浮式防波堤拖航阻力性能研究

林 堅(jiān)，姚震球，蔣志勇

(江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003)

防波堤主要是為了阻斷波浪的沖擊力、圍護(hù)港池、維持水面平穩(wěn)以保護(hù)港口免受惡劣天氣的影響、方便船舶安全停靠和作業(yè)而修建的水中建筑物.防波堤還起到了防止港池淤積和波浪沖蝕海岸線的作用，也是人工掩護(hù)沿海港口或海上島嶼的重要組成部分.所及浮式防波堤的運(yùn)輸方式為海上拖航，對(duì)其阻力的研究有著十分重要的工程意義［1－6］.

海上結(jié)構(gòu)物在拖輪牽引下航行時(shí)，拖航阻力的大小直接影響著拖輪和設(shè)計(jì)航速的選擇.防波堤在拖航時(shí)，受到的阻力為水阻力和空氣阻力，但由于防波堤在空氣中的面積小，其空氣阻力占總阻力的比例較小.而水阻力主要包括靜水阻力和洶濤阻力等［7］，是拖航過(guò)程中拖帶阻力的重要部分.

1 防波堤模型介紹

文中所研究的單個(gè)防波堤模型如圖1所示，整個(gè)模型由4個(gè)部分組成，包括2個(gè)空心水泥筒、14根水泥連接柱和防浪網(wǎng).總長(zhǎng)度為20 m，寬為10 m.2個(gè)空心水泥筒的外直徑為4 m，壁厚為0.15 m，內(nèi)部設(shè)直徑50 mm的鋼筋24根.水泥連接柱直徑為0.5 m，長(zhǎng)度為2 m，內(nèi)部設(shè)有直徑32 mm的鋼筋21根.防浪網(wǎng)的外框是由鋼架構(gòu)成，高度為7.5 m，防浪球(重力等于浮力)布滿1/3防浪網(wǎng)的空間.防浪網(wǎng)下為沉子，為每個(gè)5 kg的石塊.防波堤的總重量約為260t(包含防浪網(wǎng)和沉子)，拖航中其吃水約為2m，按照如圖1所示通過(guò)圓心建立坐標(biāo)系，重心高度Z約為0.29 m.防波堤的總布置圖如圖2所示，將10個(gè)防波堤單元串連綁扎成一排置于碼頭外一定距離，用來(lái)抵御波浪對(duì)碼頭棧橋的沖擊，從而達(dá)到防浪的效果.

圖1 單個(gè)防波堤Fig.1 Views of floating breakwater

圖2 防波堤總布置Fig.2 General arrangement plans of floating breakwater

文中所涉及的防波堤采用海上直接拖航的方式運(yùn)送至目的地.防波堤的防浪網(wǎng)實(shí)際是置于水下的(圖1)，但在拖航過(guò)程中，為了減少拖航阻力，需將防波堤翻轉(zhuǎn)180°，使得防浪網(wǎng)不浸于水中，另外，由于防波堤結(jié)構(gòu)及型線，在拖航過(guò)程中防波堤剩余阻力占總阻力比重較大，為了減少阻力，在其艏部安裝了錐形頭，優(yōu)化了防波堤的型線.

2 錐頭參數(shù)

初步采用的錐頭參數(shù)如圖3所示，根據(jù)20∶1的縮尺比，模型中加裝錐頭的錐尖到錐底面的高度為200 mm，另外，錐底面的半徑跟防波堤模型筒半徑相等，同為100 mm.

圖3 錐頭示意圖Fig.3 Schematic diagram of conical head

3 數(shù)值模擬

3.1 控制方程和湍流模型

船體以一定的航速在均勻流體中作直線運(yùn)動(dòng)，可視船體模型靜止，來(lái)流沿速度方向流進(jìn)計(jì)算域.模擬防波堤的一個(gè)單元模型在靜水中被拖船以定常速度作勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)周圍的粘性流場(chǎng).根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理，可視防波堤模型為靜止不動(dòng)，而水以相同的速度從遠(yuǎn)處相對(duì)于防波堤模型勻速運(yùn)動(dòng).

