施工导流期的斜流效应船模试验研究

刘晓平，邹开明，王能贝，方森松

（长沙理工大学水利工程学院，长沙 410076）

施工导流期的斜流效应船模试验研究

刘晓平，邹开明，王能贝，方森松

（长沙理工大学水利工程学院，长沙 410076）

以某低水头航电枢纽水工模型试验为基础，进行了遥控自航船模试验，分析了施工导流阶段围堰引起的横流对船模航行的影响。结果表明，斜流对船模航行的影响程度主要与横向流速大小、区域及船体的对岸航速有关。该研究方法可以为航道水力学研究和航道工程设计提供参考。

水工模型试验；船模；施工导流；斜流效应

1 概 述

当河道的水流与船体航行方向不一致的时候，斜向的水流会使船体产生横向漂移，通常称之为斜流效应。船舶经常会受到斜流的影响：如，船舶横穿江河水流由此岸到彼岸的过程，水流流向与船舶纵轴之间会有一个夹角，因而形成水流对船舶的斜流效应；船舶由支流航道进入主流航道或由主流航道进入支流航道的航行过程；船舶经过弯曲航道或穿越回流水域时，如果水流流线的弯曲度能对船舶形成一定的夹角时，通常也要产生一定的斜流效应；船舶在进出船闸等通航建筑物引航道口门区时，由于引航道口门区处于动静水相交的水域，通常总是有斜流、回流的存在，因此船舶在此处的斜流效应也是明显的。由于斜流效应对船体带来的横向漂移会影响船舶的安全航行，因而国内外比较重视对斜流效应的研究。

国外有些国家在通过系列的试验后，通过规定斜流效应引起的水流状态参数来削弱其影响。为了削弱斜流效应带来的影响，我国《船闸设计规范》［1］规定：口门区最大表面横向流速不大于0.3 m／s；张声明［2］根据船模试验结果得到船队横向漂移的速度与航道内横向水流的速度关系；陈永奎［3］通过简化假设，建立了船舶在斜流场和用舵条件下的关系式。对于一些航运繁忙的低水头水利枢纽，如果在施工导流阶段需要通航，由于围堰的修建，坝址处的束窄河段水流变得湍急而复杂，船舶通过时一般也有斜流效应问题。目前国内外对施工导流阶段束窄河段的斜流效应问题还没有专门的研究。本文拟在某低水头航电枢纽水工模型的基础上，利用遥控自航船模，分析斜流效应与横流大小和船体的对岸航速的关系。

2 束窄河段斜流效应

当船舶航行在施工导流的束窄河段的时侯，一般把斜流分解为沿航线方向的纵流和垂直航线方向的横流。根据沿航线的横流速度大小是否相等，可以把横流分为均匀横流与非均匀横流。如图1所示，船体在斜流区航行的时候，船舶在不操舵的情况下主要的受力有船舶自身的推力F、平行于船体的水流阻力Ry及船体侧向的横流作用力Rx。当航行区域为均匀横流的时候，横流对的船舶的横流作用用力Rx可以简化为形心处的一个集中力Fx，这个力的存在会使得船体发生横向漂移。当船体在非均匀横流中航行时，横流作用力Rx可以对船模形心简化为横流力Fx和扭矩Mxy，因此船舶在行进时的运动既有平动又有转动。横流作用力Rx促使船舶横向漂移，扭矩Mxy使得船体转动。

图1 束窄河段船模力学模型Fig.1 Mechanical analysis of ship model in constricted river channel

当束窄河段的斜向水流流速V与航线间的夹角为α时，即可得横向流速与纵向流速与斜流大小的关系：Vx＝V sinα，Vy＝V cosα。斜向流速V与船舶本身的车速V0合成后为船模的对岸航速V1。在斜流效应中，以往的研究表明船舶航行的时候，各航行参数和横向流速与对岸航速的比值有很大关系。

3 试验概述

3.1 模型与控制测量设备

船模试验所用的水工模型为长度1∶100的正态定床模型，坝址所处河流为典型的分叉河流，模型范围上起坝轴线上游单一河段处约4.3 km，下至坝轴线下游单一河段处约7.4 km，全长约11.7 km。根据设计的施工导流方案，一期围堰围左汊船闸和10.5孔泄水闸。

