劉曉平，鄒開明，王能貝，方森松

（長沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，長沙 410076）

施工導(dǎo)流期的斜流效應(yīng)船模試驗(yàn)研究

劉曉平，鄒開明，王能貝，方森松

（長沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，長沙 410076）

以某低水頭航電樞紐水工模型試驗(yàn)為基礎(chǔ)，進(jìn)行了遙控自航船模試驗(yàn)，分析了施工導(dǎo)流階段圍堰引起的橫流對(duì)船模航行的影響。結(jié)果表明，斜流對(duì)船模航行的影響程度主要與橫向流速大小、區(qū)域及船體的對(duì)岸航速有關(guān)。該研究方法可以為航道水力學(xué)研究和航道工程設(shè)計(jì)提供參考。

水工模型試驗(yàn)；船模；施工導(dǎo)流；斜流效應(yīng)

1 概 述

當(dāng)河道的水流與船體航行方向不一致的時(shí)候，斜向的水流會(huì)使船體產(chǎn)生橫向漂移，通常稱之為斜流效應(yīng)。船舶經(jīng)常會(huì)受到斜流的影響：如，船舶橫穿江河水流由此岸到彼岸的過程，水流流向與船舶縱軸之間會(huì)有一個(gè)夾角，因而形成水流對(duì)船舶的斜流效應(yīng)；船舶由支流航道進(jìn)入主流航道或由主流航道進(jìn)入支流航道的航行過程；船舶經(jīng)過彎曲航道或穿越回流水域時(shí)，如果水流流線的彎曲度能對(duì)船舶形成一定的夾角時(shí)，通常也要產(chǎn)生一定的斜流效應(yīng)；船舶在進(jìn)出船閘等通航建筑物引航道口門區(qū)時(shí)，由于引航道口門區(qū)處于動(dòng)靜水相交的水域，通?？偸怯行绷?、回流的存在，因此船舶在此處的斜流效應(yīng)也是明顯的。由于斜流效應(yīng)對(duì)船體帶來的橫向漂移會(huì)影響船舶的安全航行，因而國內(nèi)外比較重視對(duì)斜流效應(yīng)的研究。

國外有些國家在通過系列的試驗(yàn)后，通過規(guī)定斜流效應(yīng)引起的水流狀態(tài)參數(shù)來削弱其影響。為了削弱斜流效應(yīng)帶來的影響，我國《船閘設(shè)計(jì)規(guī)范》［1］規(guī)定：口門區(qū)最大表面橫向流速不大于0.3 m／s；張聲明［2］根據(jù)船模試驗(yàn)結(jié)果得到船隊(duì)橫向漂移的速度與航道內(nèi)橫向水流的速度關(guān)系；陳永奎［3］通過簡化假設(shè)，建立了船舶在斜流場和用舵條件下的關(guān)系式。對(duì)于一些航運(yùn)繁忙的低水頭水利樞紐，如果在施工導(dǎo)流階段需要通航，由于圍堰的修建，壩址處的束窄河段水流變得湍急而復(fù)雜，船舶通過時(shí)一般也有斜流效應(yīng)問題。目前國內(nèi)外對(duì)施工導(dǎo)流階段束窄河段的斜流效應(yīng)問題還沒有專門的研究。本文擬在某低水頭航電樞紐水工模型的基礎(chǔ)上，利用遙控自航船模，分析斜流效應(yīng)與橫流大小和船體的對(duì)岸航速的關(guān)系。

2 束窄河段斜流效應(yīng)

當(dāng)船舶航行在施工導(dǎo)流的束窄河段的時(shí)侯，一般把斜流分解為沿航線方向的縱流和垂直航線方向的橫流。根據(jù)沿航線的橫流速度大小是否相等，可以把橫流分為均勻橫流與非均勻橫流。如圖1所示，船體在斜流區(qū)航行的時(shí)候，船舶在不操舵的情況下主要的受力有船舶自身的推力F、平行于船體的水流阻力Ry及船體側(cè)向的橫流作用力Rx。當(dāng)航行區(qū)域?yàn)榫鶆驒M流的時(shí)候，橫流對(duì)的船舶的橫流作用用力Rx可以簡化為形心處的一個(gè)集中力Fx，這個(gè)力的存在會(huì)使得船體發(fā)生橫向漂移。當(dāng)船體在非均勻橫流中航行時(shí)，橫流作用力Rx可以對(duì)船模形心簡化為橫流力Fx和扭矩Mxy，因此船舶在行進(jìn)時(shí)的運(yùn)動(dòng)既有平動(dòng)又有轉(zhuǎn)動(dòng)。橫流作用力Rx促使船舶橫向漂移，扭矩Mxy使得船體轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 束窄河段船模力學(xué)模型Fig.1 Mechanical analysis of ship model in constricted river channel

