２０１１年１０月 水运工程 Ｐｏｒｔ＆Ｗａｔｅｒｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ０ｃｔ．２０ｌｌ 第１０期总第４５９期 Ｎｏ．１０ Ｓｅｒｉａｌ Ｎｏ．４５９ 内河航道船舶航行操纵 平面二维数值模拟在复杂流态下的应用 张波 ，刘万利 ，伍文俊 ，余新明 ，李一兵 ，黎国森 ２．长江航道局，湖北武汉４３００１０） （１．交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津３００４５６； 摘要：基于平面二维水流数学模型和船舶航行操纵数学模型的基本原理，开发了适合内河航道的曲线拟合坐标系下的 船舶航行操纵平面二维数学模型，其中水流数学模型采用贴体坐标系下的平面二维水流数学模型，船舶航行操纵数学模型 采用比较流行的“组合型”水动力模型。在实船和船模在静水条件及均匀流条件下的航行试验验证的基础上，通过复杂流 态河段船舶航行操纵数值模拟的研究，表明该船舶数模基本能够模拟船舶在复杂流态下的航行操纵情况。 关键词：水流数学模型；水动力模型；船舶航行操纵 中图分类号：Ｕ ６７５．９ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００２—４９７２（２０１ １）１０—０１００—０５ Ｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｈｉｐ ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ ｉｎ ｉｎｌａｎｄ ｒｉｖｅｒｓ ｗｉｔｈ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｆｌＯＷ ＺＨＡＮＧ Ｂｏ ，ＬＩＵ Ｗａｎ—ｌｉ ，Ｗｕ Ｗｅｎ－ｊｕｎ ，ＹＵ Ｘｉｎ—ｍｉｎｇ ，ＬＩ Ｙｉ—ｂｉｎｇ ，ＬＩ Ｇｕｏ—ｓｅｎ （１．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｏｆ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｔｉａｎｊｉｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００４５６，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｈａｎｇｊｉａｎｇ Ｗａｔｅｒｗａｙ Ｂｕｒｅａｕ，Ｗｕｈａｎ ４３００１０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｆｌｏｗ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｓｈｉｐ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ．ａ ｐｌａｎｅ ２一Ｄ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｓｈｉｐ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｂｏｄｙ—ｆｉｔｔｅｄ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｔａｇｇｅｒｅｄ ｇｒｉｄ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｐｅｒｆｅｃｔ ｆｏｒ ｉｎｌａｎｄ ｒｉｖｅｒｓ．Ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｕｓｅｓ ｔｈｅ ２一Ｄ ｌｆｏｗ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｂｏｄｙ－ｆｉｔｔｅｄ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｔａｇｇｅｒｅｄ ｇｒｉｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｈｉｐ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｕｓｅｓ ｔｈｅ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ—ｔｙｐｅ ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｍｏｄｅ１．