内河船舶上滩阻力计算方法的对比分析

内河船舶上滩阻力计算方法的对比分析

在山区河流的主要航线保险之一的急流航线保险中，水流湍急，水面比下降陡峭，船舶不能自行车辆着陆。因此，为了缓解水面上的水流，应通过破裂的海滩来降低水流速度以降低水面，从而使船只可以自己航行。然而，如果海滩水流速度与水面之比降低过多，处理海滩保险的工作量和投资将显著增加，海滩段上游水位下降较高，可能会加剧上游海滩或海滩的风险。因此，合理确定消海水流指标是山地航道保险的管理者必须首先明确的问题，也是快速处理海滩风险的关键。目前,航道界常用确定消滩水力指标的方法有实船试验法、经验分析法、阻力计算法、能量分析法和船模试验法等五种.实船试验法和船模试验法既简单又准确,但要投入大量的人力和物力;经验分析法和能量分析法切实可行,但需进行广泛调研;阻力计算法则较为经济、方便,并且可以考虑未来发展船型(尚未航行于本河段的代表性船),根据不同的船型资料进行计算.阻力计算法中尤以兹万科夫法应用较为广泛,但应用中发现该法在计算船队的阻力、水面有倒比降滩段的比降阻力、浅水与狭水道对船舶阻力的影响等时尚有待进一步商榷.本文在讨论几种船舶阻力计算方法的同时,还对兹万科夫法进行了修正.1计算方法的选取1949年,A.H.Крылов开始研究浅水对船舶阻力的影响.随后,国内外一些学者相继开展了相关的研究.目前,常用的船舶阻力计算方法有爱尔法、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、格罗特法(快艇)和日本渔船马力估算法等,文献对这些方法的制定依据、适用范围及应用情况进行了评述.我国航道界多采用兹万科夫法,因其使用较为简单,不需查图谱而只需代入公式计算.加之,川江航道整治时做了大量的实船和船模试验,对原兹万科夫公式中的系数进行了修正,使之更适合于川江的内河船舶阻力计算.1.1计算船型s的公式船舶航行中受到的水流阻力RV和水面比降阻力RJ分别为:机动船∶RV1=f1SV1.83+ξ1δA0V1.7+4Fn(1)驳船∶RV2=f2SV1.83+ξ2δA0V1.7+0.15V(2)RJ=WJe(3)机动船∶RV1=f1SV1.83+ξ1δA0V1.7+4Fn(1)驳船∶RV2=f2SV1.83+ξ2δA0V1.7+0.15V(2)RJ=WJe(3)其中:f1为机动船摩阻系数(钢船壳取为0.17、木船壳取为0.23);驳船摩阻系数f2=Κ0(0.137+0.2582.68+Lw)‚Κ0=1+0.0043(15-t′)‚t′为水温,Lw为船舶水线长度(m);S为船舶浸水面积(m2),文献中列出了计算各种船型S的公式,对内河船有S=LW(1.8T+δB),T为船舶吃水(m),方形系数δ=W/LBT,机动船取δ=0.58～0.60,驳船取δ=0.75～0.8,分节驳船取δ=0.9左右,W为船舶排量(kg),L为船长(m),B为船舶型宽(m);V为船与水的相对速度(m/s),考虑浅水等影响时取V=1.15V′+VS或V=(1.15～1.3)V′+VS,V′为船舶(队)长度内纵向表面平均流速,VS为船舶(队)上滩对岸航速,一般取VS=0.3～0.5m/s;机动船剩余阻力系数ξ1=17.7m0δ2.5/(L/6B)3+2,对无导流罩的螺旋桨船取系数m0=1.0,有导流罩时取m0=1.2;ξ2为驳船剩余阻力系数,在长江上行船一般取ξ2=6.0;船舯剖面面积A0=βBT(m2),机动船的船舶横剖面系数β=0.93,驳船取β=0.95～0.99;Fn为船舶佛汝德数Fn=V/√gL;J为水面比降,一般指船长内的平均比降(‰);e为船队上滩时水面比降的修正系数.此外,根据川江的实船及船模试验结果,提出的船队上滩时水面比降的修正系数为:大型船舶e=1.05,中型船舶e=1.1～1.2,并将(2)式修正为RV2=f2SV1.83+ξ2δA0V1.7+0.03V(4)1.2曲度修正系数k深水阻力的计算结果与实船试验结果十分接近,可直接运用于船舶设计.总阻力R=RF+RX+RW(5)式中:摩擦阻力RF=(kζF+ΔζF)12ρV2S;涡漩分离阻力RX=0.045A0ρV2√√A02LΗ;兴波阻力RW=CWψWLV2‚(0.6√ˉˉL≤V≤1.6√ˉˉL);RW=20ψWL(1.6√ˉˉL)2√V1.6√ˉˉL‚(V＞1.6√ˉˉL);曲度修正系数k=-0.005LB+1.07;ζF为平板摩擦阻力系数,采用应用较广的普兰特-施里希丁(Prandtl-schlichting)公式ζF=0.455/(lgRe)2.58,雷诺数Re=LV/ν,ν为动力粘性系数;ΔζF为粗糙度修正系数,一般取ΔζF=0.4×10-3;ρ为水的密度;LH为船体后体长度,即船在平行舯体后端至尾柱间的长度(m);系数CW可查文献中的表;ˉL=xL‚x值可查文献中的表,ψ=10δB/L.