當(dāng)束窄河段的斜向水流流速V與航線間的夾角為α?xí)r，即可得橫向流速與縱向流速與斜流大小的關(guān)系：Vx＝V sinα，Vy＝V cosα。斜向流速V與船舶本身的車速V0合成后為船模的對(duì)岸航速V1。在斜流效應(yīng)中，以往的研究表明船舶航行的時(shí)候，各航行參數(shù)和橫向流速與對(duì)岸航速的比值有很大關(guān)系。

3 試驗(yàn)概述

3.1 模型與控制測量設(shè)備

船模試驗(yàn)所用的水工模型為長度1∶100的正態(tài)定床模型，壩址所處河流為典型的分叉河流，模型范圍上起壩軸線上游單一河段處約4.3 km，下至壩軸線下游單一河段處約7.4 km，全長約11.7 km。根據(jù)設(shè)計(jì)的施工導(dǎo)流方案，一期圍堰圍左汊船閘和10.5孔泄水閘。

船模模擬的船體為1 000 t的船舶，模型船長為85 cm，寬為15 cm，采用2節(jié)2.4 V的鎳氫電池驅(qū)動(dòng)。船模制作主要根據(jù)船舶線形圖、漿葉圖、舵葉圖按照幾何比尺縮尺加工，船體采用玻璃鋼制作而成。在每次試驗(yàn)之前，都需要對(duì)船模進(jìn)行靜水試驗(yàn)及航速率定試驗(yàn)。試驗(yàn)采用VDMS系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集安裝在船模船頭、船尾的粒子，進(jìn)行非接觸快速檢測，并用舵角接受儀船模操縱要素進(jìn)行同步遙測，再通過船位校正，系統(tǒng)由內(nèi)置程序得出漂角、漂距以及相應(yīng)的航速。利用生成的相應(yīng)船位坐標(biāo)，在樞紐布置圖上生成船位圖。表面流場測量采用VDMS系統(tǒng)對(duì)表面粒子實(shí)時(shí)圖像采集與處理。

圖2 流量Q1＝10 000 m3／s流場圖Fig.2 Diagram of flow field when Q1＝10 000 m3／s

3.2 試驗(yàn)內(nèi)容與方案

本文主要研究橫流大小和對(duì)岸航速對(duì)船舶航行參數(shù)之間的關(guān)系。參照目前內(nèi)河船舶的航行速度，試驗(yàn)船模的靜水航速分別取3.5 m／s和3.0 m／s。經(jīng)過多次試驗(yàn)，選擇2條有代表性的航線一和航線二（圖2至圖4）。試驗(yàn)在工況Q1＝10 000 m3／s和工況Q2＝13 500 m3／s 2種典型流量下進(jìn)行。在試驗(yàn)開始前，用VDMS系統(tǒng)測得2種流量下的表面流場，測得的流場圖如圖2和圖3所示。從流場圖可以看出，壩址附近在工況Q2＝13 500 m3／s下的斜流強(qiáng)度無論是大小還是區(qū)域都比工況Q1＝10 000 m3／s下要大。為了避免船模試驗(yàn)及人工操作的隨機(jī)性，對(duì)同一試驗(yàn)航段的試驗(yàn)進(jìn)行多次航行，對(duì)航態(tài)及參數(shù)最優(yōu)的試驗(yàn)組取值。船模采用保持與設(shè)定航線平行的無艏向角航行方式。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

本次船模試驗(yàn)的航段為：從壩址上游800 m至壩址下游700 m的航段，全長約1 500 m。在擬定的試驗(yàn)方案下，詳細(xì)測試了船模的航態(tài)和操縱要素，得出了如表1所示的航行參數(shù)以及圖4所示的船模在Q2＝13 500 m3／s流量下船模航行圖。

船模航行試驗(yàn)成果表明：

（1）在進(jìn)行船模試驗(yàn)的時(shí)候，船舶航行試驗(yàn)時(shí)，船舶的操舵角和航行漂角均需控制在某一范圍內(nèi)，即船隊(duì)在口門區(qū)航行時(shí)，操舵角不應(yīng)大于20°，航行漂角不應(yīng)大于10°。船模在航線一時(shí)，在2種工況對(duì)應(yīng)的不同航速下的航行參數(shù)都超過了上述安全參數(shù)限制范圍，而航線二的航行參數(shù)都在參數(shù)限制的范圍之內(nèi)。從航行參數(shù)看，航線二的通航水流條件要優(yōu)于航線一的通航水流條件。

（2）在2種不同的工況下，船模在2條航線上的航行參數(shù)都有一個(gè)特點(diǎn)：不論船舶上行還是下行，船模在車速更高的時(shí)候，航行的航態(tài)更好，克服斜流效應(yīng)的能力更強(qiáng)。但隨著水流條件加強(qiáng)，車速對(duì)船舶的控制作用削弱。沿程先增后減，極值出現(xiàn)于橫流峰值附近。這種變化過程可以從圖4中船模的航行路線可以看出。

