船只近沿垂直壁岸航行的岸壁效应影响研究

代志辉

（湖南省常德航道事务中心,湖南 常德 415000）

0 引言

大型船只在限制水域中穿流航行，必须充分关注岸壁效应影响。大型船只在限制水域行驶的驾驶控制本身就存在一定难度，再因岸壁效应影响，受到额外的附加侧向力及转首力矩作用，操纵控制不当，导致船体触底或船岸碰撞航行的概率陡增，将严重危及航行安全。因此，深入认识和把握岸壁效应对船只临岸航行的影响，对船舶控制技术设计、航道安全控制管理以及船只临岸安全驾驶控制，均有应用参考意义。该研究借助RANS方法，采用KVLCC2船体模型，基于一侧敞水，一侧面临垂直岸壁的水域状态，模拟探究船只临沿垂直岸壁航行工况下的岸壁效应影响，为船只临岸安全航行安全控制应用提供技术参考。

1 模拟计算情况简述

1.1 RANS方法

RANS方法是一种基于质量和动量守恒的黏性流3d运动模拟计算方法，其偏微分方程组基本表达为：

式中，p——压力；ρ——密度；τij——应力张量；ui——顺流速率；g——重力加速度；gi——笛卡尔坐标x向的g分量。RANS方法与现代计算机技术结合，从形成对黏性流3d运动强大的模拟计算能力，在解决3d流体问题的水工模拟研究中，得到越来越多的应用[1]。

1.2 模拟计算域与边界设置条件

计算域体积按3d立方体控制，算域总宽取4.4 m规格，入口距船头距离取1.5 Lpp，出口距船尾取2.6 Lpp，空气相取25% Lpp高度，水相取不同水深，岸壁相取不同距离。计算域的顶部按称边界条件设置，入口按速度入口边界设置，出口按压力出口边界设置[2]。

船体、水底和岸壁，按不可滑移壁面条件设置。

1.3 船体参数及计算工况

KVLCC2船体缩模比按75∶1控制，船体主要规格参数具体见表1所示。其中的Δm为船只排水量，Δxcg为船只尾垂线至重心的距离，Cb为方形系数。模型的网格划分采取了3种不同密度方式，即低密度网格取船体长度的2%、中密度网格取船体长度的1%、高密度网格取船体长度的0.7%[3]。

表1 船体主要规格参数

2 岸壁效应的因素影响分析

2.1 兴波的岸壁效应影响

兴波的岸壁效应影响模拟计算工况与获得的水动力结果见表2和表3所示。

表2 兴波的岸壁效应影响模拟计算工况

表3 兴波的岸壁效应水动力影响结果

模拟分析显示，沿垂直岸壁走行时，船只受到显著的岸壁效应影响，船身会受到一个较大的横向力，指向岸壁，发生转首力矩，推动船首离岸。忽略与参考自由面兴波时，船身所受到的横向力、阻力以及摇首力矩等，其水动力值差异并不大。不同岸壁距离下，计及与忽略兴波两种情况下，水动力在分布大体相同，与忽略或者参考自由面兴波的影响，关系并不明显。虽然岸壁效应不会受兴波大幅度影响，但计及兴波的船身所受到的横向力、阻力及摇首力矩，其水动力值均比忽略兴波的对应值有略微加大。

分析上述现象，最重要的原因是，因为兴波作用，在沿纵方向上，使自由面高度面临变化趋势，进而影响了流场和动压力状态。此外，水的流动也受空气流动影响。水和空气在自由液面区域，满足连续速率条件，当2种流体的流动速率不同时，液面区域会发生有速率梯度的流动，对船只所受水动力亦会发生影响。

综上，兴波对岸壁效应会发生一定程度影响。兴波虽不能改变船只所受的水动力一般规律，但在它的影响下，航行船只所受的横向力、阻力及摇首力矩等，均会一定程度有所加大，对船只航行安全来讲，考虑兴波影响，是更加强化安全性的做法。为保证水动力的分析计算更加准确，以及强化船只航行安全考虑，该研究中对船身沿岸壁航行的模拟计算，均参考了兴波作用影响。

2.2 流黏性的岸壁效应影响

流黏性的岸壁效应影响模拟计算工况与获得的水动力结果，见表4和表5所示[4]。

表4 流黏性的岸壁效应影响模拟计算工况

表5 流黏性的岸壁效应水动力影响结果

现实自然流体，都一定程度存在黏性，某些状态下，可以将自然流体视作标准流体。该部分基于吃水比1.35，船壁距离1.36 m、0.973 1 m、0.586 1 m、0.517 5 m，按计入和不计入流体黏性工况，计算分析黏性条件的岸壁效应影响。

分析结果显示，在计及与不计及黏性条件下，阻力值产生比较大的差异变化，横向力与摇首力矩则差异变化比较小，忽略黏性的计算结果相对偏小。原因主要在于，船只在临岸航行时流体黏滞性所产生影响。黏性是液体自身所有的性质，流体相邻层面间存在速率梯度时，会发生抵抗形变的黏性应力，对于船只阻力的影响比较大，而横向力和转首力矩的影响状态，主要是因为船只左右舷的不对称流体流动所导致的，黏性的影响则相对不大。

