對阻力的影響分析

3.1 水深吃水比(h/d)對阻力的影響

由圖2～圖5可知：船舶在航道中航行，其航行阻力隨航速的增大而增大；隨水深的減小而增大。

從圖6可以看出，航速<8 km/h時，增大H/d對航行阻力的影響相對較??；航速>8 km/h時，增大H/d對降低航行阻力有較明顯的作用。

表1 1 000 t散貨船船型參數(shù)

圖1 試驗航道斷面形狀

表2 試驗航道參數(shù)

圖2 50 m航道

圖3 55 m航道

圖4 60 m航道

圖5 70 m航道

圖6 阻力與h/d的關(guān)系

圖7 阻力與斷面系數(shù)n的關(guān)系

3.2 斷面系數(shù)對阻力的影響

航道斷面系數(shù)是影響船舶航行阻力的重要因素。試驗表明，斷面系數(shù)越小，船舶航行阻力越大。由圖7可知，船舶低速航行時(航速<8 km/h)，斷面系數(shù)<5，阻力隨斷面系數(shù)的減小而迅速增大；斷面系數(shù)為5～8時，阻力隨斷面系數(shù)的增大而緩慢減小;斷面系數(shù)>8時，斷面系數(shù)增大，阻力變化不大。隨著航速的增大(航速>8 km/h)，斷面系數(shù)對阻力的影響顯著增大；斷面系數(shù)<6時，阻力隨斷面系數(shù)的減小而迅速增大；斷面系數(shù)為6～10時，阻力隨斷面系數(shù)的增大而緩慢減小，斷面系數(shù)>10時，斷面系數(shù)增大，阻力變化不大。

4 限制性航道船舶阻力估算

4.1 深水中的阻力估算

應(yīng)用茲萬科夫公式計算了1 000 t散貨船深水中的阻力，并與試驗值進(jìn)行了比較(見圖8)。結(jié)果表明，計算值與試驗值基本一致，在低速段計算值稍偏大，高速段計算值偏小，在試驗的航速范圍內(nèi)，最大誤差為8.3%。

圖8 深水中的阻力

圖9 剩余阻力系數(shù)與Frh的關(guān)系

4.2 限制性航道阻力估算

船舶在限制性航道中航行時，受到河道岸坡和河床底部邊界的影響，船舶航行阻力比深水中大。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，參考有關(guān)近似計算方法及公式，提出了阻力的近似估算公式。

(6)

(7)

通過對50～70 m航道的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到剩余阻力系數(shù)ξ與Frh具有圖9所示的關(guān)系。為便于計算，對剩余阻力系數(shù)進(jìn)行了回歸分析，得到

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

4.3 估算精度

為驗證估算公式的精度，將試驗結(jié)果與公式計算結(jié)果進(jìn)行了比較，詳見圖10～圖14(圖中實線為計算值，點為試驗值)，結(jié)果表明，估算具有比較滿意的計算精度，平均誤差≤8%。

圖10 50 m航道阻力比較

圖11 55 m航道阻力比較

圖12 60 m航道阻力比較

圖13 70 m航道阻力比較

圖14 60 m航道阻力比較(52.6 m船)

5 結(jié) 語

限制性航道尺度是影響船舶航行阻力的重要因素，合理的航道斷面尺度不僅可以提高航道改造的經(jīng)濟(jì)性，而且還可以大幅降低船舶航行阻力，提高船舶航行經(jīng)濟(jì)性。試驗表明，增大航道水深是降低船舶航行阻力最有效的措施。

應(yīng)用茲萬科夫公式估算內(nèi)河船舶在深水中的航行阻力具有一定的精度，估算限制性航道中的阻力必須作適當(dāng)修正。根據(jù)物理模型試驗結(jié)果，針對具體的限制性Ⅲ級航道斷面形狀、面寬及水深尺度范圍提出的阻力計算公式，有較高的計算精度。

由于試驗的船型、船舶裝載狀態(tài)及航道斷面有限，提出阻力估算公式適用范圍仍有一定局限性，是否適用其他船型尚需要進(jìn)一步研究。

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