船行波对系泊船舶影响的试验研究

张乐乐 周利兰* 盛欣磊 杜伟娜

(武汉理工大学高性能船舶技术教育部重点实验室1) 武汉 430063)(武汉理工大学船海与能源动力工程学院2) 武汉 430063)

0 引 言

我国许多港口的大型泊位都沿着进港航道而建，且码头前沿距航道边线的距离很近，内河航道如长江沿线的诸多码头则临江而设.因此，港口内、码头处的系泊船舶容易受到过往船只航行时产生的船行波的影响，尤其是航道中船舶的航行速度较快，或航行船舶距离码头上的系泊船舶较近时，将会引发系泊船大幅度的运动，使得系泊缆绳应力增大，码头护舷受到撞击，影响船舶的正常装卸作业，严重时可能导致系泊船的船体受损或缆绳绷断而造成重大安全事故.

如何减小船行波的危害已成为船舶工程界以及航运部门关注的焦点之一.国内外许多学者针对这一问题展开了模型试验研究.Remery[1]通过变化航行船舶的尺度、速度、两船横向距离，总结绘制出了不同航速及间距条件下船行波对系泊船所产生的力、力矩的曲线图，并得出结论：系泊船所受到的力与两船之间的距离有关，产生的运动响应与航行船舶的速度成正比.Duffy等[2]在英国纽卡斯尔港进行了航行船舶经过系泊船舶时水动力相互作用试验，研究中首次考虑了停泊船舶首尾存在阻碍物时对航行船舶所诱导的水动力影响.Swiegers[3]研究了航行的集装箱船经过停泊的散货船时所产生的力和力矩，研究结果主要集中在码头和岸壁的存在对系泊船受力的影响及高速船通过时所产生的力的非线性效应.国内关于系泊船舶所受影响的试验研究起步较晚，且主要集中在风浪流等环境载荷对系泊船舶运动响应和受力的影响[4-7].国外关于航行船舶对系泊船舶的影响研究相对较多，但研究中主要从操纵性角度出发，考虑系泊船所受力，没有综合考虑受力和运动响应[8-10].随着新建码头日益增多，船舶尾浪对系泊船的负面影响逐渐引起人们的注意.显然，现场试验由于成本和安全等问题不易实现，而模型试验是解决该问题有效的方法.文中选用KCS船型作为系泊船舶，选用DTMB5415(高速船)和KVLCC2(低速肥大型船)作为航行船舶进行模型试验研究.通过改变水深H、航行间距SD和航行船舶速度V，对不同工况下系泊船舶的系泊力、运动响应、护舷碰撞力等进行分析，总结各因素对系泊船舶运动响应和受力的影响规律.

1 模型试验设计

1.1 试验模型

实验中模型满足几何相似及运动相似，模型与实型缩尺比为1∶58，船模和码头模型制作以及系泊缆绳、防撞护舷的力学特性的模拟均根据相似准则按照此缩尺比进行.

1) 船舶模拟 试验中船模为木质，其排水量、重心位置以及惯性矩等在惯量校验架上依靠调节模型内的压铁重量及位置达到所规定的数值.船模制作误差满足ITTC关于模型试验的精度要求.用于模型试验的船模主尺度参数见表1.

表1 船舶模型主尺度

2) 系泊缆绳及橡胶护舷模拟 实船的系泊缆绳采用的是尼龙缆绳，直径为116 mm.本文中缆绳模拟满足弹性相似，即模型与实型的拉力-伸长关系曲线相似，见图1a).

实际码头采用的是一种用于外海码头大型船舶靠泊的一鼓一板式SUC2250H橡胶护舷[11].单个护舷除尺寸按照缩尺比模拟外，更重要的是橡胶护舷的力学性能模拟.本文所制作的模型与实型的力学性能曲线见图1b).

图1 力学性能曲线

护舷的布置方式参考国内外港口护舷布置方案与相关参考资料，在码头下方间隔15 m进行布置[12]，按照几何相似准则，模型护舷间隔258 mm布置.橡胶护舷码头模型下方沿船长布置，使系泊船在整个长度范围内都能与护舷发生接触[13-15].

3) 码头布置 试验中系泊船通过8根系泊缆绳与码头靠泊，每根缆绳直径2 mm(对应实船为116 mm尼龙缆绳)，每根缆绳预张力0.51 N(对应实船单根缆绳预张力100 kN).码头布置方案见图2.其中:编号①，②为船尾系泊缆；编号③，④，⑤，⑥为船中横向系泊缆，编号⑦，⑧为船首系泊缆.

图2 码头系泊缆布置图

1.2 试验方法及装置

试验在武汉理工大学高性能舰船技术教育部重点试验中心拖曳水池进行，试验水池全长132 m、宽10.8 m、深2.0 m，水深可调.

在本试验中，八个拉力传感器分别安装在八根系泊缆绳系缆桩端，用于测量系泊船舶码头系泊系统中的各系泊缆绳所受的张力值；系泊船舶运动响应采用Xsens惯性导航传感器系统测量；缆绳拉力和护舷撞击力的测量采用HBM多通道采集仪；航行船舶兴波波高测量采用电阻式浪高仪和组合采集仪.横向间距SD的变化通过在水池中设置可横向移动的钢结构假岸壁来实现.

1.3 试验工况

文中以系泊船舶运动响应、系缆力及护舷力作为分析指标，通过控制变量法进行试验，分别为相同间距和水深讨论不同航速，相同间距和航速讨论不同水深，相同航速和水深讨论不同间距.为便于接下来的讨论，将DTMB5415速度命名为Vi，KVLCC2速度命名为Ui.具体工况见表2～4，SD为两船中纵剖线间的垂直距离.

