淺水效應(yīng)對(duì)船舶阻力及流場(chǎng)特性的影響研究

謝振 吳為 范吳斌

摘 要：眾所周知，當(dāng)船舶在水中航行時(shí)，水的阻力將影響船舶的速度。當(dāng)海浪從深海向淺海或淺海航行時(shí)，淺水效應(yīng)將對(duì)船舶的速度、阻力和船體產(chǎn)生一定的影響，從而影響船的操控等多個(gè)方面。

關(guān)鍵詞：淺水效應(yīng)；船舶阻力；研究與分析

引言：

本文為探究淺水效應(yīng)對(duì)于船舶阻力及流場(chǎng)特性，結(jié)合了RANS方法，通過改變相應(yīng)的水池水位，探討水位變化對(duì)船舶阻力和流場(chǎng)特性的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)淺水效應(yīng)的影響主要與水深吃水比，與Fh=V/gH有關(guān)，下面就具體情況列出具體分析。

一、淺水效應(yīng)

淺水效應(yīng)是指淺水中較大的附屬物，隨著水深與吃水比的減小，大附屬物的運(yùn)動(dòng)特性將發(fā)生很大變化。造成這種現(xiàn)象的主要原因是船舶運(yùn)行過淺或船舶速度比較高。在淺水中航行的船舶由于船體本身速度較大，但此時(shí)水的流速較小，所以導(dǎo)致船舶與水的相對(duì)速度較大，并且船舶在航行過程中其船型波被淺水海域內(nèi)的淺水波所影響，使得船舶的航行狀態(tài)以及船舶外側(cè)的受力狀況都發(fā)生了不同程度的改變。

二、橫向阻力增加及船速下降

一艘船的航行非常復(fù)雜。它不僅需要駕駛員熟練的駕駛技巧，同時(shí)還要有快速應(yīng)變的能力。船舶因?yàn)檫\(yùn)送貨物，經(jīng)常會(huì)航行在各個(gè)港口或近海等地方，而在這些地方航行時(shí)與船舶在深海里航行時(shí)所運(yùn)用的動(dòng)力系統(tǒng)是完全不同的，船舶在淺水中航行具有特殊的水動(dòng)力性能。當(dāng)船舶在深水中航行時(shí)，其船首或船尾的水流以三個(gè)維度的流動(dòng)為特征。弓向兩側(cè)，也有向下的運(yùn)動(dòng)，并有向下突出的特點(diǎn)；船尾從兩側(cè)向縱剖面，向上運(yùn)動(dòng)，并有明顯的向上運(yùn)動(dòng)。但由于淺水區(qū)域?qū)τ谌S空間內(nèi)水的流動(dòng)的限制，使得船頭與船尾的部分的水的流動(dòng)不得不轉(zhuǎn)化為二維平面式水流動(dòng)方式，這樣就產(chǎn)生了不同水深區(qū)域內(nèi)水的壓力對(duì)于船體本身的影響的問題。當(dāng)一艘船在淺水中以較低速度滑行時(shí)，船體底端與河床之間形成了狹窄的水道，使得船低的流速增大。

三、計(jì)算機(jī)模型的建立

（一）研究對(duì)象

基本守恒定律質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律，由于水本身作為一種不可以進(jìn)行壓縮的液體，可以只考慮質(zhì)量守恒方程以及動(dòng)量守恒方程。在確立研究對(duì)象時(shí)，本文以KCS集裝箱船為研究對(duì)象來討論船舶阻力與水深的關(guān)系。KCS集裝箱船的具體參數(shù)是垂線間長(zhǎng)為7.28米，最大船寬1.02米，吃水0.34米，濕表面積為9.44平方米，方形系數(shù)0.65，雷諾數(shù)1.4乘以十的七次方，傅汝德數(shù)0.26，進(jìn)速為2.196.

