王蛟，楊斌

（重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶400074）

閘室船舶系纜力研究綜述

王蛟，楊斌

（重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶400074）

摘要：為保證船舶安全過(guò)閘，防止斷纜、傾覆等安全事故發(fā)生，文章從物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究?jī)煞矫婢烷l室船舶系纜力的研究歷史及進(jìn)展做簡(jiǎn)要綜述，并對(duì)其研究方向及應(yīng)用作適當(dāng)展望，力圖為后續(xù)研究提供幫助。

關(guān)鍵詞：系泊條件；物理模型試驗(yàn)；數(shù)值模擬；系纜力

我國(guó)作為水利大國(guó)，內(nèi)河航運(yùn)是其戰(zhàn)略基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，是國(guó)家綜合運(yùn)輸體系和水資源綜合利用的關(guān)鍵組成部分，具有運(yùn)量大、運(yùn)距長(zhǎng)、能耗小、成本低、占地少、污染輕等優(yōu)勢(shì)。建設(shè)通航建筑物是實(shí)現(xiàn)河流渠化、溝通不同水系的重要手段。在我國(guó)近900座通航建筑物中，船閘約占90%，作為最主要的通航樞紐建筑物，船閘在內(nèi)河航運(yùn)中占有十分重要的地位。故在船閘設(shè)計(jì)與運(yùn)營(yíng)中，保證船舶安全過(guò)閘，具有重要意義。

船舶過(guò)閘時(shí)，為保證其安全，在引航道和閘室內(nèi)均設(shè)有系船設(shè)施。由于引航道停泊段遠(yuǎn)離閘首，水域相對(duì)開(kāi)闊，閘室灌泄水對(duì)停泊船所產(chǎn)生的水流力較小，船舶一般可通過(guò)自行調(diào)控以滿(mǎn)足安全要求。相對(duì)而言，停泊于閘室的船舶受閘室灌泄水影響較大［1］。由于船舶所受的外部荷載均通過(guò)纜繩傳遞到系船設(shè)施上，故船舶系纜力可代表船舶的系泊條件［2］。系纜力由水流力產(chǎn)生，水流力包括由于水流紊動(dòng)產(chǎn)生的局部力、縱向流速產(chǎn)生的流速力以及閘室內(nèi)水面波浪產(chǎn)生的波浪力。受閘室水流非恒定以及船舶停泊位置等因素的影響，船舶系纜力分為橫向系纜力和縱向系纜力。系纜力超過(guò)規(guī)范允許值可能會(huì)引發(fā)斷纜、傾覆等安全事故［3］。因此，加強(qiáng)閘室船舶系纜力的系統(tǒng)研究具有實(shí)際意義。

過(guò)閘船舶的安全尤其是輸水過(guò)程中閘室內(nèi)船舶的系泊安全一直是船閘設(shè)計(jì)與研究中最為關(guān)注的問(wèn)題。本文就閘室船舶系纜力的研究歷史及進(jìn)展（從物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究?jī)煞矫妫┳龊?jiǎn)要綜述，并對(duì)系纜力的研究方向及應(yīng)用作適當(dāng)展望，力求為后續(xù)研究提供一定參考。

1　物理模型試驗(yàn)

閘室船舶系纜力由于影響因素的復(fù)雜性，一直以來(lái)，都以物理模型試驗(yàn)研究為主，以滿(mǎn)足實(shí)際工程的需要。其中，國(guó)外學(xué)者的研究開(kāi)展較早。

