中间渠道船舶航行阻力数值模拟计算

冯伟

重庆交通大学  重庆  400074

摘要：中间渠道是一种特殊的限制性航道，船舶的航行阻力是确定其尺度的关键参数，而船舶航行阻力又与船舶航速,中间渠道的断面系数，下沉量有着一定的关系，本文采用数值模拟的方法，采用flow3d，测定了3000吨级单散货船在不同断面系数（1-5），不同航速下的船舶阻力值，通过对数值模拟结果进行分析，总结出船舶航行阻力变化的趋势   

关键字： 中间渠道；数值模拟；船舶阻力

1．中间渠道研究现状

对于梯级船闸和升船机间，通常需要设置中间渠道来串联，中间渠道是一种两端封闭的限制性航道，然而，在我国《内河通航标准（GB 50139—2014）》中，对限制性航道和船闸尺度等均有规定，但对中间渠道这种特殊限制性渠道的断面尺度，尚未制定专门的通航标准。本文通过对中间渠道船舶阻力进行数值模拟计算，以求探索出一种有关中间渠道的尺度的设计规范。

1.1国内研究现状

关于中间渠道的研究，一方面，前人多以研究中间渠道内非恒定流水流特性，通航水流，以及渠道尺度与渠道内船舶航行方式等为主。周华兴，高学平利用物理模型结合数学模型, 研究船闸泄水进入中间渠道后, 中间渠道内的水流条件与渠道尺度的关系 。根据波动特性, 对渠道内水体波动进行了定义 。试验发现, 船闸泄水正波在前进中波前逐渐变陡, 到一定程度, 波前水体形状将不再稳定, 并形成短周期波 。

1.2国外研究现状

美国1953 年对 Welland 运河和船闸中间渠道的涌浪问题进行了原体观测和室内试验，提出减轻涌浪可采用降低灌泄水速度，加大河道尺度，制定合理的船闸运转方式、设调节池等方法

1.3船舶阻力研究现状

船舶阻力即是指的是船舶在航行中受到的阻力，一般分为三部分，一部分为兴波阻力Rw， 一部分为船体摩擦阻力Rg  ，一部分为黏剩余阻力Rvp，各种阻力成分在总阻力中所占比重在不同航速的船中是不相同的，对于低速船来说，摩擦阻力Rf占总阻力的70%-80%，黏剩余阻力Rvp约等于或大于10%，而兴波阻力Rw成分很小；对于高速船，Rf约占总阻力的40%-50%，而兴波阻力Rw却可达50%左右。

国内外学者对船舶阻力进行大量的理论和试验研究，提出了许多的关于船舶阻力的估算方法，对于海上航行的船舶已经形成了一套成熟的船舶阻力预报方法，最常用的船舶阻力的公式方法有爱尔法、兹万科夫法、施里 希丁法、阿普赫金法、巴甫米尔曲线法、泰勒盖脱勒法等

 2 .船舶阻力经验公式计算：

（1）基于船模试验的阻力计算方法

      R为总阻力 ；  为摩擦阻力；为摩擦阻力系数，为粗糙度补贴系数，一般取  为剩余阻力系数；为水密度；为船体湿表面面积

（2）Holtorp阻力估算公式

Rf：根据ITTC1957公式得到的摩阻力；

1+k1：船型系数；

Rapp：附体阻力；

Rw：波浪阻力；

Rb:球鼻艄引起的附加阻力；

Rtr：方艉浸没引起的附加阻力。

适用于估算较低傅汝德数船型的阻力。

（3）兹万科夫公式计算

RV =0.17SV1.83+ξCBAM V1.7+4Fn

式中:RV为水流阻力(kg)；S为船舶浸湿面积(m2),S=LW(1.8T +CBB), LW为水线长(m),T为吃水(m),B为船宽(m),CB 为方形系数；V为船对水速度, V=VS +VC，VS为表面流速(m/s),取船长范围的平均值，VC为船舶上驶对岸航速(m/s)；AM为中横剖面面积(m2), AM =CMBT,CM为舯剖面方形系数；Fn为傅汝德数，Fn=V/√gh,式中h为水深(m)；ξ为剩余阻力系数,按下式计算:ξ=1.77mCB2.5 /[(L/6B)3+2],式中:m无隧道船取1.0,有隧道船取1.2。

（4）川江驳船船舶阻力计算公式

根据实船和船模试验结果 ,我国川江驳船船舶航行阻力一般依下式计算:

RV =f′SV1.83 +ξ′CBAM V1.7 +0.03V

式中:f′为摩擦阻力系数, f′=k [0.137 +0.258/(2.68+Lω)]；

k =[1+0 .0043(15 -t)];t为水温；ξ′为剩余阻力系数,取ξ′=6.0。计算时发现, 用上式计算的水流阻力较实船试验结果一般偏小。

3.船舶阻力数值模拟计算

 3.1网格划分加密：

 基于通用商业软件平台FLOW·3D求解器，对目标3000t干散货船，进行数值模拟计算，对边壁和水面，和船体进行局部加密，，左右边壁采用渐变网格加密，加密网格单元格尺寸大小为0.05×0.1×0.5，船体周围采用均匀网格加密，加密网格单元格尺寸大小为0.25×0.25×0.5，下边壁采用渐变网格加密，加密网格单元格尺寸大小为0.25×0.5×0.5，水面采用渐变网格，加密网格单元格尺寸大小为0.05×0.5×0.5，设置的最小时间步长为，在150s左右计算达到稳定，总模拟时间为200s。

3.2边界及初始条件设置：

根据中间渠道两端封闭的特征，设置渠道两端E,F边界为无滑移壁面边界，垂直于此边界的速度为0，C,D,B为渠道的左右和下边壁也设置为无滑移壁面边界，上边界A设置为自由表面边界，定常压条件。给定初始水深为4.5m,船体吃水为3m，整个渠道成1000m，模拟船体为3000t干散货船。

3.3计算工况

    本次数值模拟计算了3000t船在不同航速，不同断面系数下在中间渠道中航行的船舶阻力值。从计算的工况大致可以看出当水深一定的情况下，同一航速，渠道宽度增大，断面系数变大的情况下，船舶的航行阻力不短减小，而断面系数很小的时候，渠道宽度很小，船舶阻力很大。宽度，水深一定的情况下，船舶阻力随航速的而增大而增大。

4.误差分析

从误差分析可以看出航道宽度在24m时，刚开始误差很大，在增大航速之后，数模计算值和俞中奇拟合公式值，不断趋近，误差不断减小，最后误差小于10%，航道宽度在28.8m之后的误差小于30%，普遍误差在10%-20%左右。

5.结论

船舶阻力是中间渠道尺度设计的关键参数，要合理，经济的设计中间渠道的尺度，且让船舶在中间渠道中以安全的航速航行，防止岸壁效应，和浅水效应对船舶的安全造成危害，就要关注船舶阻力的计算。由于船模试验的缩尺效应造成的误差的影响，有时会使得测出的试验值与实际值出现较大误差，且若进行实船试验，虽结果较为精准。

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