李一兵，李曉星

（交通運輸部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津300456）

大型集裝箱船在橫風作用下航行的模擬試驗研究

李一兵，李曉星

（交通運輸部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津300456）

銅鼓航道北段設計方案采用反“S”形彎道與現(xiàn)有的深圳港西部港區(qū)進出港航道銜接，大風天時船舶在彎道內航行處于較強的橫風作用中。為論證航道設計尺度的合理性及船舶航行的安全性，首次運用了二維潮流數(shù)學模型、船舶操縱模擬器、定床潮流物理模型和遙控自航船模等多種手段相結合的方法進行研究。研究表明，在風浪大時，原設計方案航道北段反“S”形彎道的尺度不能適應5萬噸級集裝箱船安全雙向進出港的要求。通過將第一個彎道的大角度轉向改為兩次小角度轉向，并增加第二個彎道的寬度，通航條件明顯改善，在不利的試驗工況下，5萬噸級集裝箱船雙向進出港操縱順利，滿足全天候安全進出港的要求。

大型集裝箱船；橫風；通航條件；模擬試驗；船舶操縱模擬器；自航船模

深圳西部港區(qū)位于珠江口伶仃洋東岸、礬石水道與暗士頓水道交匯處，主要包括蛇口港區(qū)、赤灣港區(qū)、媽灣港區(qū)、黃田港區(qū)和東角頭港區(qū)。長期以來，進出深圳西部港口的海輪須經香港馬灣水道，由于馬灣水道狹窄，水流較急，近岸有明礁、暗礁、旋渦，航道經咸湯門時需90°急轉彎，船舶操縱困難。香港特區(qū)政府為了保證通航安全，采用了強制引水限時通航及大型船舶不準夜航等一系列管制措施，使得航道通過能力極為有限，遠不能滿足深圳西部港區(qū)發(fā)展需要。隨著深圳市及其腹地外向型經濟的快速發(fā)展，西部港區(qū)運量的顯著增加及船舶大型化的要求，急需開辟新的出海通道。

經科研和設計單位論證，提出了銅鼓航道方案。該方案線路北段采用了一條彎曲的“S”形航道與現(xiàn)有的深圳港西部港區(qū)進出港航道銜接，受東南季風的影響，航行條件惡劣，對集裝箱船24 h進出港非常不利。為論證銅鼓航道北段船舶進出港航行的安全性，改善船舶航行條件，優(yōu)化航道設計，在國內首次運用二維潮流數(shù)學模型、船舶操縱仿真模擬、定床潮流物理模型和遙控自航船模等多種研究手段相結合的方法進行研究［1-2］。

1 工程概況

深圳港銅鼓航道是深圳港西部港區(qū)第2條通海航道，位于珠江口伶仃洋東部銅鼓海區(qū)內，北接深圳蛇口、赤灣、媽灣、大鏟灣港區(qū)航道，南連伶仃西水道，與廣州港、東莞港通海航道交匯合并，再經珠江口大濠水道直通南海。航道全長22.57 km，有效寬度210 m，設計底標高-15.8 m（以當?shù)乩碚撟畹统泵鏋榛妫?/p>

銅鼓航道平面布置情況如下：航道自伶仃西水道接入，以22.7°方位角向北延伸14.8 km至北段第一個轉折點（此段航道底寬210m）后，向東偏轉32.8°（航道方位角55.5°），航寬增加至250m；至第二個折轉點（距第一個折轉點約1 478m）后，以2 040m的彎曲半徑，80°的轉彎角轉向進入深圳西部港區(qū)航道（方位角335.5°）。由此，使得銅鼓航道北段成為一條反“S”形的彎曲航道（圖1）。

2 研究手段及方法

2.1 研究手段

（1）二維潮流數(shù)學模型。

二維潮流數(shù)學模型主要為船舶操縱模擬器提供潮流場邊界。該模型所基于的基本方程多有報道，本文不再贅述，僅介紹計算域的確定及網格的劃分。

本工程范圍東北至赤灣、西南至桂山島主航道，數(shù)學模型計算域為北至大鏟島以北4 km，西至伶仃島西4.5 km，南至大濠島，東為深圳灣及香港暗頓水道，南北約40 km，東西約31 km。模擬計算選取的網格形式為任意三角形計算網格，按關注程度不同采用疏密三角單元對計算域進行剖分，其網格最小空間步長為50m。網格劃分見圖2。

