西江船队阻力性能模型试验

汪皓，陈顺怀

(武汉理工大学 交通学院，武汉 430063)



西江船队阻力性能模型试验

汪皓，陈顺怀

(武汉理工大学 交通学院，武汉 430063)

针对西江干线货运现状，对由2艘机动船构成的运输船队进行模型阻力试验。试验包含5种不同船舶编队方案，系列分析顶推船队和绑拖船队的阻力特性。试验结果表明，在航速低于10 km/h时顶推船队阻力性能较差，绑拖船队两船错位0.4倍船长和错位0.6倍船长阻力性能较优，优于两船错位0.2倍船长绑拖和两船并排绑拖。建议西江干线船队运输应结合船舶及航道实际情况，采用2船错位0.4～0.6倍船长的绑拖队形。

顶推船队；绑拖船队；阻力性能

针对传统的驳船队运输存在着船队规模较大，编解队技术复杂，运输组织要求高等问题，结合西江干线船舶运输基本条件，提出由2艘机动船舶构成船队运输。该方案编解队技术简单易行，运输组织灵活；同时，该船队运输方式，不仅能合理分配西江船舶运力，而且能有效降低船舶营运成本，有着其独特优势。目前内河运输船队相关研究多集中于驳船队[1-3]，其中，有研究提出将不对称双艉鳍、鱼尾组合舵等多项技术应用于机动驳顶推船队以提高船队运输效率[4]；有研究长江中游大型顶推船队的操纵性能参数,分析影响大型顶推船队航行安全的几项重要操纵性能，并提出大型顶推船队的几种典型操船方法[5]；研究非成队编组分节船队的阻力、推进和操纵性能，并提出优化队形[6]。未见针对由一般运输船舶构成船队的研究。由于一般运输船舶的线型并未考虑船队运输的情况，因此在组成船队运输时，各船之间流场影响与专用驳船队很不一样，故需要进行不同编队方案的阻力试验研究，最终得到阻力性能较好的编队方案。以西江某主流货船为研究对象，对由2艘该型货船组成的船队进行模型阻力试验，对不同队形的阻力性能进行分析，为西江船队运输的推广提供参考。

1 试验模型及方案

1.1 试验模型

模型试验在武汉理工大学船模拖曳水池进行。武汉理工大学船模拖曳水池是国际拖曳水池会议(ITTC)的成员，水池长132.00 m、宽10.40 m、深2.00 m；水池拖车速度范围0.06～7.00 m/s。车速在0.06～1.00 m/s范围内，其稳速精度为±1.0 mm/s；车速在>1.00～7.00 m/s范围内，其稳速精度为±0.1%；阻力试验采用应变式电测阻力仪R35进行测量，其量程为240 N，精度为±0.1%。

试验采用1∶15为缩尺比制作船模。船体模型为木质喷漆，表面光洁，并在船模9.5站处安装激流丝(直径=1 mm)。模型加工精度符合CB/Z326—1982号指导技术文件中对模型加工精度要求。试验模型及实船主要参数见表1，横剖面见图1。

表1 模型及实船主要参数

图1 船模横剖面图

1.2 试验方案

本试验采用自由拖曳法测量了单船及5种不同队形的船模阻力，并对试验数据进行分析，同时采用二因次换算预报实船阻力和有效功率，然后计算得到各编队队形的编队系数[7]。采用5种不同队形包括顶推和绑拖，分别为一顶一顶推队形、2船并排绑拖队形A、错位20%倍船长(14 m)绑拖队形B、错位40%船长(28 m)绑拖队形C、错位60%船长(42 m)绑拖队形D，见图2。

图2 船模试验采用的队形方案

2 试验结果及分析

由于船队试验中存在非对称队形，因此以排水体积傅劳德Fr替换船长傅劳德FrL对船模试验结果进行二因次换算[8]；同时考虑到绑拖队形试验中，船队模型总宽较大，达到2.084 m，池壁影响不可忽视[9]，故采用上海船舶运输科学研究所的修正公式[10]，根据阻塞效应对绑拖船队试验的船模速度进行修正。

推导得到阻塞系数m为

(1)

式中：Am为船模中横剖面面积；b为水池宽度；h为水池水深。计算得到m=0.029 5。

船模修正速度ΔV为

(2)

式中：V为船模速度；k为修正系数，取k=1.029；FnH为水深傅劳德。

试验结果见图3～5。

图3 剩余阻力系数曲线Cr

由图3可知：

1)在顶推队形下，顶推船队的剩余阻力系数较单船有明显增大。随着Fr的增大，顶推船队的剩余阻力系数增幅呈递减趋势，在Fr=0.060 5～0.304 9范围内，顶推船队的剩余阻力系数增幅从87.53%减小至32.84%。

2)在绑拖队形A和绑拖队形B下，绑拖船队的剩余阻力系数变化趋势与单船剩余阻力系数变化趋势一致，但较单船有所增大，且绑拖队形A的增幅更大。在Fr=0.060 5～0.304 9范围内，绑拖船队A的剩余阻力系数增幅从12.96%增大至58.23%，绑拖船队B的剩余阻力系数增幅从2.72%增大至46.88%。

3)在绑拖队形C和绑拖队形D下，当Fr<0.2时，剩余阻力系数随着数Fr的增大而增大，当Fr达到0.20后，剩余阻力系数呈下降趋势。在Fr=0.222 9～0.304 9范围内，绑拖船队A的剩余阻力系数增幅从25.26%下降至7.64%，绑拖船队B的剩余阻力系数增幅从6.45%下降至-3.59%。