前蘇聯(lián)學(xué)者Б.Д.卡洽諾夫斯基［4］對(duì)運(yùn)行中的船閘（頭部輸水系統(tǒng)）進(jìn)行了纜繩拉力實(shí)測(cè)，提出了纜繩縱向分力的計(jì)算公式。之后，又基于船上系纜柱的堅(jiān)固性決定纜繩的允許拉力，給出了纜繩最大拉力與實(shí)際船舶排水量的關(guān)系式。但這些成果并未考慮閘室內(nèi)船舶系纜力各影響因素的相互作用及其機(jī)理；Richard L等［5-6］通過(guò)物模試驗(yàn)介紹了船舶系纜力的測(cè)量方法，并分析了系纜系統(tǒng)水動(dòng)力學(xué)原理及船閘廊道輸水引發(fā)的閘室水面震蕩作用過(guò)程。同時(shí)，還研究了阻尼系數(shù)和質(zhì)量系數(shù)，用來(lái)估算船閘運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的船舶系纜力。實(shí)驗(yàn)涉及到輸水系統(tǒng)對(duì)閘室水面的影響以及船舶本身特性的改變，但未考慮閘室尺度及水位變化的影響；Richard L.Stockstill［7-8］利用水動(dòng)力學(xué)模型（系纜環(huán)）對(duì)閘室停泊條件進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了物模的可行性及實(shí)用性；之后，進(jìn)一步研究了船型及水體自由表面與船體接觸耦合作用的影響［9］，針對(duì)閘室尺度及水位變化對(duì)船舶閘室停泊條件的參數(shù)影響做了初步探究，用于確定閘室船舶系纜力。但實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較少，未形成系統(tǒng)，不便于設(shè)計(jì)參考；J.E.Hite，Jr［10］通過(guò)物模試驗(yàn)證實(shí)，稍微調(diào)整入水口的水流特性和輸水廊道的結(jié)構(gòu)尺寸，就能明顯改善閘室的停泊條件。但后來(lái)的研究表明，船閘輸水閥門(mén)的開(kāi)啟方式對(duì)閘室停泊條件的影響更大。

在國(guó)內(nèi)，周華興［11］研究了船閘輸水閥門(mén)的曲線開(kāi)啟方式，驗(yàn)證了輸水流量從三角形分布變成梯形分布，由不穩(wěn)定流演變成較長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定流，能顯著改善水流條件和停泊條件，這些成果可以看作是對(duì)J.E.Hite，Jr研究的補(bǔ)充；之后，鄭寶友［12］進(jìn)一步研究了船隊(duì)（舶）系纜力與進(jìn)入閘室的流量增率、閘室及船舶尺度、排列型式及停泊位置等因素的關(guān)系，以此分析整理出船閘等慣性輸水系統(tǒng)閘室內(nèi)船隊(duì)（舶）系纜力的經(jīng)驗(yàn)公式。這些研究較全面，但并未體現(xiàn)影響閘室船舶系纜力因素的主次關(guān)系，研究成果深度稍有欠缺；鄭寶友等［13］基于天津港復(fù)線船閘水力學(xué)模型試驗(yàn)，分析了船閘輸水系統(tǒng)在灌泄水過(guò)程中系纜力的影響因素，得出了加長(zhǎng)鎮(zhèn)靜段和減少閥門(mén)啟閉時(shí)間以及增加淹沒(méi)水深能減小船舶系纜力，灌水時(shí)的系纜力大于泄水時(shí)的系纜力等觀點(diǎn)。這些定性結(jié)論，缺少系統(tǒng)的數(shù)據(jù)整理分析，雖對(duì)實(shí)驗(yàn)研究具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義，但實(shí)用性較顯不足；孫鵬等［14］通過(guò)對(duì)4種常規(guī)船型的計(jì)算表明，隨著船舶主尺度的增加，船舶在?？繒r(shí)所需要的系纜力相應(yīng)增大，其中主要包含三項(xiàng)，即船舶摩擦阻力、附加慣性力及比降力。所推導(dǎo)出的計(jì)算船舶系纜力的經(jīng)驗(yàn)公式在工程應(yīng)用上具有一定的參考價(jià)值，在解決具有類(lèi)似水電站的非恒定流影響下船舶系纜力問(wèn)題時(shí)，可以參照使用，但在具體計(jì)算時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行修正；宗慕偉等［15］結(jié)合工程試驗(yàn)研究，證實(shí)集中輸水系統(tǒng)閥門(mén)變速開(kāi)啟方式可以有效利用閥門(mén)廊道斷面尺寸進(jìn)行輸水，從而縮短閘室輸水時(shí)間，并介紹了其設(shè)計(jì)原則及初步研究成果。試驗(yàn)表明，變速開(kāi)啟的充水時(shí)間可較勻速開(kāi)啟縮短15%左右，同時(shí)閘室船舶的系纜力仍可滿(mǎn)足規(guī)范要求。

