三峽庫區淺水域船舶應急系泊系統設計及水動力特性研究

袁培銀,張 哲,李渝鋒

(重慶交通大學 航運與船舶工程學院,重慶 400074)

0 引 言

長江通道在我國實施西部開發、中部崛起和東部率先的區域發展戰略中具有十分重要的戰略地位。長江航務管理局制定了新時代長江航運發展的新規劃:要以新時代建設社會主義現代化強國目標和交通強國戰略部署為根本指引,全方位實現長江航道航運現代化,全方位立體化建設長江全流域黃金水道。三峽庫區水運航道建設日新月異,且內河船舶逐漸趨向大型化、標準化、專業化。然而,三峽庫區在夏季容易發生強風、暴雨且常常伴有雷電的極端天氣,連續暴雨往往會導致庫水位的上升、山體滑坡、泥石流等自然災害,三峽庫區淺水域船舶往往采用應急系泊的方法來規避這類極端天氣。因此,對三峽庫區淺水域系泊狀態下的船舶進行水動力特性分析和系泊纜張力變化規律研究至關重要。

目前,國內外專家學者針對船舶系泊系統水動力性能所開展的研究大部分是通過計算機數值模擬和物理模型試驗兩種方法。在數值模擬方面,I.TOUZON等[1]基于運動學方程,對支撐結構和系泊系統之間的相互作用進行模擬求解。該研究選擇采用懸鏈線系泊系統,并在考慮實際海況的情況下進行耦合模擬。研究結果表明:風浪流的疊加作用是導致莫里森系數和系泊纜繩張力變化的主要原因;肖力旗等[2]研究不同裝載狀態對船舶六自由度 RAO(幅值響應算子) 和運動量的影響規律,發現橫搖幅值和固有周期隨船舶裝載量的增大而增加,同時也將降低船舶穩性。并且纜繩斷裂的可能性會隨著裝載量增大而增大;沈文君等[3]利用數值模擬方法,得到了各個護舷在不同浪向角作用下受力特點和規律,計算結果表明:浪向為斜浪時,各個護舷的受力相差較大,迎浪側護舷受力最大,中間的護舷受力最小;高峰等[4]研究風浪流復合環境條件下不同船型的船舶在系泊狀態時船舶的六自由度運動響應及系泊纜頂端張力的變化機理,研究表明系泊船舶的運動情況、纜繩張力和撞擊力與所處環境的波高、波浪周期呈正相關,其變化幅度與不同船型本身的固有周期有關;陳浩[5]利用 ANSYS 軟件分析研究開敞式碼頭結構的動力特性,發現碼頭結構的固有頻率會隨著不同的水位工況而發生改變;李寧等[6]基于懸鏈線理論,以單點系泊系統靜力學模型為研究對象,解決了系泊系統在不同環境載荷和錨鏈規格情況下的系泊重塊和各部分鋼管與浮式結構物之間的夾角、錨鏈幾何外形和基本參數、浮式結構物的吃水深淺和活動范圍的優化設計問題;董勝等[7]設計了一種首尾兩點系泊系統,研究油船與系泊系統耦合條件下的運動響應以及纜索張力的變化規律。

在物理模型試驗方面,楊國平等[8]在理論分析的基礎上,加以物理模型試驗研究船舶裝載量不同、浪向角不同、碼頭長度不同以及系泊纜與船舶夾角不同的系泊狀態下的船舶纜繩張力和撞擊能量半經驗半理論計算公式;朱奇等[9]通過物理實驗,分析研究風、浪、流共同作用下碼頭泊位長度與纜繩布置方式對系泊船舶六自由度運動響應和系泊纜繩頂端張力的影響;郭士勇等[10]采用理論結合模型試驗的分析方法,研究橫浪作用于系泊船舶的撞擊能量規律,并結合物理模型試驗進行數據擬合,得到完整的系泊船舶撞擊能量估算公式;史憲瑩等[11]通過物理模型試驗研究涌浪和風浪同時出現時,系泊船舶的六自由度運動響應規律;王志斌等[12]通過理論設計、仿真計算及模型試驗的方法,提出在風浪流環境下某特殊船型的碼頭系泊模式優化方案;嵇春艷等[13]基于傳統的張緊式系泊方法,提出在系泊纜的末端等距布置質量塊的新型深水浮式平臺系泊系統,改善浮體的低頻運動響應,約束了浮體的偏移;王秋玲等[14]基于浮筒式防風單點系泊系統,通過MATLAB模擬仿真技術提出一種選擇錨鏈與浮式結構物夾角、錨鏈外形及參數、系泊塊重量、浮式結構物吃水深淺的有效方法。