图4 实船摩擦阻力系数曲线

由图4可知，顶推队形和A，B，C，D 4种绑拖队形的实船摩擦阻力系数较于单船都有所下降。其中，顶推队形实船摩擦阻力系数下降最为明显，减幅为9.94%～11.17%；绑拖队形C与绑拖队形D的实船摩擦阻力系数基本保持一致，减幅为5.75%～6.54%；实船摩擦阻力系数下降相对较小则是绑拖队形B和绑拖队形A，减幅分别为3.91%～4.41%和1.47～1.63%。

图5 实船总阻力系数曲线Cts

由图5可知：

1)船队的总阻力系数变化趋势与其剩余阻力系数变化趋势保持一致。

2)顶推队形、绑拖队形A和B的总阻力系数相比于单船都有所增加，在Fr=0.060 5～0.304 9范围内，顶推队形总阻力系数增幅从50.86%减小至15.84%，绑拖队形A总阻力系数增幅从7.55%增大至33.50%，绑拖队形B总阻力系数增幅从0.30%增大至26.04%；

3)绑拖队形C和D在低Fr情况下的总阻力系数优于单船，随着Fr增加，其总阻力系数呈先增加后减小的变化趋势。绑拖队形C的总阻力系数增幅在Fr=0.060 5～0.182 1范围内，从-21.32%增大至13.04%，随着Fr继续增大至0.3049，总阻力系数增幅逐步减小至2.44%；绑拖队形D的总阻力系数增幅在Fr=0.060 5～0.222 9范围内，从-42.60%增大至1.30%，随着Fr继续增大至0.304 9，总阻力系数增幅逐步减小至-4.05%。

根据试验结果预报各编队有效功率见表2。

表2 实船有效功率Pe预报

以2倍单船有效功率为基准，计算得到各队形的编队系数见图6。

图6 船队编队系数曲线

由图6可知：

1)顶推队形的编队系数随着航速增加而减小；绑拖编队A和B的编队系数变化趋势相似，随着航速增加而增大，且编队B的编队系数略小于编队C；绑拖编队C和D的编队系数变化趋势相似，当航速Vs<9.332 km/h时，编队系数随着航速的增加而增大，当航速Vs>9.332 km/h之后，编队系数则随着航速增大而减小。

2)绑拖编队D的阻力性能最优，其编队系数范围0.6～1.0，其次是绑拖编队C，其编队系数范围0.81～1.11；绑拖编队A的阻力性能略优于绑拖编队B，其编队系数范围分别是1.07～1.22和1.02～1.17；顶推队形编队系数范围为1.59～1.10，在航速较低的情况下，其编队系数较大。

3 结论

1)顶推队形在低航速下，其阻力性能表现较差，随着航速的提高，其阻力性能有所提升，但仍不理想，不适合用于西江船队运输。

2)绑拖队形在2船错位不超过0.2倍船长时，其阻力性能随着航速的增加而不断变差，主要是由于在航速较大式，长宽比偏小致使剩余阻力迅速增大。

3)绑拖队形在两船错位超过0.4倍船长时，表现出较好的阻力性能，在低航速下的阻力性能优于单船，随着航速的增加，船队总阻力系数先是接近单船，随后又低于单船，总体呈抛物线趋势。

综上所述，建议结合船舶以及航道实际情况采用2船错位0.4～0.6倍船长的绑拖队形作为西江船队运输的队形。

[1] 徐鸣.分节驳顶推船队在长江集装箱运输中的应用研究[D].上海：上海海事大学,2005.

[2] 梁洪.澜沧江—湄公河船型船队研究通过鉴定[J].珠江水运,1997(4):33.

[3] 吕自强.湘江卤水顶推船队的技术进步[J].湖南交通科技,1996(1):61-63.

[4] 钱徐涛.江西综合节能机动驳顶推船队研究[J].交通节能与环保,1999(4):3-7.

[5] 杨亚东.长江大型顶推船队操纵性能的研究[J].交通科技,2001(3):56-58.

[6] 滕淑华,刘恒茂.非成对编组分节船队的优化队形[J].船海工程,1995(3):12-17.

[7] 杨大明,尹赟凯,施奇,等.某型低速船模型阻力试验研究[J].科学技术与工程,2010,10(13):3296-3297.

[8] 盛振邦 刘应中.船舶原理.上册[M].上海：上海交大出版社,2005.

[9] 施奇,杨大明,尹赟凯.船模拖曳水池静水阻力比对试验研究[J].江苏科技大学学报(自然科学版),2011,25(4):312-314.

[10] 谢克振,周占群,宋家瑾,等.水池阻塞效应的试验探讨[J].上海船舶运输科学研究所学报,1978(2):3-29.

Experimental Study on the Resistance Performance of Xijiang River Barges Train Model

WANG Hao, CHEN Shun-huai

(School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

The resistance performance of the pushing ships train and ships train towed alongside composed of two motor ships was studied experimentally. The test results indicated that the resistance performance of the pushing ships train is relatively poor, particularly in the speed of less than 10 km/h; the resistance performance of ships train towed alongside at a distance of 40% ship length or 60% ship length is better than ships train towed alongside abreast or at a distance of 20% ship length. Considering the situation of ship and channel, ships train towed alongside at a distance from 40% to 60% ship length is appropriate to Xijiang barge train transportation.

pushing ships train; ships train towed alongside; resistance performance

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.021

2016-12-13

广西交通厅科技项目

汪皓(1992—)，男，博士生

研究方向：船舶布置优化技术及船舶现代设计方法

U661.3

A

1671-7953(2017)04-0094-04

修回日期：2016-12-26