2　數(shù)值模擬研究

對(duì)于船閘輸水過(guò)程船舶系纜力的研究，國(guó)內(nèi)外大多采用模型試驗(yàn)的方法來(lái)確定，而數(shù)值計(jì)算方法尚處于探索性階段。需解決的主要問(wèn)題是“船體—水流”耦合動(dòng)力響應(yīng)。目前，在其他領(lǐng)域，“船體—水流”耦合動(dòng)力響應(yīng)模擬方面已取得不少成果，但在船閘工程中由于要考慮輸水系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)非恒定灌泄水過(guò)程，且閘室水體尺度與船舶尺度相當(dāng)，船舶是在限制性水域內(nèi)作大變幅運(yùn)動(dòng)。因此，要對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行深入研究遠(yuǎn)比我們想象的更為復(fù)雜，目前還缺乏系統(tǒng)性成果，現(xiàn)綜述如下。

國(guó)外，G.Constantinescu［16］利用3?D大渦數(shù)值模型模擬水流（特別是在高雷諾數(shù)水流條件下），測(cè)試了不同容量的水體在不同糙率水槽中的特性，過(guò)程中還整合了經(jīng)驗(yàn)資料以修正模型參數(shù)。試驗(yàn)表明大部分情況滿(mǎn)足層流理論，但對(duì)于槽底障礙物帶來(lái)的影響則很難估計(jì)。在閘室水流環(huán)境模擬過(guò)程中，也應(yīng)關(guān)注水流表面與船體運(yùn)動(dòng)，忽略閘室底水流的復(fù)雜性；Richter［17］通過(guò)假定船舶是隨周邊水體做無(wú)相對(duì)位移的運(yùn)動(dòng)，即將船舶視作“柔性船”，建立了一個(gè)簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型來(lái)分析閘室內(nèi)波浪的推進(jìn)過(guò)程，對(duì)閘室系泊環(huán)境研究進(jìn)行了補(bǔ)充；R.J.de Jong等［18］研究了閘室內(nèi)涌浪對(duì)船舶的水動(dòng)力作用，并研發(fā)了閘室內(nèi)船舶所受縱向力的計(jì)算程序，有利于便捷地獲取閘室船舶系纜力，但涌浪作用只是影響閘室船舶系纜力的一種因素，計(jì)算程序還有待完善；Natale等［19］利用單自由度水動(dòng)力學(xué)船體模型模擬了在涌浪作用下船舶的上升和下降運(yùn)動(dòng)，可供“船體-水流”模擬問(wèn)題借鑒；Heqing Huang等［20］開(kāi)發(fā)了一個(gè)數(shù)值模型，可用于模擬各種進(jìn)口條件下的濁流特性，并得出結(jié)論：進(jìn)口條件和河床坡度對(duì)濁流的特性影響最大，體現(xiàn)了輸水系統(tǒng)尤其是進(jìn)口設(shè)計(jì)對(duì)閘室停泊條件所起的決定性作用；Hamn?Ching Chen等［21］通過(guò)綜合考慮流體計(jì)算RANS方法和LAPLACE方法的優(yōu)缺點(diǎn)而得到一種新的模擬方法，可用于精確、高效地模擬具有自由表面的邊界層問(wèn)題，粘性流問(wèn)題和非線性波浪問(wèn)題。這些問(wèn)題都是在研究閘室船舶系纜力時(shí)必然會(huì)遇到的，該模擬方法具有很好的借鑒意義；Jennifer N. Tate等［22］針對(duì)淺水水流模型開(kāi)發(fā)了一種自適應(yīng)網(wǎng)格劃分方法，可以提高網(wǎng)格劃分的精度和效率，降低計(jì)算成本。“船體—水流”耦合動(dòng)力響應(yīng)模型對(duì)計(jì)算精度的要求很高，該方法可大大提高其數(shù)值模擬的效率；R.C. Berger等［23］介紹了一種3D水流數(shù)值模型：ADH（A Daptive Hydraulics），并用實(shí)例驗(yàn)證了模型的可行性，“船體—水流”耦合動(dòng)力響應(yīng)模型可借鑒其自適應(yīng)模擬特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化；Bonometti T等［24］對(duì)矩形槽高水位的水流流態(tài)進(jìn)行了模擬，其模型與閘室水流環(huán)境十分相似。綜上可知，國(guó)外研究主要力求具有普適性的基礎(chǔ)理論和研究方法。