船模模拟的船体为1 000 t的船舶，模型船长为85 cm，宽为15 cm，采用2节2.4 V的镍氢电池驱动。船模制作主要根据船舶线形图、浆叶图、舵叶图按照几何比尺缩尺加工，船体采用玻璃钢制作而成。在每次试验之前，都需要对船模进行静水试验及航速率定试验。试验采用VDMS系统实时采集安装在船模船头、船尾的粒子，进行非接触快速检测，并用舵角接受仪船模操纵要素进行同步遥测，再通过船位校正，系统由内置程序得出漂角、漂距以及相应的航速。利用生成的相应船位坐标，在枢纽布置图上生成船位图。表面流场测量采用VDMS系统对表面粒子实时图像采集与处理。

图2 流量Q1＝10 000 m3／s流场图Fig.2 Diagram of flow field when Q1＝10 000 m3／s

3.2 试验内容与方案

本文主要研究横流大小和对岸航速对船舶航行参数之间的关系。参照目前内河船舶的航行速度，试验船模的静水航速分别取3.5 m／s和3.0 m／s。经过多次试验，选择2条有代表性的航线一和航线二（图2至图4）。试验在工况Q1＝10 000 m3／s和工况Q2＝13 500 m3／s 2种典型流量下进行。在试验开始前，用VDMS系统测得2种流量下的表面流场，测得的流场图如图2和图3所示。从流场图可以看出，坝址附近在工况Q2＝13 500 m3／s下的斜流强度无论是大小还是区域都比工况Q1＝10 000 m3／s下要大。为了避免船模试验及人工操作的随机性，对同一试验航段的试验进行多次航行，对航态及参数最优的试验组取值。船模采用保持与设定航线平行的无艏向角航行方式。

4 试验结果分析

本次船模试验的航段为：从坝址上游800 m至坝址下游700 m的航段，全长约1 500 m。在拟定的试验方案下，详细测试了船模的航态和操纵要素，得出了如表1所示的航行参数以及图4所示的船模在Q2＝13 500 m3／s流量下船模航行图。

船模航行试验成果表明：

（1）在进行船模试验的时候，船舶航行试验时，船舶的操舵角和航行漂角均需控制在某一范围内，即船队在口门区航行时，操舵角不应大于20°，航行漂角不应大于10°。船模在航线一时，在2种工况对应的不同航速下的航行参数都超过了上述安全参数限制范围，而航线二的航行参数都在参数限制的范围之内。从航行参数看，航线二的通航水流条件要优于航线一的通航水流条件。

（2）在2种不同的工况下，船模在2条航线上的航行参数都有一个特点：不论船舶上行还是下行，船模在车速更高的时候，航行的航态更好，克服斜流效应的能力更强。但随着水流条件加强，车速对船舶的控制作用削弱。沿程先增后减，极值出现于横流峰值附近。这种变化过程可以从图4中船模的航行路线可以看出。

（4）对于航道的通航条件而言，无论是船模试验还是实船试验，船体偏离航道的漂移量（漂距）是一个很重要的通航稳定性指标。曹明雄［4］在内河航道横流对船舶航行影响一文中是采用数值拟合的方法对漂移量和横向流速与对岸航速的比值进行分析，得到了漂移量与以2个量还有与船型横流区域大小有关的常数之间的函数关系。本文采用类似的方法得到了船舶漂移量和横向流速与对岸航速的比值关系图，见图5。

图3 流量Q2＝13 500 m3／s流场图Fig.3 Flow field of diagram w ith Q2being 13 500 m3／s

图4 流量Q2＝13 500 m3／s船模航行图Fig.4 Navigation routes of ship model when Q2＝13 500 m3／s

（3）不同控制流量条件下，无论是上行还是下行，船舶保持无艏向角以2种车速操纵时沿航迹线的横、纵向流速，舵角，漂角，对岸等参数沿程变化趋势基本一致。例如在Q1＝10 000 m3／s流量时，横向流速沿程首先增大，在航线一上，横向流速由最初的0.33 m／s，增加到峰值0.56 m／s后逐渐减小至0.03 m／s，而在航线二向流速最初是0.16 m／s，增加到峰值0.19 m／s，最后减小为0.01 m／s。横向流速在2条航线上增加较快，而降低趋势明显缓慢。每种航行方式中大舵角值出现在横流变化较大的区域；漂角通过数据拟合可以看出，船模的漂距和横向流速与对岸航速的比值大概可以用一个线性函数来表示，这个关系式综合其他的影响因素可以表示为