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｈｅｃｋｉｎｇ ｔｅｓｔ ｉｎ ｓｔｉｌｌ ｗａｔｅｒ ａｎｄ ｒｅｇｕｌａｒ ｆｌｏｗ，ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｎ ｓｈｉｐ ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ ｉｎ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｆｌｏｗ，ｗｅ ｇｅｔ ｔｈａｔ ｔｈｅ ２－Ｄ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｓｈｉｐ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ ｃａｎ ｂａｓｉｃａｌｌｙ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｓｈｉｐ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｉｎ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｆｌｏｗ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｌｏｗ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ；ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｍｏｄｅｌ；ｓｈｉｐ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ 船舶航行操纵数学模型包括水流数学模型和 船舶航行数学模型。国内关于水流数学模型的研 究工作，已有大量成果。但基于通航水流条件的 船舶航行操纵模拟，还处于初始研发阶段。 笔者开发了船舶航行操纵平面二维数学模 型，其中水流数学模型采用贴体坐标系下的平面 二维水流数学模型，船舶航行操纵数学模型采用 收稿日期：２０１１－０４一Ｏ１ 比较流行的“组合型”水动力模型ｌｌ 】。 通过对所建立的船舶数模进行验证和参数率 定，使船舶数模与实船和船模在静水和均匀流中 的航行操纵性能吻合良好。通过复杂流态河段船 舶航行操纵数值模拟的研究，对已建立的数学模 型进行进一步验证，从而提高船舶数模的计算精 度，以便能够在解决实际工程问题中得到应用。 作者简介：张波（１９７９一），男，助理研究员，主要从事航道工程及水流泥沙动力学的研究。 第１０期 张波，等：内河航道船舶航行操纵平面二维数值模拟在复杂流态下的应用 １平面二维水流数学模型的验证ｌ４ １．１原型资料 原型资料为２００３年９月实测的红水河流空滩河 段地形图，大化水电枢纽总平面布置图，２００６年３ 月实测的大化水电站船闸工程下游河道整治工程平 面修改图以及２００５年３月实测的红水河曹渡河口至乐 滩航道整治工程流空滩开挖平面布置图。水位、流 速验证资料采用２００６年５月—６月实测的水文资料。 １．２计算条件 计算区域选取从大化枢纽至二桥（下简称二 桥）下游１ １５０ ｎ 之间的河段，计算范围约３．１ ｋｍ。在 该计算区域内布置１ １７×１００个网格结点，经正交变 换后得到正交曲线网格（图１），边界线为原河道边 界。与正交曲线网格对应的新坐标系（ ，叩）下的 区域为１１７×１００的矩形网格，网格长１５～３０ ｍ，宽 ３～６ ｍ。本次计算中取流场的计算时步长为２ ｓ。 图１计算网格布置 １－３水位及流速分布验证 １）水面线验证。 各级流量下沿程各水尺数模计算值与实测值 水位偏差均在０．０５ ｍ以内（图２）。 图２水位验证 ２）流速分布验证。 各流量级的测流断面均为４个，各横断面流速 分布数模计算值与实测值基本一致（图３），大多 数测点流速偏差在ｏ．２ ｍ／ｓ以内。 距离／ｍ 图３流速验证（ＣＬ１，Ｑ＝７９５．１３ Ｉｎ ／ｓ） ２船舶航行操纵数学模型的参数率定ｌ６ ２．１船舶静水操纵性率定计算 静水率定资料采用上海船舶运输科学研究所 获取的静水试验资料。船舶回转模拟计算采用３５。 满舵计算运行轨迹（图４）；船舶ｚ形操纵性模拟 采用舵角±１０。往复操作计算（图５）。