李俊敏 閆 言 蒲曉斌

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (武漢理工大學(xué)高性能船舶技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2) 武漢 430063) (武漢理工大學(xué)華東船舶設(shè)計(jì)院3) 臺(tái)州 318001)

0 引 言

內(nèi)河營(yíng)運(yùn)船舶受通航環(huán)境的影響，船舶的船長(zhǎng)、船寬、吃水與營(yíng)運(yùn)航速均需滿足航道或相應(yīng)法規(guī)的約束，且內(nèi)河船舶的操縱回轉(zhuǎn)性能通常要求較高.首先，受限于航道的轉(zhuǎn)彎半徑，船長(zhǎng)設(shè)計(jì)值有一定的限制；且船長(zhǎng)對(duì)摩擦阻力和空船質(zhì)量影響較大，船長(zhǎng)微增便會(huì)導(dǎo)致摩擦阻力和空船重量出現(xiàn)較大的增加.故內(nèi)河船舶在排水量一定的條件下，為了增加載貨量多采用增加船寬的設(shè)計(jì)方式.其次，通航船舶為提高運(yùn)輸效益，多考慮最大限度的利用航道水深，以達(dá)到增加載貨量的目的，導(dǎo)致船舶的設(shè)計(jì)吃水不斷下探.盡管內(nèi)河航道條件在不斷改善，但在船舶大型化的發(fā)展趨勢(shì)下，航道水深限制的問(wèn)題始終存在.

在淺水中航行時(shí)，船首或船尾部分水的流動(dòng)因受到富裕水深的限制，三維空間的流動(dòng)多趨于二維平面流動(dòng)[1].寬淺吃水船型使船體顯得更加豐滿，流線的曲率更大，船周圍的水流速度加快；且沿舷側(cè)水流較首尾快，速度場(chǎng)的變化導(dǎo)致船體周圍水壓力發(fā)生變化，壓力梯度更大，形狀阻力增加；甚至當(dāng)富裕水深很小時(shí)會(huì)導(dǎo)致流線分離[2]，航道水深對(duì)船舶粘性阻力的影響不容小覷,因此，內(nèi)河船舶在概念設(shè)計(jì)階段都必須考慮航道水深對(duì)船舶粘性阻力的影響.

內(nèi)河船型的淺水形狀因子(1+K)s預(yù)報(bào)通常采用深水形狀因子(1+K)d和淺水形狀因子相對(duì)于深水形狀因子的增量ΔK的相互疊加.雖然常用的深水形狀因子(1+K)d預(yù)報(bào)模型對(duì)于常規(guī)海船在深水水域可以滿足工程應(yīng)用精度，但對(duì)于內(nèi)河寬淺吃水船舶的適用性如何尚有待分析研究.

關(guān)于淺水形狀因子增量ΔK的研究，文獻(xiàn)[3]根據(jù)七組船模淺水阻力試驗(yàn)將ΔK回歸為水深吃水比h/T的函數(shù).文獻(xiàn)[4]根據(jù)7艘船模試驗(yàn)也回歸得到ΔK預(yù)報(bào)式，相對(duì)于Millward回歸式,增加了B/L,Cb等船型參數(shù)為變量.錢徐濤[5]根據(jù)184條船模淺水阻力曲線得到的ΔK回歸模型以h/T,L/B,Cb,B/T為變量，其中：T為吃水，m；Cb為方形系數(shù)；h為水深，m.本文通過(guò)對(duì)16組寬淺吃水船舶的淺水船模阻力試驗(yàn)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)上述三種回歸與該類船型的模型試驗(yàn)值差別較大,因此，本文開(kāi)展如下兩項(xiàng)內(nèi)容的分析研究：①基于42組寬淺吃水船舶深水形狀因子值，進(jìn)行寬淺吃水船舶深水形狀因子的預(yù)報(bào)模型對(duì)比分析；②基于16組寬淺吃水船型的淺水船模阻力試驗(yàn)數(shù)據(jù)，開(kāi)展寬淺吃水船舶的ΔK回歸模型預(yù)報(bào)研究，并在上述兩項(xiàng)分析研究的基礎(chǔ)上提出了內(nèi)河航道寬淺吃水船型的淺水形狀因子預(yù)報(bào)模型.