（2）定床潮流物理模型。

本研究需要通過自航船模航行試驗對通航條件進行論證，根據船模航行試驗要求，物理模型應該設計成幾何正態(tài)定床。結合試驗范圍、試驗海域水深條件、試驗場地條件等，確定物理模型的幾何比尺=150（即縮尺比1∶150）。

模型范圍包括銅鼓航道北段和赤灣航道、蛇口新航道以及與媽灣相連的深水航道的一部分，試驗段長為10 500m，寬為3 900m。模型長為70m，寬為26m，按照試驗區(qū)域實測海床地形及港口岸線布置情況制作。

（3）船舶操縱仿真模擬系統(tǒng)。

船舶操縱仿真模擬系統(tǒng)的核心是船舶操縱運動方程［3］，在此基礎上采用計算數(shù)學、計算機和視景仿真技術等進行船舶—環(huán)境系統(tǒng)仿真，為觀察研究實際空間和時間領域內的船舶控制過程和人—機關系創(chuàng)造試驗條件。該模擬系統(tǒng)能夠實時模擬各種船舶在風、浪、流、淺水等環(huán)境因素影響下的船舶操縱運動。

（4）遙控自航船模。

試驗代表船型為5萬t級和10萬t級集裝箱船，采用的實船船型及其主尺度見表1。

2.2 研究方法

從通航水流條件來看，銅鼓航道海域潮流為往復流，航道內給定點的漲（落）潮流向比較穩(wěn)定，對船舶航行影響起主要作用的是流速的大小。另外，集裝箱船需全天候進出港，在任何地點都可能受漲急（落急）潮流的影響。因此漲急（落急）時刻的流場是船舶航行模擬試驗的基礎數(shù)據。為此采用以下方案開展研究。

（1）利用二維潮流數(shù)學模型計算得出工程海區(qū)工程前后不利條件下（洪季大、小潮漲急和落急，枯季大、小潮漲急和落急）的流場，分析航道開挖前后通航水流條件的變化。

（2）根據二維潮流數(shù)學模型提供的流場邊界，再考慮工程海域不利的風況、浪況，在船舶操縱仿真模擬系統(tǒng)上模擬代表船型進出銅鼓航道北段的航行操縱情況，在對試驗結果進行綜合分析的基礎上，提出航道平面布置方案的修改方案并重復進行船舶進出港航行試驗，最終提出修改論證后的推薦方案。

（3）進行定床潮流物理模型和遙控自航船模試驗研究，對船舶航行仿真模擬試驗的推薦方案及設計單位提供的設計優(yōu)化方案的航道水流條件及船舶航行條件進行試驗研究，并從船舶航行安全的角度，論證銅鼓航道改線方案航道北段線路布置方案的合理性。

3 試驗條件及其模擬

用于研究通航工程問題的模型，無論是數(shù)模還是物模，無論是船舶操縱模擬器還是遙控自航船模，均需對涉及的試驗條件進行模擬，并使模型與原型對應的條件盡可能達到相似，從而保證研究結果的相對真實和可靠。

不同的模型因研究目的不同，需要模擬的試驗條件也各有側重。此次研究采用了二維潮流數(shù)學模型、船舶操縱模擬器、定床潮流物理模型和遙控自航船模等四種模型，其中的二維潮流數(shù)學模型主要模擬計算域內不利潮位和潮流場（流速及流向）；船舶操縱仿真模擬系統(tǒng)除模擬計算域內不利潮位和潮流場外，還需模擬不利風、浪情況，以及試驗船舶本身的外形特征（船體相似）、船舶的運動特性以及航行操縱性能（回轉、應舵等），和船舶在上述不利風、浪、流條件下的航行操縱情況；定床潮流物理模型主要模擬工程海域的不利潮位和潮流場、不利風況等；遙控自航船模主要模擬船舶本身的外形特征（船體相似）、船舶的運動特性以及航行操縱性能，船舶在不利風、流條件下的航行操縱情況等。