國(guó)內(nèi)，張利鵬［25］基于烏江銀盤(pán)船閘，建立了整體輸水系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，選用水氣兩相流的VOF模型追蹤模擬閘室自由表面，采用RNGκ—ε紊流模型對(duì)銀盤(pán)高水頭船閘水流進(jìn)行了三維數(shù)值模擬；劉盛赟等［26］針對(duì)水流交匯區(qū)水動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，建立了適用于水流交匯區(qū)的水氣兩相流數(shù)學(xué)模型。其研究結(jié)果表明：分離區(qū)的范圍隨交匯角、流量比和動(dòng)量比的減小而逐漸縮小直至分離區(qū)消失，交匯角、流量比和動(dòng)量比越小，交匯口上游水位的壅高及分離區(qū)內(nèi)水位的下降程度越不明顯。該模型可用于模擬閘室輸水廊道出水口的水流交匯模擬；實(shí)際上閘室內(nèi)船舶系泊條件的關(guān)鍵是“浮體—水流”耦合動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題［27］，史琪琪等［28］提出的波浪交互理論是解決三維多浮體水動(dòng)力問(wèn)題的一種有效方法，該方法能正確處理相鄰浮體造成的波浪干涉效應(yīng)，尤其適用于浮體數(shù)目較多的場(chǎng)合，適合于模擬船隊(duì)在閘室內(nèi)的系泊環(huán)境；劉應(yīng)中等［29］計(jì)算了多個(gè)浮體在波浪上藕合運(yùn)動(dòng)時(shí)的流體動(dòng)力系數(shù)（已考慮流體動(dòng)力之間的相互干擾），并分析了“船一駁”組合體在有限水深規(guī)則波中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)；張炳夫等［30］基于三維頻域勢(shì)流理論，應(yīng)用SESAM軟件計(jì)算了浮體在規(guī)則波中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和頻域參數(shù)；肖越［31］將三維線性時(shí)域GREEN函數(shù)法與非線性有限元法結(jié)合，進(jìn)一步發(fā)展了系泊系統(tǒng)的時(shí)域分析法；江召兵等［32］采用任意拉格朗日—?dú)W拉法導(dǎo)出了帶自由表面的流—固耦合運(yùn)動(dòng)計(jì)算模型，通過(guò)動(dòng)網(wǎng)格跟蹤浮體運(yùn)動(dòng)，并用自適應(yīng)網(wǎng)格加密自由表面，得出了在無(wú)粘流體和粘性流體中浮體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。以上研究，大多是波浪環(huán)境下浮體與流體間相互作用的研究，但實(shí)際上對(duì)于“船體—水流”間耦合運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的船舶受力分析，不僅應(yīng)考慮波浪和粘性水流流速對(duì)船體的作用，還應(yīng)考慮閘室水位大幅變動(dòng)對(duì)船體升降運(yùn)動(dòng)控制的動(dòng)力響應(yīng)。陳明［33］基于“船舶—水流”間的耦合動(dòng)力響應(yīng)，開(kāi)發(fā)了一種較為完善的計(jì)算方法和“船舶—水流”模型，對(duì)閘室船舶升降過(guò)程中（閘室灌泄水過(guò)程）復(fù)雜的受力情況進(jìn)行仿真模擬計(jì)算。

除模擬整體閘室水流環(huán)境外，對(duì)閘室水流條件影響研究主要集中在輸水系統(tǒng)。盧文蕾等［34］通過(guò)嘉陵江新政船閘閘底長(zhǎng)廊道側(cè)支孔出水輸水系統(tǒng)模型試驗(yàn)，研究了出水支孔型式、管徑與排列、消能溝設(shè)置等對(duì)改善閘室水流條件的影響。楊忠超等［35］針對(duì)高水頭船閘閘室明溝的消能效果和消能機(jī)理進(jìn)行研究，分析了流速分布、剩余比能、水面波動(dòng)和紊動(dòng)能耗散率等參數(shù)，結(jié)果表明明溝消能效果良好。劉保軍［36］依托烏江銀盤(pán)船閘，采用雙明溝消能，運(yùn)用物理模型試驗(yàn)方法測(cè)出了雙明溝的流場(chǎng)分布，并輔以數(shù)值模擬，得出流速分布，論證了明溝消能效果優(yōu)于蓋板消能?？梢?jiàn)，船閘輸水系統(tǒng)和消能型式與閘室系纜力密切相關(guān)。