根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行3萬(wàn)多艘內(nèi)河船舶(包括滾裝船、油船、散貨船、集裝箱船、散裝化學(xué)品船、液化氣船)的設(shè)計(jì)參數(shù)統(tǒng)計(jì)：85%內(nèi)河船舶長(zhǎng)寬比L/B值在4.14～6.54，船寬與吃水比B/T在2.53～6.37.本文用于驗(yàn)證深水形狀因子的42組寬淺吃水船舶(包括油船、機(jī)動(dòng)駁、客船、絞吸挖泥船、集裝箱船、多用途船)的L/B值在3.75-7.25之間，B/T在2.58～7.5；本文采用的16組寬淺吃水船舶船模阻力試驗(yàn)(包括油船、機(jī)動(dòng)駁、客船、絞吸挖泥船、集裝箱船、多用途船)L/B值在3.94～6.69，B/T在3～7.5，h/T在1.09～3.5；因此，采用的船模型船型設(shè)計(jì)參數(shù)與我國(guó)典型內(nèi)河船舶相符.

1 寬淺吃水船型深水形狀因子的預(yù)報(bào)分析

在概念設(shè)計(jì)階段，已知的船型設(shè)計(jì)參數(shù)較少.文獻(xiàn)[6]表明，可用于常規(guī)海船深水形狀因子的回歸模型主要有渡邊式、格蘭維爾式、格羅斯式.三種回歸模型對(duì)于常規(guī)海船的適用性較好.本文通過(guò)收集的42組寬淺吃水船舶船模深水阻力試驗(yàn)數(shù)據(jù)開(kāi)展校驗(yàn)，檢驗(yàn)三種方法是否適用于內(nèi)河寬淺吃水船型.其中，形狀因子試驗(yàn)值是采用Prohaska法從船模試驗(yàn)數(shù)據(jù)求取.渡邊式、格蘭維爾式、格羅斯式預(yù)報(bào)值與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差見(jiàn)圖1，表1為三種深水形狀因子預(yù)報(bào)模型誤差對(duì)比.

圖1 各船舶深水形狀因子試驗(yàn)值與回歸模型預(yù)報(bào)值相對(duì)誤差

渡邊式格蘭維爾式格羅斯式擬合優(yōu)度R20.927 70.894 70.921 9均方根誤差0.091 20.132 70.098 6

由圖1和表1可知，渡邊式、格羅斯式預(yù)報(bào)模型的擬合優(yōu)度、均方根誤差均比格蘭維爾式好；雖然渡邊式和格羅斯式擬合優(yōu)度相差不大，但均方根誤差比格羅斯式?。欢蛇吺脚c試驗(yàn)值的相對(duì)誤差比其他兩種預(yù)報(bào)模型更集中分布在10%以下.通過(guò)綜合比較，建議在概念設(shè)計(jì)階段對(duì)寬淺吃水船型的深水形狀因子預(yù)報(bào)可采用渡邊式.

2 寬淺吃水船型淺水形狀因子預(yù)報(bào)研究

2.1 淺水形狀因子研究概況

目前，考慮航道水深吃水比對(duì)船舶形狀因子的影響主要體現(xiàn)為Millward、Kamar、錢徐濤等提出的淺水形狀增量回歸表達(dá)式.文獻(xiàn)[3]驗(yàn)證了Millward式適用于KVLCC2船型的深淺水形狀因子差異計(jì)算，但寬淺吃水船型相對(duì)于深水的淺水形狀因子增量ΔK如何預(yù)報(bào)有待進(jìn)一步分析研究.

對(duì)收集的16組內(nèi)河寬淺吃水船型的淺水阻力試驗(yàn)數(shù)據(jù)(1+K)s驗(yàn)證上述三種預(yù)報(bào)淺水形狀因子增量ΔK的方法，結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 各船舶淺水形狀因子試驗(yàn)值與經(jīng)驗(yàn)公式值對(duì)比

由表2可知，Kamar和錢徐濤式的回歸結(jié)果相對(duì)較好，但相對(duì)于寬淺吃水船舶的擬合優(yōu)度也僅分別為0.640 6，0.557 3.雖然優(yōu)于Millard方法，但仍與船模試驗(yàn)值差異較大，因此，基于16組寬淺吃水船舶淺水阻力試驗(yàn)數(shù)據(jù)嘗試提出新的ΔK預(yù)報(bào)模型.