假定流體是不可壓縮的，則流場(chǎng)的連續(xù)方程如下所示［8］:

動(dòng)量方程(N-S方程)為:

式中:t為時(shí)間;ui，uj為速度分量時(shí)均值(i，j=1，2，3);P為壓力時(shí)均值;ρ為流體密度;μ為流體的動(dòng)力粘性系數(shù);xi和xj分別為i和j方向上的位置坐標(biāo)為雷諾應(yīng)力;gi為單位質(zhì)量的重力.

通過(guò)對(duì)各種湍流模型的比較，選用了SSTkω湍流模型，又叫剪切應(yīng)力輸運(yùn)k-ω模型.SSTkω湍流模型為低雷諾數(shù)模型，利用湍流動(dòng)能k和湍流頻率ω的輸運(yùn)方程先求出k和ω，再求湍流粘度:

通過(guò)式中的系數(shù)α將近壁區(qū)低雷諾數(shù)Re的影響考慮進(jìn)去.

3.2 計(jì)算模型

基于FINE/Marine軟件建立數(shù)值水池及計(jì)算模型，對(duì)防波堤阻力性能進(jìn)行研究.以防波堤為原型，按20∶1縮尺比建立計(jì)算模型(圖4，5).為避免遠(yuǎn)方邊界條件對(duì)近模型流場(chǎng)的干擾，整個(gè)計(jì)算域設(shè)為X×Y×Z=4.5m×3.0m×1.2m，包含海水和空氣2部分，水深為0.6 m，其中防波堤距進(jìn)水端為1.5 m.為保持實(shí)體和模型的傅汝德數(shù)Fr相等，計(jì)算域的進(jìn)水速度，式中:ε為縮尺比;Ls為防波堤長(zhǎng)度;Lm為防波堤模型長(zhǎng)度，因設(shè)計(jì)航速vs取為6 kn，故而得出水流vm以0.690 m/s的速度流進(jìn)計(jì)算域.同時(shí)，利用HEXPRESS全六面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成器進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在網(wǎng)格制作過(guò)程中，為確保網(wǎng)格質(zhì)量及網(wǎng)格的合理分布，在自由液面處以及模型與水面之間設(shè)置網(wǎng)格加密區(qū)，實(shí)現(xiàn)對(duì)自由液面的精確捕捉.兩個(gè)計(jì)算域的網(wǎng)格數(shù)目大約為240萬(wàn)和270萬(wàn)，網(wǎng)格具有良好的品質(zhì)，為高精度數(shù)值計(jì)算提供了保證.

圖4 原模型Fig.4 Mother mode

圖5 加裝帶錐頭的模型Fig.5 Figure of optimized model

計(jì)算域的邊界條件包含進(jìn)口邊界、出口邊界以及壁面等.來(lái)流方向的進(jìn)口邊界處給定來(lái)流速度和壓力，并假定出口邊界遠(yuǎn)離防波堤且流體達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài);計(jì)算域的上下邊界設(shè)為prescribed pressure邊界，其初始?jí)毫χ祵⒏鶕?jù)流體的重力計(jì)算，整個(gè)計(jì)算過(guò)程中，流體可以自由進(jìn)出該表面.考慮流體粘性的影響，將防波堤表面定義為不可滑移壁面.

3.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

圖7為防波堤阻力圖，其中縱坐標(biāo)為總阻力FX，橫坐標(biāo)為時(shí)間t.本次計(jì)算采用時(shí)間步進(jìn)法獲得穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，時(shí)間步長(zhǎng)取為0.02 s，疊代至10 s時(shí)，防波堤阻力值已經(jīng)基本趨于穩(wěn)定，此時(shí)認(rèn)為已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)解.由圖6可以看出，不帶錐頭防波堤的總阻力FX大約穩(wěn)定于9.05 N，而帶錐頭防波堤的總阻力則于3.69 N趨于穩(wěn)定.由此可推斷，此次數(shù)值模擬計(jì)算初步驗(yàn)證了單個(gè)防波堤艏部加裝加錐頭，大大減少其拖航總阻力.