上述各試驗條件的模擬，在定床潮流物理模型和遙控自航船模試驗中增加風的模擬是本研究中的一大特點。因為國內還沒有開展過遙控自航船模在大風中的航行試驗研究，其他有關流、浪、船舶等試驗條件的模擬相對都比較成熟，國內外針對船舶在風中的操縱與航行也開展了數(shù)值模擬預報和計算工作，相關文獻也較多［4-9］。因此，本章重點介紹物理模型試驗中風的模擬，其他試驗條件的模擬可參考相關文獻。

3.1 風的相似準則及相關比尺

根據船舶操縱仿真模擬系統(tǒng)模擬結果，試驗區(qū)域的風況對船舶航行的影響很大，因此在物理模型試驗中，也需要模擬風對船模航行的作用。風對船舶的作用力主要表現(xiàn)為風壓力，因此，本試驗對風場的模擬，以滿足風壓力相似為準。

壓力相似即模型與原型的歐拉數(shù)Eu相似。由Eu=△W/ρU2，ρ=γ/g，△W/γ=L，即有Eu=L g/U2。按壓力相似準則，可寫成比尺關系為

上述各式中：ρ為風的密度，γ為重率，L為長度，△W為風壓，g為重力加速度為風速比尺。

3.2 風場的模擬

船舶在大風中航行時，對船舶操縱影響較大的是橫向風。因此，模型主要模擬橫向風作用下船舶航行操縱情況，以論證銅鼓航道北段船舶進出港航行的安全性。

根據赤灣風力情況統(tǒng)計資料和航道設計條件，選擇對船舶航行不利的風速、風向進行模擬試驗。

風速：7級（13.9～17.1m/s）和8級（17.2～20.7m/s），試驗時模擬各級風中最大風速。

風向：橫風SE（次常風向、強風向）和橫風NW

為使船模在航行過程中一直處于上述不利的橫風作用下，需要在模型中的試驗段內模擬出上述不利風速和風向。為此，在模型試驗段安裝了一排經過改造后可調整方向和轉速的工業(yè)電扇，使得船舶在試驗段內航行時一直處于設定的風況作用下。

需要指出的是，以往多以水流條件為主要研究對象的船模，加工時主要控制船體水線以下線形和尺寸的精確性即可滿足試驗要求。由于本次試驗需要模擬風對集裝箱船舶航行的影響，因此船模在制作過程中不但要嚴格控制船體水線以下線形和尺寸的精確性，還要保證水線以上線形和尺寸的精確性。在進行船模航行試驗時，模擬的是船舶滿載狀態(tài)，故除保證船舶水上上水線形和尺寸相似外，還考慮了船上集裝箱的尺寸和堆放情況，使之能夠基本反映出船舶受風力影響后的航行狀態(tài)。

4 航道設計方案論證及優(yōu)化

4.1 二維潮流數(shù)學模型與船舶操縱仿真模擬

通過銅鼓航道北段潮流數(shù)值模擬計算和船舶航行仿真模擬試驗及成果分析，可以得出以下幾點結論：

（1）船舶在漲（落）急流、風浪較小時進出港航行，銅鼓航道北段航道布置設計方案具有良好的通航條件。通航安全問題主要反映在兩個反向轉彎段，在風浪大時，船舶過彎道操縱航態(tài)參數(shù)（漂角、航跡帶寬、控制能力）已接近和超出船舶與航道的適配程度。在7～8級橫風、1.0m以上橫浪作用下，已不能適應5萬t級集裝箱船安全雙向進出港的要求。

（2）為了適應5萬t級集裝箱船安全進出港的要求，進行了兩個修改方案的試驗研究。其中修改方案二拓寬CDE彎道、減小CDE彎道的轉向角，同時將B彎道的大角度轉向改為兩次小角度轉向，并且減小了BC直線段與主流向、強風強浪向的交角，有利于船舶的操縱安全（圖3）。試驗表明：修改方案二通航條件良好。在不利的試驗工況條件下，5萬t級集裝箱船雙向進出港、10萬t級集裝箱船單向進出港操縱順利，能夠滿足全天候安全進出港的要求。