结果表明， 船舶数模计算结果与实船试验结果比较接近。 ｘ／Ｌ 图４ ３５。回转试验验证 ——实船 一一数模计算 ．厂 ．Ｌ 。 图５—１０。／１０。Ｚ形操纵验证 ２．２船舶在均匀流中航行操纵性检验计算 船舶在均匀流中航行操纵性资料采用交通运 输部天津水运工程科学研究所研究的船模航行资 料。计算值与船模试验值比较接近（图６），个别 情况虽存在一定误差，但差值不大。 实体船模 数模计算 ａ１静水航速３．５ｍ／ｓ，涨潮乘２ ５ｍ／ｓ潮；流 实体船模 数模计算 ｔ＝＝＝＝＝＝：＝：：蓝 ｂ１静水航速３．５ｍ／ｓ．落潮乘２ ０ｍ／ｓ；潮流 图６均匀流验证 ・１０２・ 水运工程 ３船舶数模在工程中的运用 ３．１工程概述 挡水坝段、中间通航渠道、上闸首、闸室、下闸 首和下游引航道，全长１ ２６８ １ＴＩ。船闸为ｖ级（图 ７）。枢纽下游最高通航水位１３６．４ ｍ，最低通航 水位１２６．７ ｍ，最大通航流量３ ５００ ｉｎ ／ｓ，最小通航 流量７８３ １ＴＩ ／ｓ。 ３．１．１大化枢纽概况 大化枢纽位于红水河中游的广西大化瑶族 自治县境内。枢纽通航建筑物包括上游引航道、 桃 图７枢纽平面布置 ３．１．２研究河段河道概况 ５０ ｍ ３５０ ｍ（航深×航宽×弯曲半径），通航保 证率９５％。 研究河段为从大化枢纽至二桥下游１ １ ５０ ｍ之 间的河段，全长约３．１ ｋｍ。该河段为石质河床，岸 壁陡峭，以大化大桥（下简称大桥）为界，河床 上宽下窄。滩槽高差大、分界明显。 ３．１．３有关通航标准 该河段经整治后拟达到内河Ⅳ航道标准：即 内河Ｉ Ｖ航道的引航道口门区水流表面 流速：在口门区的有效水域范围内，纵流速 ≤２．０ ｍ／ｓ，横向流速 ≤０．３ ｍ／ｓ，回流流速 。≤０．４ ｍ／ｓ。另外在引航道口门区宜避免出现影 响船舶、船队航行的漩水、乱流等不良水流条 件（图８）。 通航５００吨级船舶，最小航道尺度达到２．５ ｍ× 图８天然条件下计算河段流场（ｑ＝８￣７ ｉｆｌ ／ｓ） 图９方案１ 第１０期 张波，等：内河航道船舶航行操纵平面二维数值模拟在复杂流态下的应用 ３．１．４工程方案概述 处，抛填后抛卸区顶面高程小于１０５．０ １ＴＩ，并注意 抛填均匀。 １）方案１（图９）主要进行炸礁和抛填，具体 工程布置为：①口门区上游左岸石盘进行炸除， 其炸礁至设计高分程别为１２３．５ ｍ和１２４．５ ｍ；②大 桥前沿左岸边滩进行小范围炸礁，炸至设计高程 ２）考虑到深沱对流态影响很大，提出了方 案２（图１０）。在口门区上游石盘、大桥前沿进入 主航道左岸石盘切除工程保持不变的前提下，对 两桥问卡口处凸嘴石盘进行部分切除，并对大桥 下游及两桥中间卡口下游至二桥范围内的深沱进 为１２３．５ ｍ；③大桥前沿右岸边滩大范围炸礁，炸 至设计高程１２３．５ ＩＴＩ；④两桥中间左岸石盘及右岸 凸嘴进行炸除，炸至设计高程１２３．５ ｍ。炸礁完成 行填沱，填沱高程至１ １３．０ ｍ。以避免主流过于集 后，将炸礁残碴清理抛卸至两桥间卡口下游深沱 中，达到削弱不良流态目的。 图ｌ０方案２ ３．２平面二维水流数学模型计算成果 ３．３．２天然情况下船模计算成果 平面二维水流数学模型分别对天然情况、方 １）流量１ ５００ ｍ ７ｓ以下时，以３．０ ｍ／ｓ航速可顺 案１、方案２条件下的枯中洪流量进行了水流条件 利上行通过两桥主通航孔，仅船上行至两桥间卡 的计算。 口处（距堤头７００～８５０ １／１）漂角有所增大（最大 ３－３船舶航行操纵数学模型的应用 漂角达２０。左右）；以３．０ ｍ／ｓ的航速可顺利下行通 ３．３．１试验船型的选择和船模主要尺度 过口门区及桥区河段。以３．０ ｍ／ｓ的航速可顺利下 大化枢纽建设导致该河段断航３０余年，而 行经过下游口门区及两桥通航孔。 且复航后立即实现船型标准化的可能性不大， ２）流量４ ０００ １ＴＩ ／ｓ时，３．５ ｍ／ｓ航速上行通过 即实际过闸船型可能较为繁杂，不可能针对所 两桥时存在一定困难，航行在两桥间时漂角较大 有船型进行试验研究。代表船型选择原则是： （最大漂角达ｌ９．５７。）。流量４ ５００ １ＴＩ ７ｓ时，大桥 与ＧＢ ５０１３９－－２００４《内河通航标准》（以下简称 下游弯道处的乱流、漩水的强度和范围均有一定 《标准》）中列举的船型相同或相近，具有船模 程度的加大。用３．５ ｍ／ｓ航速上行二桥时由于左岸 试验所需资料（如线型图、整体布置图、桨图和 桥墩附近流速较大，行至二桥上游卡口处时受航 舵图等）。这种船型的尺度与船闸尺度以及船闸 道内不良流态影响，船的漂移加大，此时最大漂 所处河段航道尺度是匹配的，通常情况下，也是 角达２５．