2.3 航行速度的岸壁效应影响

航行速度的岸壁效应影响模拟计算工况及岸壁效应水动力影响结果，见表6和表7。

表6 航行速度的岸壁效应影响模拟计算工况

表7 航行速度的岸壁效应水动力影响结果

显然，在不同航行速度下，船只受到的水动力影响有所不同，航行速度会对岸壁效应发生比较大的影响。该部分基于吃水比1.35，船壁距离1.36 m、0.973 1 m、0.586 1 m、0.517 5 m，船速0.238 m/s、0.356 m/s，分析航行速度的岸壁效应影响。

分析结果显示，船只临岸航行，随着航行速度的加大，所受到的水动力影响伴随加大，航行速度越高时，水动力影响越大，则航行船只所面临的岸壁影响风险越高。而船只在不同速率下，船岸距离的影响差异不大，证明航行速率是一个显著而直接的岸壁效应影响要素，航行速度越高时船只的岸壁效应会越显著。

沿船长的自由面兴波的表现规律，总体相似，船只在高航行速度的自由面兴波要大于在低航行速度下的状态。自由面兴波，船岸距离越近，波幅越大。综上，船只沿垂直岸壁行驶时，自由面兴波呈现航行速度越高则波幅度越大，对岸壁效应的影响越显著。另外，岸壁与深度对自由面兴波亦有比较大的影响，深度越浅和船岸距离壁越近时，自由面兴波影响则越不显著。

2.4 岸船距离的岸壁效应影响

岸船距离的岸壁效应影响模拟计算工况及岸壁效应水动力影响结果，见表8和表9。

表8 岸船距离的岸壁效应影响模拟计算工况

表9 岸船距离的岸壁效应水动力影响结果

船只在临岸航行时，会受到壁岸的影响限制，岸壁会对船身绕流作用造成很大影响。从岸船距离的岸壁效应影响分析结果可以发现，船只在临岸航行时，随着船岸距离的减小，水动力均伴随逐步加大，变化率亦伴随船岸距离减小而对应加大。当船岸距离比较大时，船只所受水动力的值比较小，岸壁效应不显著。当岸船距离比较小时，船只所受水动力的值比较大，岸壁效应显著。得出船只在临岸航行时，岸壁效应受到船岸距离的影响比较大，船岸距离越小，则岸壁效应影响越显著。

压力分布规律，不同岸船距离下比较相似，相比船岸距离比较大时的船体压力，船岸距离比较小时的船体压力相对要大，低压区与高压区的压力差异更大。相对于船岸距离比较大时的情况来说，船岸距离比较小时，右舷的压力增加量较左舷的增加量要大。越近的船岸距离，水动力影响相对越敏感，引起的变化就相对越显著，即岸壁效应越显著。

2.5 吃水深度的岸壁效应影响

吃水深度的岸壁效应影响模拟计算工况及岸壁效应水动力影响结果，见表10和表11。

表10 吃水深度的岸壁效应影响模拟计算工况

表11 吃水深度的岸壁效应水动力影响结果

水底对船只的绕流运动，对航行船只产生一定限制作用，所以船只在不同吃水深度，所受的水动力状态也会有所不同。该部分1.5、1.35、1.1的3种吃水比，模拟分析了不同吃水深度下的岸壁效应影响状态[5]。

模拟分析显示，船只在临岸航行过程中，随着吃水深度的变化，岸壁效应所引起的水动力状态呈现单调变化，吃水深度浅，航行船只所受到的水动力影响会逐步提高。各深度的阻力变化亦呈现单调变化状态，深度值越浅，阻力值对应逐步变大。各深度中的横向力方向均指向岸壁，深度越浅，岸壁吸引力相对越强。各深度中的首转力矩方向，指向船首离岸方向，深度越浅，首转力矩值对应变大，并且浅水中呈现迅速变化的状态。

模拟分析显示，在不同深度下，水动力各值随岸船距离的变化规律总体相同，岸船距离加大，水动力对应逐步变小。在1.1吃水比深度区域，随岸壁距离的变化，各水动力值亦呈现迅速变化状态，其变化率相对较大，显示在浅水中航行时，船只受到的岸壁效应影响则比较大。

比较浅水和深水条件下的压力状态差异可以发现，相比深水压力，船体在浅水所承受的压力要大，表现为高压区域的压力值更高，低压区域的压力值更低，并且压差相对更大。与深水相比，船只在浅水时，相较远离岸壁侧，岸侧的压力增量要大。各水动力的值呈现吃水越浅，变化越大，即岸壁效应的影响越明显。

3 结语

出于船舶安全驾驶控制以及航道安全管理和应用的技术需要，该文开展了船只近沿垂直壁岸航行的岸壁效应影响研究，并从兴波、流黏性、航行速度、岸船距离、吃水深度等方面作重点分析，对船只临岸安全航行安全控制有技术参考价值。