2.2 寬淺吃水船舶淺水形狀因子增量ΔK預(yù)報(bào)模型

文獻(xiàn)[2]指出，當(dāng)水深吃水比h/T小于2時(shí)，淺水黏性阻力與深水黏性阻力的比值明顯增加較快，此時(shí)不僅應(yīng)該考慮h/T的影響，還要考慮船型因素的影響.Millward模型沒(méi)有考慮船型因素的影響，或許是導(dǎo)致其預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)值偏差較大的原因.

(1)

2.3 寬淺吃水船型淺水形狀因子增量△K預(yù)報(bào)模型的驗(yàn)證

圖2為本文回歸模型、Millward、Kamar、錢徐濤模型預(yù)報(bào)值與16組寬淺吃水船型模型數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差.

圖2 ΔK回歸模型預(yù)報(bào)值與試驗(yàn)值相對(duì)誤差

由圖2可知，本文提出的回歸模型預(yù)報(bào)值與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差值在圖中分布更集中，回歸模型的均方根誤差為0.095 9，小于其他三種回歸模型的均方根誤差.

為進(jìn)一步檢驗(yàn)文章回歸模型的有效性，采用未參與回歸分析的不同艉型和排水量的內(nèi)河寬淺吃水船型(黃河機(jī)動(dòng)駁)在h/T=1.5情況下為例檢驗(yàn)上述回歸式的預(yù)報(bào)精度，見(jiàn)表3.

表3 不同艉型不同排水量的黃河機(jī)動(dòng)駁ΔK試驗(yàn)值與各預(yù)報(bào)值對(duì)比

由表3可知，本文提出的ΔK試回歸模型預(yù)報(bào)值與試驗(yàn)值更為接近，采用本文回歸模型得出的兩種不同艉型不同排水量的黃河機(jī)動(dòng)駁ΔK預(yù)報(bào)值與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差分別為-2.21%、6.08%，遠(yuǎn)小于Millward、Kamar、錢徐濤的相對(duì)誤差值.總體而言，本文提出的ΔK預(yù)報(bào)模型能較好的滿足工程應(yīng)用精度小于10%的要求.

3 結(jié) 論

1) 通過(guò)42組內(nèi)河寬淺吃水船型深水阻力試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)常規(guī)深水海船的形狀因子回歸模型，渡邊式、格蘭維爾式、格羅斯式進(jìn)行了對(duì)比分析，得出渡邊式模型相對(duì)最優(yōu)的結(jié)論，滿足內(nèi)河寬淺吃水船型的深水形狀阻力的工程應(yīng)用預(yù)報(bào)精度.

2) 基于16組寬淺吃水船舶淺水阻力試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸模型，提出該類船型的淺水形狀因子增量△K預(yù)報(bào)模型表達(dá)式，并以兩種不同艉型不同排水量的黃河機(jī)動(dòng)駁為例，將本文回歸模型與Millward、Kamar、錢徐濤進(jìn)行了對(duì)比分析驗(yàn)證，本文回歸式的預(yù)報(bào)結(jié)果與試驗(yàn)值的吻合較好，滿足工程應(yīng)用精度小于10%的要求.

3 )提出適用于內(nèi)河寬淺吃水船型在概念設(shè)計(jì)階段的淺水形狀因子預(yù)報(bào)模型為

(1+K)s=(1+K)d+ΔK

(2)

(1+K)d=1+K渡邊=

(3)

(4)

4) 受限于船模試驗(yàn)數(shù)據(jù)總量，本文提出的預(yù)報(bào)模型的精度和內(nèi)河航道寬度對(duì)內(nèi)河寬淺水船型的淺水形狀因子影響有待進(jìn)一步改進(jìn).