但船舶航行在内河航道时,其船舶阻力将受到浅水和狭水道的影响,故应对深水船舶受到的水流阻力进行如下修正:RV=χzR0(6)式中:狭水道船舶阻力换算系数χz=1.1[hm-(1+0.2δ2V2)2;断面系数m=A/A0,A为水道过水断面面积.1.3双桨船长度修正巴甫米尔曲线法是由前苏联巴甫米尔在大量民船、军舰模型和实船试验的基础上提出的.船舶航行中受到的水流阻力RV=550.148WV2χLCλ√ψ(7)式中:χ为系数(单桨船χ=1,双桨船χ=1.05,三桨船χ=1.075,四桨船χ=1.1);C可由文献中的图确定;长度修正数λ=0.7+0.3√L/100,当L≥100m时取λ=1;其余符号同前.巴甫米尔曲线法没有讨论水面比降阻力的计算,而船舶上滩航行的阻力中水面比降阻力不容忽视.2船模上滩试验结果分析兹万科夫法在我国山区航道整治设计中发挥了良好的作用.但在实际使用过程中发现一些有待进一步讨论的问题.如在进行漓江船模上滩试验中,当船舶航行在槽窄、水浅的浅滩时,兹万科夫法计算的阻力小于实际阻力,并且,兹万科夫法仅适用于水面顺比降滩段的阻力计算.然而,急流滩的水力特性表明,滩口下游一定范围内往往存在水流速度较大的水面倒比降滩段,其一侧或两侧伴有回流,船舶可以利用主流与回流间的缓流区(二溜水)上行,但有时缓流区范围不够,必须从主流区逆流而上.船舶上滩的动水特性试验表明,当船舶在水中前行时,船艏及船艉出现波峰,船舯处舷边水流速度增大,引起船体下沉、艉倾、船侧水面下降及兴波增大等现象,产生了水面附加比降,出现纵倾阻力.船模上滩试验中实测水面比降要比自然状态增加38%～87%,并随着船舶的水深吃水比(h/T)和断面系数m的减小,航行船舶受浅水和狭水道的影响加大,从而产生的水面附加比降也就越大.不论是水面顺比降还是倒比降的滩段,都将产生水面附加比降并阻碍船舶的航行;同时,船舶航行的水面附加比降与(h/T)和m有关.兹万科夫法在槽窄、水浅的浅滩中计算阻力偏小的原因,与船舶航行的水面附加比降用原水面比降直接乘以一个常数的处理有关.因此,本文拟对兹万科夫法进行修正,以扩大其适用范围.利用拉肯伯法计算船舶运动引起的周围回流速度为ΔVV∞=0.1242(A0h2-0.05)+1-√tanhghV2∞(8)式中:ΔV为船舶运动引起的船体周围的回流速度(单位为kn,1kn=0.514m/s);V∞为船舶在深水中航行的速度(kn);其他符号同前.船舶上滩时,回流速度ΔV需要进行狭水道影响的修正:ΔvV=ΔVVbmbm-B(9)式中:Δv为考虑狭水道宽度影响后的回流速度;bm=(b1+b)/2,b1为航道底宽;b为航道水面宽.采用Kutter计算式计算船舶运动所产生的水面附加比降:J0=Δv2C2rh(10)式中:河床组成系数C的取值见表1;断面形态系数rh=(bh-A0)/(b+2h+μ0),h为航道断面水深;μ0为水下船舯剖面的湿周长.最后,船舶上滩的水面比降阻力为RJ=W(J+J0)(11)3比较不同体积的船舶模型和压力计算方法之间的差异3.1船模上滩试验为研究船舶上滩时的动水特性与船舶阻力计算,合理地确定消滩水力指标,在概化的急流滩段进行了船模上滩试验.概化滩段模型置于试验水槽中段,船模为乌江409机动驳按1:50缩小的遥控自航船.模型中的流量分别为10、20、30、40和50m3/s.船模上滩试验中观测了滩段的各种水力因素及船舶上滩的对岸航速.3.2船模阻力计算根据船舶航行时的受力平衡条件,船舶航行中受到的总阻力R应等于满载时船舶的有效推力T0.由文献可知,船模的有效推力为T0=36.8kN;船舶阻力计算中,水流速度V取船与水的相对速度V=1.15V′+VS,对岸航速VS取船模试验中实测值,且吊滩时的对岸航速VS=0.用哪种方法计算出的船舶阻力R与T0越接近,就说明该计算方法越有效.利用兹万科夫法、巴甫米尔曲线法和修正的兹万科夫法分别计算船模阻力的结果见图1.可见,用兹万科夫法计算水面为顺比降滩段的船模可自航上滩的阻力为17.5～47.1kN,一般为29kN左右,且随着水深吃水比(h/T)的减小,计算船模阻力也减小.当(h/T)≤3.5后,计算阻力R<20kN.用巴甫米尔曲线法计算水面为顺比降滩滩段的船模可自航上滩的阻力为18.8～47.4kN,一般为28kN左右,比兹万科夫法的计算阻力略小,远小于有效推力T0,而用该方法计算水面为倒比降滩段的船模可自航上滩的阻力为12.5～40.5kN,多数为18kN左右;用修正的兹万科夫法计算水面为顺比降滩段的船模可自航上滩的阻力为32～49kN,多数为36.6kN,接近有效推力T0=36.8kN,而用该法计算水面为倒比降滩段的船模可自航上滩的阻力为23.2～41.7kN,多数为32kN左右,在(h/T)≤3.5时,计算阻力为26.0～41.7kN,多数为36.8kN.比较3种计算方法的船模阻力结果可知,巴甫米尔曲线法计算的船模阻力最小,修正的兹万科夫法计算的船模阻力最接近有效推力,说明对浅水和狭水道影响进行的修正是合适的;修正的兹万科夫法还可用于浅水水面为倒比降滩段的阻力计算.此外,还采用直接修正深水阻力