８４。。 对应等级船闸中最大的船型，一般情况下，只要 ３）５ ０００ ｍ。７ｓ和５ ５００ ｍ ７ｓ流量下，由于航槽 最大通航船舶能在该航段顺利通航，其他船舶均 内流态紊乱，乱流、漩水等不良流态强度大为增 能顺利通航。因此，仅选取５００吨级散货船作为 加、其范围几乎覆盖整个航槽，已不能上行进入 代表船型。 桥区。由此可见，该流量级下，该河段成为险滩 水运工程 碍航河段。 ４）流量为６ ０００ ｍ ／ｓ以上时，右岸边滩流态 较好，只要对局部礁石加以清理即能满足航行水 深要求，模拟计算表明：船舶可以沿该区域顺利 上下行。 虽然两桥问距很短，且两桥之间的流态较 差，但是并没有因为两桥间距的不足对５００吨级 货船上下行产生影响。 ３．３．３方案１船模计算成果 １）当流量在２ ２００ Ｉｌｌ ／ｓ以下时，以３．０ ｍ／ｓ 的航速能顺利进出船闸下游口门区经过下游的大 化大桥、二桥；当流量为２ ２００～３ ４７４ ＩＴＩ。／ｓ时， 以３．５ ｍ／ｓ的航速上行通过两桥之间航段时，船 在航槽中有一定的漂移（最大漂角达２１．２７。）， 以３．０ ｍ／ｓ的航速能顺利下行经过下游口门区及 两桥通航孔。 ２）流量为４ ５００～５ ５００ ＩＴＩ ／ｓ时，以３．５ ｍ／ｓ的 航速上行通过两桥之间航段时，在航槽中的漂移 也随之加大（最大漂角达２７．８１。）。上行经过口门 区时可顺利进入船闸下游引航道；以３．０ ｍ／ｓ的航 速能顺利下行经过下游口门区及两桥通航孔。 ３）流量为５ ５００ ｉｎ ／ｓ以上时，以４．０ ｍ／ｓ的航 速上行时，漂移幅度进一步加大，但是以１５。以下 的舵角仍然能够较为安全地通过两桥。 各个流量级的船模计算结果表明：该方案布 置能够较好地解决两桥间因乱流、涡漩等不良流 态产生的碍航问题，上行通过两桥间航段时基本 能保证上行的安全，下行出船闸口门区时较为顺 利。 ３．３．４方案２船模计算成果 １）流量为５ ０００ ｍ３／ｓ和５ ５００ ｍ３／ｓ时，以３．５ ｎｄｓ 的航速上行时，船在航槽中有一定幅度的漂移（最 大漂角达２１．１３。），但是能够通过两桥，之后上行 经过口门区时，右舵８．３。能顺利进入船闸下游引航 道，以３．０ ｍ／ｓ的航速能顺利下行经过下游口门区 及两桥通航孔。 ２）流量为６ ０００ ｎＩ ／ｓ和６ ５６４ ｎＩ ／ｓ时，以３．５ ｍ／ｓ 的航速上行和以３．０ ｍ／ｓ的航速下行时，船舶可以 顺利通过桥区。 方案２实施后，流速虽略有增大，但流态改善 非常明显，工程实施后，船舶可顺利通过桥区。 由此可见，增加深沱的抛填高度，可使设计方案１ 取得更好效果。 ４结语 １）船舶航行操纵平面二维数学模型中，水 流数学模型采用贴体坐标系下的平面二维水流数 学模型，船舶航行操纵数学模型采用比较流行的 “组合型”水动力模型。 ２）对所建立的船舶数模进行了验证和参数率 定，采用水流数学模型对依托工程河段的天然实 测的水面线、断面流速分布等进行了验证；对船 舶数模根据实船或船模在静水条件及均匀流条件 下的航行试验资料进行了相关参数率定，经过率 定后的船舶数模与实船和船模在静水中的航行操 纵性能吻合良好，具备实用的基本条件。 ３）复杂流态河段船舶航行操纵数值模拟的研 究表明，本研究建立的船舶数模基本能够模拟船 舶在复杂流态下的航行操纵情况。 参考文献： ［１］周绍明，盛子寅，冯悟时．多用途船的操纵性预报计 算ｆＪ］．船舶工程，ｌ ９８３（６）：４，２７－３５，４２． 【２］Ｌｉｕ Ｗ Ｌ，Ｌｉ Ｙ Ｔ，Ｃａｏ Ｚ Ｘ．Ｔｗｏ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ ａｌｌｕｖｉａｌ ｒｉｖｅｒｓ ｉｎ ｍｏｕｎｔａｉｎ ａｒｅａｓ［Ｃ］／／Ｔｈｅ １０ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｒｉｖｅｒ Ｓｅｄｉｍｅｎｔａｔｉｏｎ．Ｍｏｓｃｏｗ，Ｒｕｓｓｉａ： ２００７． ［３］Ｐａｔａｎｋａｒ Ｓ Ｖ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ａｎｄ ｌｆｕｉｄ ｌｆｏｗ［Ｍ］． Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ Ｄ Ｃ：Ｈｅｍｉｓｐｈｅｒｅ Ｐｕｂ．Ｃｏ．．１ ９８０． ［４］刘万利，张波．内河航道船舶航行操纵平面二维数值模 拟初步研究报告【Ｒ】．天津：交通部天津水运工程科学 研究所，２００８． （本文编辑武亚庆）