沿海的大型港口碼頭系泊下船舶的水動力性能研究已經日趨成熟完善,但對于三峽庫區淺水域船舶應急系泊研究還存在一定短板。筆者采用數值模擬的方法,研究不同系泊狀態時內河船舶在風、浪、流等復雜環境下運動響應以及纜繩張力變化特性,研究結果和研究方法可為內河淺水域船舶系泊安全提供理論支撐,對提高內河船舶系泊作業安全和港口作業效率有一定的參考價值。

1 計算理論

1.1 三維勢流理論

在三維勢流理論中,假設理想流體是均勻的、不可壓縮的,且無粘性因素影響,則可以通過引入速度勢φ(x,y,z,t)來描述流域內的運動[15]。當浮式結構物以自由面為基準時,速度勢滿足Laplace方程:

?2φ(x,y,z,t)=0

(1)

為了描述物體運動的速度勢以及Laplace方程,需要對其進行線性化處理。在線性化處理中,假設波浪運動和浮式結構物的運動幅度都很小。此外,在流場中速度勢可以分解為入射波速度勢、繞射勢和輻射勢。

φ(x,y,z,t)=φI(x,y,z,t)+φD(x,y,z,t)+

φR(x,y,z,t)

(2)

式中:φI為入射波速度勢,表明流場中速度分布的情況;φD為繞射勢,表明結構物對流場內的速度產生的影響;φR為輻射勢,表明浮式結構物六自由度的運動和振蕩對周圍流場的影響。

1.2 系泊纜力計算方法

根據靜態懸鏈線理論,可推導出在穩態下纜繩的載荷與系統平衡狀態、錨鏈幾何形狀以及張力分布之間的關系。為了簡化計算,通常忽略環境載荷、纜索的彈性伸長以及本身動力效應的影響,并按照懸鏈線理論進行計算[16]。

圖1中,風、浪、流作用于船體,并通過錨鏈傳遞給錨泊系統。以xoz為坐標系,根據力的平衡,在錨鏈系微元的切線和法線方向上分別有方程:

(3)

(4)

(5)

(6)

式中:T為錨鏈線單元下端張力;w為錨鏈線的單位濕重;h為水深;s為懸鏈長度;φ為錨鏈線單元與水平面的夾角。

錨鏈線與海底有接觸部分,φ=0,推導:

(7)

(8)

將z=h代入式(8):

H=T-wh

(9)

(10)

(11)

V=wh

(12)

式中:H為錨鏈線沿水平方向分力;V為錨鏈線沿垂直方向分力;xmax為x的最大值;smax為s的最大值。

2 頻域分析

筆者基于三維勢流理論,利用 ANSYS 建立船舶濕表面有限元模型,運用 AQWA 模塊對船舶進行水動力性能分析,得到水深5 m,浪向角為90°時,船舶六自由度幅值響應算子,并分析幅值響應算子與波浪周期的變化關系。

2.1 模型建立

坐標系原點位于船頭,X軸由船艏指向船艉為正方向,反之為負方向;Y軸由左舷指向右舷為正方向,反之為負方向;Z軸以水面向上為正方向,水面向下為負方向。規定環境載荷作用角度是與X軸負半軸的夾角逆時針為正,反之為負。具體的坐標系定義如圖2。

圖2 船舶坐標系定義Fig. 2 Definition of coordinate system

船體主要參數如表1。

表1 船體主要參數Table 1 Main parameters of hull m

運用 ANSYS 中的 DM 模塊建立船舶濕表面有限元模型,定義環境參數,并進行合理的網格劃分,網格大小設置為1 m,具體模型如圖3。

圖3 船舶及周邊環境模型示意Fig. 3 Schematic diagram of ship and surrounding environment model

2.2 船舶六自由度幅值響應算子

筆者定義頻域計算參數如下:船舶工作區域水深5 m;淡水密度1 000 kg/m3;重力加速度9.806 65 m/s2;波浪周期范圍-180°～180°,間隔45°;波浪頻率0.031 85～0.449 30 Hz。以90°浪向角為例,計算船舶六自由度幅值響應算子,得到其六自由度變化規律,具體如圖4～圖9。

圖4 船舶縱蕩RAO變化曲線Fig. 4 RAO variation curve of ship surging

圖5 船舶橫蕩RAO變化曲線Fig. 5 RAO variation curve of ship swaying

圖6 船舶垂蕩RAO變化曲線Fig. 6 RAO variation curve of ship heaving

圖7 船舶橫搖RAO變化曲線Fig. 7 RAO variation curve of ship rolling

圖8 船舶縱搖RAO變化曲線Fig. 8 RAO variation curve of ship pitchcing

由圖7和圖8分析可得,船舶橫搖、縱搖的固有周期是5.08 s和7.09 s。由圖4、圖7,圖8可知,在縱蕩、橫搖、縱搖運動方向上的變化趨勢大體相同,均是在2～6 s的范圍內呈上升的趨勢,在6 s左右達到最大值后,曲線呈緩慢下降趨勢,最后趨于穩定。