邊界的入口采用速度入口，速度為2.196米每秒，出口采用壓力出口，出口壓力為10千帕。

四、計(jì)算結(jié)果分析

（一）淺水阻力的分析

船舶在航行時(shí)，會(huì)在淺水中產(chǎn)生淺水效應(yīng)，淺水阻力和相關(guān)影響很大。接下來就船舶在淺水區(qū)域內(nèi)航行的某些注意事項(xiàng)進(jìn)行分析：首先船舶在行駛在淺水區(qū)域內(nèi)應(yīng)該以較低速度行駛，尤其是大型船舶更應(yīng)注意水深對(duì)于船體下沉等的問題。在淺水中航行要防止吸底和損壞螺旋槳問題，因?yàn)榇霸谕ㄟ^淺水水域時(shí)必須要以低速航行，面對(duì)一些船底較平，線型豐滿的船舶，淺水效應(yīng)對(duì)于船舶阻力的影響非常明顯，一旦船速過高，可能會(huì)導(dǎo)致吸底或螺旋槳損壞的情況出現(xiàn)，這就要求船舶的駕駛?cè)藛T需要熟練的掌握應(yīng)對(duì)穿過淺水區(qū)域航線的相關(guān)操作辦法。有關(guān)數(shù)據(jù)分析得出，在航行水深比十倍吃水大時(shí)，船舶阻力受水深變化影響較小可以忽略不計(jì)，此時(shí)不考慮淺水效應(yīng)的發(fā)生。阻力系數(shù)與吃水深度成反比，即單側(cè)增大，另一方在減少，當(dāng)水深下降到四倍吃水時(shí)，船舶的阻力成直線增大，所以可以得出，在船舶行駛到較淺海域時(shí)對(duì)于船舶的阻力性能都會(huì)產(chǎn)生較大的影響。

（二）抽吸力對(duì)比分析

根據(jù)伯努利方程，流速增加，壓力減小，因此底部的吸力垂直于水線。當(dāng)船舶在淺水區(qū)滑行時(shí)，底部與航道之間的縫隙較窄，因此根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，垂直于水線的吸力變化和船舶阻力與變化的趨勢(shì)基本相同。當(dāng)航行水深大于水的十倍時(shí)，基本上保持垂直于水線的吸力，穩(wěn)定狀態(tài)，而當(dāng)小于時(shí)，垂直于水線面的抽吸力隨水深的變化就會(huì)比較明顯。由此得出，船舶阻力的增減變動(dòng)與垂直于水線面的抽吸力有著密不可分的關(guān)系。

（三）伴流場(chǎng)對(duì)比分析

KCS是一艘單槳船，對(duì)于單漿船來說，螺旋槳在船后工作，螺旋槳的運(yùn)行將受到船體本身的影響。流場(chǎng)中的尾流信息是檢驗(yàn)船舶水動(dòng)力性能的重要依據(jù)。因此，對(duì)于水域深度與漿盤面伴流場(chǎng)的關(guān)系就顯得尤為重要。漿盤面平均伴流分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律是水深與伴流分?jǐn)?shù)呈反比例函數(shù)，即一方增大，另一方減少，也就是說造水深增大時(shí)，其伴流分?jǐn)?shù)逐漸減小，在水深減小時(shí)，其伴流分?jǐn)?shù)逐漸增大。隨著水深的不斷減小，船底的速度不斷增大，這種速度被稱為回流速度，本身船體與水域就會(huì)形成狹窄的水道，而水的粘性使得船舶的船底流速增大、從而導(dǎo)致船體下沉、吃水量增加進(jìn)而導(dǎo)致船舶在水中的阻力更大。

結(jié)束語(yǔ)：

本文結(jié)合KCS集裝箱船作為基礎(chǔ)模型，分析了模型在不同水深下的船舶阻力及流場(chǎng)特性的影響，從計(jì)算機(jī)模型的建立到相關(guān)參數(shù)分析，再到計(jì)算結(jié)果中對(duì)于淺水阻力、抽吸力對(duì)比以及伴流場(chǎng)對(duì)比的相關(guān)分析得出了不同情況下淺水效應(yīng)對(duì)船舶阻力及流場(chǎng)特性的結(jié)論，即隨著水深的減小，阻力在不斷增大，并且水深在減小的過程中抽吸力不斷增加，增幅也越來越大，漿盤面各方向伴流分?jǐn)?shù)呈增大趨勢(shì)，不過淺水效應(yīng)對(duì)于船舶阻力還有許多其它方面的影響，需要進(jìn)一步探索。

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