表2 试验水深

表3 试验横向间距 单位：m

表4 航行船舶速度

2 试验结果与分析

2.1 船舶运动响应影响因素分析

文中主要对船型、航速、横向间距,以及水深等因素对系泊船运动响应的影响进行探讨，研究中主要关注横摇、纵摇、首摇三个方向的运动.不同因素下系泊船舶的运动响应幅值见图3.

图3 船舶运动加速度幅值

图3a)显示了航行船舶在同一水深、横向间距时以不同速度行驶过系泊船所引起的运动响应幅值.由图3a)可知，航行船舶速度对运动响应幅值影响非常显著.随着速度的增大，运动响应最大幅值曲线出现了与船舶兴波阻力曲线类似的峰谷值，这是由于首尾横波相互干扰造成的.图4为船行波与系泊船的关系图，航行船首尾横波的干扰情况是由兴波长度和波长决定的，而弗劳德数Fr会影响兴波长度与波长的关系，进而影响兴波干扰的结果，导致运动响应幅值会随Fr变化出现与兴波阻力曲线类似的峰谷值，其总体趋势仍为增大.横摇和首摇由于受到系泊缆绳的约束，最大幅值曲线逐渐趋于平缓，而纵摇幅值则一直保持增大趋势，且横摇幅值远大于其他两个方向.

图4 船行波与系泊船的关系图

图3b)为航行船舶在相同水深、速度时以不同横向间距行驶过系泊船时诱导的运动响应幅值.由图3b)可知，当航速和水深相同时，由于船行波的能量随距离耗散，系泊船的运动响应幅值随着间距的增大而减小，而且相对于纵摇和首摇，横向间距的改变对横摇幅值的影响更为明显.

图3c)～d)为系泊船的运动响应随水深吃水比的变化情况，由图3c)～d)可知，改变水深对系泊船舶的运动响应有很大影响，水深变浅，系泊船舶的运动响应增大.尤其在水深吃水比H/T小于2.0时系泊船舶的运动响应随水深变浅急剧增大.

选取最恶工况即最浅水深、最小间距、最大航速，航行船舶尾浪引起的运动响应幅值见表5.由表5可知:高速船行驶经过系泊船时产生的尾浪对系泊船运动响应的影响更为显著.

表5 不同船型尾浪引起的运动响应幅值 单位：(°)

2.2 系缆力影响因素分析

不同因素对不同位置处系缆力幅值影响曲线见图5.

图5 系缆力幅值

图5a)～b)分别为DTMB5415、KVLCC2在一定水深、横向间距条件下以不同速度行驶过系泊船时所引起的系缆力幅值.由图5a)～b)可知:航速对系缆力最大幅值的影响与运动响应类似.当其他条件相同，系缆力幅值随着航速的增大而增大，幅值曲线出现与兴波阻力曲线类似的峰谷值，这同样是由于不同速度处的首尾横波相互干扰造成的.

当横向间距增大时，系缆力幅值随之减小，但不同位置的系缆力随间距的变化趋势有很大差异.图5c)为横向间距对不同位置处系缆力幅值的影响.由图5c)可知，系泊船首、尾系泊缆的系缆力对横向间距的变化更为敏感.在相同水深、航速下航行船舶与系泊船舶间距越大，系泊力显著地降低，而横缆减小趋势则较为平缓.因此在实际情况中，若航行船舶距离系泊船较近，要特别注意首尾缆绳的安全性.

图5d)为不同位置处系缆力幅值随水深吃水比的变化.由图5d)可知，水深对系缆力幅值影响非常显著，当水深变浅时，系缆力急剧增大.同时对于较短的③、④号横缆，船舶水平面上的线位移将造成较大的缆绳应力，相对横缆，较长的首尾缆绳系缆力的幅值较小.因此船舶在码头系泊时应避免部分缆绳过短的情况.

对于船型对系缆力的影响，选取最佳工况即最小航速、最大间距及最大水深对船舶尾浪引起的系缆力幅值进行分析，试验结果见表6.对比其结果可以看出，与运动响应类似，高速船航行产生的尾浪对系泊船的系缆力幅值影响更为显著.

表6 不同船型尾浪引起的系缆力幅值 单位：N

2.3 护舷碰撞力影响因素分析

系泊船舶的撞击作用主要由横荡和横摇运动而产生.因此，对撞击作用的研究可以归结为船舶横荡和横摇的研究.撞击作用与波浪、船型和缆绳等都有关.图6分别为水深H1和H2时不同横距下的护舷碰撞力随速度的变化情况.由图6可知，相同水深时，当速度增大，护舷碰撞力随之增大.

图6 护舷碰撞力随速度的变化(船中位置护舷)

3 结 论

1) 系泊船舶运动响应及受力总体上随航速的增大而增大.因此当船舶行驶接近系泊船舶时，其航速应被限制.

2) 两船间距增大时，系泊船的运动响应、系泊力和护舷力随之减小，且系泊船首、尾系泊缆绳的系缆力对横向间距的变化更为敏感.

3) 低速肥大型船舶在浅水航行时水深的减小对系泊船舶的运动响应和受力的增加非常显著，且增加的应力集中在横缆.

4) 高速船航行产生的尾浪对系泊船运动响应和受力的影响更为显著.

由此可见，减小船舶尾浪对系泊船舶危害的最佳方法是降低航速和增大间距，但增大横向间距在限制水域中难以实现，优化系泊系统及缆绳的布置方案也是减小船舶尾浪影响值得考虑的方法之一.