由圖5、圖6,圖9可知,在橫蕩、垂蕩、艏搖運動方向上,幅值響應算子曲線則是隨著波浪周期增加呈上升的趨勢,尤其是橫蕩與艏搖運動方向上,上升曲線極為陡峭,說明RAO(幅值響應算子)在這兩個方向上受波浪周期影響較大。在垂蕩運動方向上可以看出曲線在9 s左右幾乎達到了峰值,9 s以后曲線幾乎不再發生變化,最終穩定在數值1.0左右。

由圖4～圖9分析可得,在90°浪向角的波浪作用下,平動運動中,橫蕩的運動響應最為強烈,最大值達到4.29;轉動運動中,橫搖的運動響應最為強烈,最大值達到8.95。

3 系泊系統計算結果與分析

筆者設定的水域為220 m×100 m,運用ANSYS WORKBENCH中的Hydrodynamic Response模塊對目標船舶設計兩種不同的系泊纜繩布置方案,并對環境載荷進行相同設置,對系泊狀態下的船舶進行時域耦合分析,對得到的船舶運動響應以及系泊纜繩的張力進行分析和比較。

3.1 系泊試驗模擬條件

3.1.1 環境條件

結合三峽庫區淺水域的實地考察情況和相關資料,為了準確模擬船舶系泊狀態下的運動情況和計算纜繩張力,本系泊系統的具體風、浪、流環境條件如表2。

表2 環境條件定義Table 2 Definition of environmental conditions

3.1.2 系泊纜屬性

兩種系泊系統的設計采用的均為懸鏈式系泊系統,運用 AQWA 對其進行完全時域耦合分析前,其系泊纜繩在系泊狀態下是處于松弛的狀態,并留有一定的預張力,具體參數詳見表3。

表3 系泊纜屬性Table 3 Mooring cable attribute

3.1.3 系泊系統纜繩布置方式

所設計的兩種系泊系統,均由8根系泊纜繩組成。圖10為4-4的纜繩布置方式,呈對稱式分布,在XOY平面內,每個位置的兩根纜繩分別于X軸的夾角為30°和60°。

圖10 4-4系泊纜繩懸鏈式布置計算模型Fig. 10 4-4 calculation model of mooring rope catenary arrangement

根據上文給出的坐標系定義,導纜孔與錨點在全局坐標系下的坐標位置如表4。

表4 4-4系泊方案纜繩坐標Table 4 4-4 mooring scheme cable coordinates m

圖11為4-2-2的纜繩布置方式,在左右兩舷各加一根系泊纜,在迎浪方向的船艏處也加上兩根對稱分布的系泊纜。

圖11 4-2-2系泊纜繩懸鏈式布置計算模型Fig. 11 4-2-2 calculation model of mooring rope catenary arrangement

導纜孔與錨點在全局坐標系下的坐標位置如表5。

表5 4-2-2系泊方案纜繩坐標Table 5 4-2-2 mooring scheme cable coordinates m

3.2 時域耦合計算結果與分析

3.2.1 船舶運動響應計算結果對比

通過時域分析系泊船舶在水深5 m,浪流方向角0°,風向角45°的環境條件下的運動響應。取時間歷程曲線中的3 000～4 000 s時間段作圖,其中橫蕩與艏搖運動幅值較小,幾乎可以忽略不計,因此不再進行詳細描述。具體如圖12～圖15。

圖12 船舶縱蕩運動時歷曲線Fig. 12 Time history curve of surge for ship

圖13 船舶垂蕩運動時歷曲線Fig. 13 Time history curve of heave for ship

圖14 船舶橫搖運動時歷曲線Fig. 14 Time history curve of roll for ship

圖15 船舶縱搖運動時歷曲線Fig. 15 Time history curve of pitch for ship

結合圖12～圖15以及時域分析的計算結果可以得到,在給定的環境條件下船舶運動響應結果,如表6。運動范圍為船舶各個自由度運動最大值與最小值絕對值相加。

表6 船舶運動響應計算結果Table 6 Calculation results of ship motion response

通過對圖12～圖15以及表6分析可得,由于環境載荷的不規則造成了船舶六自由度呈現出不規則的變化趨勢。當浪流方向角為0°,風向角45°時,船舶系泊狀態下的平動運動中,縱蕩運動響應最為劇烈,多數時間內其運動響應值小于0.3 m,運動幅值最大,達到了0.34 m,相當于水深的6.8%;然而橫蕩運動幅值最小,幾乎可以忽略不計;垂蕩運動響應值多數時間內小于0.2 m,運動幅值為0.28 m;在轉動運動中,縱搖運動較橫搖,艏搖更加強烈,多數時間內其運動響應值小于2°,運動幅值最大,達到2.89°;艏搖運動幅值最小,只有0.01°;橫搖運動響應值多數時間內小于0.02°,運動幅值為0.02°。從結果上看,兩種纜繩布置方案將船舶整體運動響應約束在一個較小的范圍內。