圖6 設(shè)計(jì)航速下防波堤的阻力Fig.6 Resistance of mother breakwater and optimizedbreakwater at design speed

4 試驗(yàn)對(duì)比

基于上文的數(shù)值模擬，初步驗(yàn)證了加裝錐頭的減阻效果，文中還將通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步來(lái)驗(yàn)證兩種結(jié)構(gòu)形式的防波堤阻力變化情況.

4.1 試驗(yàn)情況

試驗(yàn)在江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院的船模拖曳水池完成.該拖曳水池長(zhǎng)100 m，寬6 m，水深2m.大型拖車，最高車速為6m/s.試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂s尺比為20∶1，模型的寬度為0.5 m，長(zhǎng)度為1 m，模型阻力由阻力儀測(cè)得9］.

該試驗(yàn)主要分成2個(gè)部分，第1部分試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑椴粠уF頭的防波堤;第2部分試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑閹уF頭的防波堤.模型速度按照，對(duì)應(yīng)于實(shí)際拖航速度4～10 kn，模型速度分別為0.460，0.518，0.575，0.633，0.690，0.748，0.805，0.863，0.920，1.150m/s.

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制靜水阻力R曲線(圖7).通過(guò)兩條曲線對(duì)比發(fā)現(xiàn)，加裝錐頭防波堤與不帶錐頭防波堤比較，靜水總阻力有明顯減小，并且隨著模型速度vm2的逐漸增加，效果愈明顯.試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，隨著不帶錐頭的防波堤模型牽引速度的增大，防波堤發(fā)生了縱傾，并且在較高航速時(shí)，首傾超過(guò)了5°，這是造成不帶錐頭防波堤阻力較大的主要原因.當(dāng)防波堤模型速度達(dá)到最大也就是1.150m/s時(shí)，由于試驗(yàn)中防波堤模型在拖航中發(fā)生首沉，圖中顯示的阻力曲線發(fā)生突變.圖中的兩組數(shù)據(jù)，選取模型的有效速度區(qū)間，可以得到帶錐頭防波堤的靜水阻力比不帶錐頭防波堤的靜水阻力要減少58%～60%.

圖7 靜水阻力試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.7 Resistance of optimized breakwater and mother breakwater

最終可以得到2種防波提在設(shè)計(jì)航速時(shí)的軟件模擬和試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，如表1所示.

表1 單個(gè)防波提在設(shè)計(jì)航速時(shí)的計(jì)算值和試驗(yàn)值Table 1 Resistance of optimized breakwater and mother breakwater at design speed

由于試驗(yàn)過(guò)程中有操作和儀器精度等方面的原因，所以試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際存在著一定的誤差.通過(guò)上表可知，軟件數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差范圍在5% ～7%之內(nèi)，兩者吻合度比較理想.

綜所上述，通過(guò)軟件Fine/Marine數(shù)值模擬計(jì)算和靜水阻力試驗(yàn)兩個(gè)方面的驗(yàn)證對(duì)比，得出結(jié)論:防波堤艏部加錐頭的減阻效果比較明顯.

5 防波堤拖航實(shí)際工程中的阻力

在實(shí)際拖航工程中，考慮工程到經(jīng)濟(jì)性和有效性，并不只是僅僅拖帶單個(gè)防波堤.文中提出一種拖航方案(圖8)，將3個(gè)防波堤串聯(lián)綁扎形成一組，兩組防波堤并排擺放，防波堤之間進(jìn)行有效的綁扎，這樣形成了2×3=6個(gè)防波堤組合進(jìn)行拖航.

圖8 防波堤拖航方案示意Fig.8 Program of towing floating breakwater

5.1 理論計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)［10］中第9.2節(jié)提到的駁船隊(duì)阻力計(jì)算方法，對(duì)防波堤組合拖航進(jìn)行阻力估算.其中估算內(nèi)河一列式拖駁船隊(duì)的編隊(duì)阻力公式［10］為:

式中:R為駁船隊(duì)的總阻力，N;R1為單駁的阻力，N;n為駁船的艘數(shù);K為編隊(duì)系數(shù).