4.2 定床潮流物理模型和遙控自航船模試驗

針對二維潮流數(shù)學模型與船舶操縱仿真模擬研究推薦的方案，在銅鼓航道北段定床潮流物理模型中開展了自航船模航行試驗，以論證修改方案二的合理性，試驗結果表明：

（1）在最不利的流態(tài)（枯季大潮落急）、無風條件下，銅鼓航道北段航道布置修改方案二通航條件良好，5萬t級和10萬t級集裝箱船舶可以順利進出。在7級大風條件下，5萬t級和10萬t級集裝箱船舶也可以比較順利通過銅鼓航道北段，安全進出港作業(yè)。在8級大風條件下，5萬t級和10萬t級集裝箱船舶可以安全出港避風。但在上述風況條件下，船舶在兩個反向轉彎段過彎道時的舵角接近或達到滿舵，航行漂角也比較大，彎道段的航道寬度略顯不足。

（2）綜合二維潮流數(shù)學模型與船舶操縱仿真模擬試驗結果，認為銅鼓航道北段線路布置修改方案二在設定的風、流條件下，基本能夠滿足5萬t級和10萬t級集裝箱船舶安全通航的要求，因此修改方案二可以作為設計參考。但在兩個反向轉彎段，船舶要想順利過彎道，其舵角就需接近或達到滿舵，給船舶的實際操縱帶來難度。建議在航道設計時考慮一定的安全量，特別是增加兩個彎道折角處的寬度。

（3）由于5萬t級以上的集裝箱船受風面積大，在航道內航行時受風的影響嚴重，應加強船舶交通管理，避免大風時在航道北段會船。

5 結語

（1）船舶在航道中航行，除了船舶本身的船型和操縱特性因素外，其航行操縱還受航線設置、流速流向、風速風向、波浪大小與方向等因素的綜合影響，這些因素構成一個相互關聯(lián)、相互制約的整體，決定了航道的通航條件。

（2）運用二維潮流數(shù)學模型、船舶操縱模擬器、定床潮流物理模型和遙控自航船模等多種手段相結合的方法，對航道布置方案及其通航條件進行研究，并在試驗中對風、浪、流進行了綜合模擬，更能反應船舶在真實自然條件下的航行狀態(tài)，使得論證試驗結果更加可靠。

（3）研究結果表明，風是影響船舶操縱及航行的重要因素，特別是大風（7～8級風）天時，風是影響船舶航行安全的主要因素。在確定航道寬度時，對風的影響應予以充分考慮。同時大風天行船也應采取相應的安全保障措施，以保障船舶的航行安全。

［1］李一兵，王永成，袁章新.銅鼓航道改線方案航道北段通航條件數(shù)值模擬計算研究報告［R］.天津：交通運輸部天津水運工程科學研究所，2004.

［2］劉俊濤，黎國森，李一兵.銅鼓航道改線方案航道北段通航條件物理模型試驗研究報告［R］.天津：交通運輸部天津水運工程科學研究所，2005.

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Simulation test research for container vessel navigation in crossw ind

LIYi-bing,LIXiao-xing
(Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China)

The northern section of Tonggu Channel connects with the fairway of Shenzhen western port area by an inverse S-shaped bend.To demonstrate the safety of navigation in the northern section of Tonggu Channel, a method of combining 2-D tidal flow mathematical model,ship maneuvering simulator,fixed bed tide physical model and remote control self-propelled ship model were applied for the first time.The test results show that, when the winds and waves are big,the channel dimension of the inverse S-shaped bend in original design plan cannot meet the demand for container ship with 50,000-ton class entering and leaving harbor safely in both ways. By changing the first bend with one big turning angle to two small turning angles,and increasing the channel width of the second bend,the navigation conditions of northern section of Tonggu Channel are improved markedly.In the worst test condition,container ship with 50,000-ton class can enter and leave harbor successfully in both ways.

container vessel;crosswind;navigation condition;simulation test;ship maneuvering simulator; self-propelled ship model

U 661.33

A

1005-8443（2013）05-0393-05

2013-01-05；

2013-03-06

李一兵（1961-），男，江西省撫州市人，研究員，主要從事港口、航道和通航工程研究。

Biography：LIYi-bing（1961-），male，professor.