（4）對(duì)于航道的通航條件而言，無論是船模試驗(yàn)還是實(shí)船試驗(yàn)，船體偏離航道的漂移量（漂距）是一個(gè)很重要的通航穩(wěn)定性指標(biāo)。曹明雄［4］在內(nèi)河航道橫流對(duì)船舶航行影響一文中是采用數(shù)值擬合的方法對(duì)漂移量和橫向流速與對(duì)岸航速的比值進(jìn)行分析，得到了漂移量與以2個(gè)量還有與船型橫流區(qū)域大小有關(guān)的常數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系。本文采用類似的方法得到了船舶漂移量和橫向流速與對(duì)岸航速的比值關(guān)系圖，見圖5。

圖3 流量Q2＝13 500 m3／s流場圖Fig.3 Flow field of diagram w ith Q2being 13 500 m3／s

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

（3）不同控制流量條件下，無論是上行還是下行，船舶保持無艏向角以2種車速操縱時(shí)沿航跡線的橫、縱向流速，舵角，漂角，對(duì)岸等參數(shù)沿程變化趨勢基本一致。例如在Q1＝10 000 m3／s流量時(shí)，橫向流速沿程首先增大，在航線一上，橫向流速由最初的0.33 m／s，增加到峰值0.56 m／s后逐漸減小至0.03 m／s，而在航線二向流速最初是0.16 m／s，增加到峰值0.19 m／s，最后減小為0.01 m／s。橫向流速在2條航線上增加較快，而降低趨勢明顯緩慢。每種航行方式中大舵角值出現(xiàn)在橫流變化較大的區(qū)域；漂角通過數(shù)據(jù)擬合可以看出，船模的漂距和橫向流速與對(duì)岸航速的比值大概可以用一個(gè)線性函數(shù)來表示，這個(gè)關(guān)系式綜合其他的影響因素可以表示為

圖5 船舶漂移量和橫向流速與對(duì)岸航速的比值關(guān)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 船模航行參數(shù)Table1 Navigation Parameters of river ship model

式中：k是包含與船型、航行過程有關(guān)的系數(shù)；c是進(jìn)入橫流區(qū)的初始漂移量。

5 結(jié) 論

船舶在一些水利工程的施工導(dǎo)流階段，在束載河段航行過程中航道內(nèi)出現(xiàn)的橫向流速關(guān)系到船舶能否安全通過，本文采用自航船模試驗(yàn)的手段，研究了斜流對(duì)船舶航行的影響。利用船模試驗(yàn)研究了不同航行方式、不同車速下，斜流對(duì)船舶安全航行的影響。

（1）用斜流的特征值和船體航行的參數(shù)，綜合分析施工導(dǎo)流階段束窄河段的通航水流條件是有效而可靠的方法，能夠?yàn)榇_定方案的優(yōu)劣提供根據(jù)。

（2）斜流對(duì)船模航行的影響程度主要與橫流大小和區(qū)域及船體的對(duì)岸航速有關(guān)。船模橫向流速越大，漂距越大；對(duì)岸航速越大，船舶穿越橫流的時(shí)間越短，漂距越??；船舶所穿越的橫流區(qū)域長度越小，漂距越??；船舶進(jìn)入橫流區(qū)航段的漂距較離開橫流區(qū)航段的漂距小。

（3）船模在航行的時(shí)候，上行的操作性能比下行的好，船體下行的時(shí)候，水流流向與航向基本一致，水流作用于舵頁的背面，舵頁與水流的相對(duì)速度降低，舵頁上承受的垂直壓力小了。

（4）本文研究的斜流對(duì)船舶的影響，主要反映了各物理因素之間的相互關(guān)系，有待于實(shí)船航行資料的驗(yàn)證與修正。

［1］ GB50139－2004，內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)［S］.（GB50139－2004，Navigation Standard of Inland Waterway［S］.（in Chinese））

［2］ 張聲明.萬安水利樞紐船閘下游改善通航水流條件研究［R］.武漢：長江科學(xué)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］ 陳永奎.斜流效應(yīng)的分析計(jì)算［J］.長江科學(xué)院報(bào)，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，馬愛興，王秀紅，等.內(nèi)河航道橫流對(duì)船舶航行的影響［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，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） ）

（編輯：曾小漢）

Ship Model Test under Oblique Flow Effect During Construction Diversion

LIU Xiao-ping，ZOU Kai-ming，WANG Neng-bei，F(xiàn)ANG 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

劉曉平（1956-），男，江蘇泰州人，教授，主要從事港口、航道及近海工程研究，（電話）0731-82309694（電子信箱）lxplyt＠163com。

鄒開明（1986-），男，湖南瀏陽人，碩士研究生，主要從事港口、航道及近海工程方面研究，（電話）0731-82309694（電子信箱）zoukaiming＠126.com。