图5 船舶漂移量和横向流速与对岸航速的比值关系Fig.5 The relationship curve show ing ship drift distance and the ratio of transverse velocity to the navigation speed against the bank

表1 船模航行参数Table1 Navigation Parameters of river ship model

式中：k是包含与船型、航行过程有关的系数；c是进入横流区的初始漂移量。

5 结 论

船舶在一些水利工程的施工导流阶段，在束载河段航行过程中航道内出现的横向流速关系到船舶能否安全通过，本文采用自航船模试验的手段，研究了斜流对船舶航行的影响。利用船模试验研究了不同航行方式、不同车速下，斜流对船舶安全航行的影响。

（1）用斜流的特征值和船体航行的参数，综合分析施工导流阶段束窄河段的通航水流条件是有效而可靠的方法，能够为确定方案的优劣提供根据。

（2）斜流对船模航行的影响程度主要与横流大小和区域及船体的对岸航速有关。船模横向流速越大，漂距越大；对岸航速越大，船舶穿越横流的时间越短，漂距越小；船舶所穿越的横流区域长度越小，漂距越小；船舶进入横流区航段的漂距较离开横流区航段的漂距小。

（3）船模在航行的时候，上行的操作性能比下行的好，船体下行的时候，水流流向与航向基本一致，水流作用于舵页的背面，舵页与水流的相对速度降低，舵页上承受的垂直压力小了。

（4）本文研究的斜流对船舶的影响，主要反映了各物理因素之间的相互关系，有待于实船航行资料的验证与修正。

［1］ GB50139－2004，内河通航标准［S］.（GB50139－2004，Navigation Standard of Inland Waterway［S］.（in Chinese））

［2］ 张声明.万安水利枢纽船闸下游改善通航水流条件研究［R］.武汉：长江科学院，1989.（ZHANG Sheng-Ming.The improvement research of downstream navigational flow of the lock ofWanan Hydro Project［R］.Wuhan：Yangtze River Scientific Research Institute，1989.（in Chinese））

［3］ 陈永奎.斜流效应的分析计算［J］.长江科学院报，1996，13（3）：1－5（CHEN Yong-Kui.Analysis and calculation of Oblique Flow Effect［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，1996，13（3）：1－5.（in Chinese））

［4］ 曹民雄，马爱兴，王秀红，等.内河航道横流对船舶航行的影响［J］.交通运输工程学报，2008，8（2）：61－67.（CAO Ming-xiong，MA Ai-xin，WANG Xiu-hong，et al.Influence of cross currenton ship navigation in inland waterway［J］.Journal of Traffic and Transportation Engineering，2008，8（2）：61－67.（in Chinese） ）

（编辑：曾小汉）

Ship Model Test under Oblique Flow Effect During Construction Diversion

LIU Xiao-ping，ZOU Kai-ming，WANG Neng-bei，FANG Sen-song
（School of Hydraulic Engineering，Changsha University of Science Technology，Changsha 410076，China）

On the basis of the river physicalmodel test of some low-head navigation and hydropower project，the test of a remote-control self-propelled model ship was carried out，the influence of cross-flow caused by the construction cofferdam on the ship model has been analyzed.The results show that the degree of influence of cross-flow on ship model sailingmainly is related to the region and size of the cross-flow aswell as the ship model sailing velocity to the bank.Research methods can provide a reference for hydraulics research and waterway engineering design.

hydraulic model test；ship model；construction diversion；oblique flow effect

TV83

A

1001－5485（2010）09－0039－04

2009-12-04；

2010-07-31

刘晓平（1956-），男，江苏泰州人，教授，主要从事港口、航道及近海工程研究，（电话）0731-82309694（电子信箱）lxplyt＠163com。

邹开明（1986-），男，湖南浏阳人，硕士研究生，主要从事港口、航道及近海工程方面研究，（电话）0731-82309694（电子信箱）zoukaiming＠126.com。