3　結(jié)論

綜上所述，針對(duì)閘室船舶系纜力的研究，過(guò)去由于受數(shù)值模擬技術(shù)的限制以及大量工程的實(shí)際需要，主要是通過(guò)物理模型試驗(yàn)進(jìn)行研究。其中，國(guó)外學(xué)者偏重于理論方法的探討，普適性較強(qiáng)，但實(shí)用性偏弱；而國(guó)內(nèi)研究大多依托具體工程作針對(duì)性研究，成果雖具有較強(qiáng)的工程實(shí)用價(jià)值，但普適性有限。目前，數(shù)值模擬研究已得到較大發(fā)展，但總體而言，研究成果尚未系統(tǒng)化，不便于設(shè)計(jì)參考使用。其中，閘室水流研究較豐富，在閘室系纜力應(yīng)用方面還有待深入。閘室系纜力的研究手段層出不窮，但能兼顧實(shí)用性及通用性的方法還較少。因此，在該領(lǐng)域仍有許多問(wèn)題值得探討：

（1）加強(qiáng)船舶系纜力系統(tǒng)性研究。以往的研究多針對(duì)實(shí)際工程，系統(tǒng)性的研究較少。影響閘室系纜力的因素多，如船閘水頭、閘室尺度、輸水系統(tǒng)型式、消能方式、閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)間及方式、船舶（隊(duì)）停泊方式等，尚未見(jiàn)到針對(duì)上述影響因素進(jìn)行的系統(tǒng)性研究及相應(yīng)的實(shí)用性成果。

（2）加強(qiáng)系纜力原型觀測(cè)。通過(guò)閘室系纜力的原型觀測(cè)，不僅可直觀地判斷船閘輸水系統(tǒng)和消能形式的效果，優(yōu)化設(shè)計(jì)，還可對(duì)相應(yīng)數(shù)值計(jì)算模型、計(jì)算方法、模型試驗(yàn)成果甚至設(shè)計(jì)規(guī)范的合理性進(jìn)行驗(yàn)證。

（3）積極開(kāi)發(fā)更為高效、便捷的閘室系纜力計(jì)算方法及計(jì)算模型。船舶系纜力的數(shù)值模擬研究，需考慮輸水系統(tǒng)非恒定灌泄水過(guò)程，鑒于閘室水體尺度與船舶尺度相當(dāng)，所以船舶是在限制性水域內(nèi)作垂直升降運(yùn)動(dòng)，不僅要考慮波浪和粘性水流流速對(duì)船體的作用，還需考慮閘室水位對(duì)船體升降運(yùn)動(dòng)控制的動(dòng)力響應(yīng)，計(jì)算模型復(fù)雜，常常需要并行計(jì)算。現(xiàn)有的計(jì)算方法和模型很難兼顧可行性與實(shí)用性。為更方便快捷地獲取閘室船舶系纜力，借助大型商業(yè)計(jì)算軟件對(duì)閘室船舶系纜力計(jì)算進(jìn)行系統(tǒng)的二次開(kāi)發(fā)研究，已顯得十分的迫切和必要。

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Biography：WANG Jiao（1989-），male，master student.

中圖分類(lèi)號(hào)：TV 662；TV 139.16

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-8443（2014）05-0527-05

收稿日期：2013-09-22；修回日期：2014-02-17

作者簡(jiǎn)介：王蛟（1989-），男，四川省安岳人，碩士研究生，主要從事船閘設(shè)計(jì)方面的工作。

Review of mooring force in ship lock

WANG Jiao,YANG Bin
（School of River&Ocean Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074，China）

Abstract:In order to ensure the safety of ship lock,prevent broken cable and overturning safety accidents, with the aid of physical models and numerical simulation methods,a review of study history and development was made on mooring force in ship lock in this paper,and an appropriate outlook for the research direction and applica?tion was prospected.The purpose of this paper is to offer the assistance for further research in this field.

Key words:berthing condition;physical model;numerical simulation;mooring force