式中:CB為方形系數(shù);L為模型長(zhǎng)度;B為模型寬度;d為吃水，h為水深.根據(jù)式(5)以及防波堤模型的尺寸，得到一列式防波堤模型的編隊(duì)系數(shù)K=2.10.由此可以根據(jù)上述試驗(yàn)測(cè)得單個(gè)防波堤的靜水阻力得到兩列防波堤的總阻力.

5.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)過(guò)程如上文所述，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D9所示，其靜水拖曳試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及理論計(jì)算結(jié)果如表2所示.

圖9 試驗(yàn)示意Fig.9 Figure of test model

表2 防波堤編組靜水阻力試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論結(jié)果Table 2 Theoretical result and experiment result of breakwater group

由表2數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，當(dāng)航速?gòu)?～7 kn時(shí)，理論的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的誤差最大為8%，隨后兩者誤差隨著航速逐漸增加而變大.由此可以推斷，計(jì)算防波堤在較低航速時(shí)的靜水總阻力，可以用駁船隊(duì)阻力計(jì)算方法對(duì)防波堤拖航總阻力進(jìn)行初步理論計(jì)算估，該方法具有一定的參考價(jià)值.

6 結(jié)論

1)通過(guò)研究浮式防波堤在拖航運(yùn)輸過(guò)程中阻力性能，發(fā)現(xiàn)鈍頭防波堤在拖航中的阻力較大，故加裝錐型頭，并對(duì)前后阻力進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)分析.

2)通過(guò)數(shù)值模擬，初步驗(yàn)證了加錐頭優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的可行性，又再次通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，充分得出錐頭減阻效果的有效性.

3)試驗(yàn)結(jié)果表明，帶錐頭防波堤在設(shè)計(jì)航速6 kn左右總阻力可減少58.6%.參考單個(gè)防波堤的拖航情況，通過(guò)試驗(yàn)?zāi)M了實(shí)際拖航，并將其試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較分析.

4)防波堤艏部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果大大減小拖航運(yùn)輸中的阻力，為解決海上結(jié)構(gòu)物拖航阻力問(wèn)題提供參考，具有一定的實(shí)用價(jià)值.

References)

［1］ 董華洋.浮箱－水平板式防波堤水動(dòng)力特性研究［D］.遼寧大連:大連理工大學(xué)，2009.

［2］ 邳帥.起重船對(duì)南海海況的適用性研究［D］.天津:天津大學(xué)，2011.

［3］ 應(yīng)業(yè)炬，趙連恩.船舶快速性［M］.北京:人民交通出版社，2007.

［4］ 傅華.國(guó)內(nèi)外拖船的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.船舶，2010，21(4):6－10.Fu Hua.Current situation and development trend of tug boat in China and at abroad［J］.Ship＆Boat，2010，21(4):6－10.(in Chinese)

［5］ 楊西陽(yáng).大型海洋結(jié)構(gòu)拖航阻力分析與應(yīng)急風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估［D］.天津:天津大學(xué)，2012.

［6］ 徐雙喜，李曉彬，曹正林，等.大型沉井浮運(yùn)阻力研究［J］.水運(yùn)工程，2007，12:30 －32.Xu Shuangxi，Li Xiaobin，Cao Zhenglin，et al.On floating transportation resistance of large caissons［J］.Port＆Waterway Engineering，2007，12:30 －32.(in Chinese)

［7］ 盛振邦，劉應(yīng)中.船舶原理［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，2003.

［8］ 鄭小龍，黃勝，尚秀敏.基于CFD的船舶阻力預(yù)報(bào)方法研究［J］.江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014，28(2):110－113.Zheng Xiaolong，Huang Sheng，Shang Xiumin.Study of ship resistance prediction method based on CFD［J］.Journal of Jiangsu University of Science and Technology:Natural Science Edition，2014，28(2):110 － 113.(in Chinese)

［9］ 楊大明，施奇，尹赟凱.某改型低速船模型阻力試驗(yàn)［J］.中國(guó)水運(yùn)，2008，8(10):28 －30.Yang Daming，Shi Qi，Yi Yunkai.Study on a lowspeed ship model resistance experiments［J］.China Water Transport，2008，8(10):28 －30.(in Chinese)

［10］ 朱珉虎.內(nèi)河船舶設(shè)計(jì)手冊(cè)［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1996.