3.2.2 系泊纜張力計算結果與對比分析

雖然系泊纜是對稱布置的,但在浪流方向角為0°,風向角為45°的情況下,每根系泊纜的張力會有所不同,選取最接近風浪流作用位置的兩根系泊纜繩,1號纜繩和8號纜繩作為時域耦合分析對象。兩種纜繩布置方案下的纜繩張力時間歷程曲線圖,如圖16～圖19。

圖16 4-4系泊方案中1#系泊纜頂端張力時歷曲線Fig. 16 Time history of tension at the top of 1# mooring cable in 4-4 mooring scheme

圖17 4-4系泊方案中8#系泊纜頂端張力時歷曲線Fig. 17 Time history curve of tension at the top of 8# mooring cable in 4-4 mooring scheme

圖18 4-2-2系泊方案中1#系泊纜頂端張力時歷曲線Fig. 18 Time history curve of tension at the top of 1# mooring cable in 4-2-2 mooring scheme

圖19 4-2-2系泊方案中8#系泊纜頂端張力時歷曲線Fig. 19 Time history curve of tension at the top of 8# mooring cable in 4-2-2 mooring scheme

結合圖16～圖19以及完整的計算結果可得,在風浪流作用下8根系泊纜的張力變化及其數值的大小,系泊纜張力具體計算結果如表7。

表7 系泊纜張力計算結果Table 7 Calculation results of mooring cable tension

結合圖16～圖19以及表7可知,在浪流方向角為0°、風向角為45°時,8根系泊纜受環境載荷作用張力呈周期性變化。在環境載荷施加時,船艏處最靠近風浪流作用位置的纜1和纜8最先受到載荷的作用,受到的張力遠遠大于其他纜繩所受到的張力,4-4纜繩布置方式下最大拉力出現在纜8,最大值為611 kN;4-2-2纜繩布置方式下最大拉力出現在纜1,最大值為529.1 kN,其余纜繩的張力相對而言較小,可不用考慮纜繩斷裂問題。根據有關規范,當系泊系統處于完整狀態時,若采用動力法進行評估,系泊纜張力的安全系數至少為1.67,才能保證系泊船舶的安全性。在文中系泊纜的兩種布置中,纜1的安全系數分別為6.01,6.92;纜8的安全系數分別為5.99,6.98,均有相當的安全裕度,滿足有關規范的要求,設計合理。

同時,在同樣的環境條件下,4-2-2纜繩布置方案中系泊纜安全系數相對而言比4-4纜繩布置方案中的更為均衡,即各纜繩受力較之前更加均衡。在安全系數富裕的情況下,4-2-2纜繩布置方案更能保證系泊船舶的安全。兩種系泊系統的時域響應結果對比,也可以為今后船舶應急系泊提供思路,當浪流方向角為0°時,可以通過增加船艏處的系泊纜數量來提高系泊系統抵御環境載荷的能力,保證系泊狀態下船舶的安全性。

4 結 論

基于三維勢流理論,以三峽庫區淺水域船舶為分析對象,采用 ANSYS-AQWA 軟件,進行頻域分析以及系泊狀態下的時域耦合分析。在頻域分析下得到船舶六自由度的相關水動力參數及其變化規律。在環境參數不變,纜繩數量一定的前提條件下,改變其布置方式,優化設計兩種不同的系泊系統方案,時域耦合分析系泊狀態下船舶運動響應以及系泊纜張力,主要結論如下:

1)在90°浪向角下,船舶六自由度運動響應幅值算子隨波浪周期的變化各有不同。在縱蕩、橫搖以及縱搖運動方向上,呈先增大后減小的趨勢;而在橫蕩、垂蕩、艏搖運動方向上,曲線則是隨著波浪周期增加一直呈上升的趨勢,尤其是橫蕩與艏搖運動方向上,上升曲線極為陡峭,說明 RAO(幅值響應算子) 在這兩個方向上受波浪周期影響很大。

2)在同樣的環境條件下,4-2-2纜繩布置方案中纜1和纜8的纜繩最大張力較4-4纜繩布置方案也有所改善,纜1最大張力降低13%,纜8最大張力降低14%;同時4-2-2纜繩布置方案中的纜繩受力更為均衡,也就更能保證系泊船舶的安全,且纜繩安全系數裕度較大。4-2-2纜繩布置方案較4-4纜繩布置方案有更加明顯的合理性,優越性。