限制航道内单船通过能力研究

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1、 大连海事大学硕士学位论文限制航道内单船通过能力研究姓名：冯贺军申请学位级别：硕士专业：交通信息工程及控制指导教师：郑中义20080301 瑃 甌 学 位论 文 版权使用授 权书本 学 位论 文 作者及指导 教 师 完全 了解 “大 连 海事 大 学 研究 生 学 位论 文 提交 、版权使用管 理 办法” ， 同意 大 连 海事 大 学 保 留 并 向 国家 有 关 部门 或 机 构 送交 学 位论文 的 复 印件 和 电子 版， 允 许 论 文 被 查阅 和 借 阅 。 本 人授 权大 连 海事 大 学 可 以 将本学 位论 文 的 全 部或 部分内容编 入 有 关 数 据 库 进行检索 ，

2、 也 可 采 用影印、 缩印或 扫描等 复 制 手 段 保 存和 汇编 学 位论 文 。保 密 口， 在 年 解 密 后 适 用本 授 权书。 限 制 航道内 单船 通过能力 研 究个 方 面 国内 外的 差 距。限 制 航道具 体 参 数范围 。博 士研 究 的 基础上 ， 考虑 船 舶边界层 的 影 响， 推 导 出了 计 算船 体 下 坐 量 的 数学 公 船舶 下 坐 研 究 现 状存 在三种 不 同 形 式的 涌 流。当 船舶 速度 较低时，水 流是 加 速通过 船体 周 围的 ，船体 底 部 水 的 压 力也随 之 减小 ，导 致了 船体 下 坐 量 增 加 。实 际 上当 船舶

3、的 速度 增 加到 某一定程度 时，这 个速 度 由船舶 和 航道 的 尺 寸 决定，称之 为 临 界 速度 。在临 界速度 值 附 近，平稳 流就 不 存 在了 ，这 时在船舶 的 前面 形 成了 一个一维 怒潮 ，这 个怒潮 的 速度 要比 船舶 的 速度 快 。当 船舶 以更 高的 速度 航行时，称这 个速 度 为 超 临界 速度 ，船舶 会 赶 上前面 的 怒潮 ，其 结果 是 产 生了 一种 新的 平稳 涌 流，它 流经船体 周 围时会 减速 ，船体 也随 之 在水 中 得 到 了 上升。 限 制航道 内 单船通过 能力研 究度 的 修正 量 ，从 而使 计 算公 式可 以应用 于计

4、算限 制航道 和 运 河中 的 船首下 坐 量 ， 其 数 学表 达式如 下 ： 观 薞焉攻 ： 表 示 船舶 的 航速 。 限 制航道 内 单船通过 能力研 究印嘲 希胧 :降郎 喜康 纳 鑬 十 宽度。 限 制航道 内 单船通过 能力研 究 提 出 了 如 下 计算船首下 坐 量 的 数 学公 式：当 争时 如 下 ：一考嘣争等 岩 簍 挪威 学 者 和 的 可视 化 计 算 机 模 拟应用程序 】 。 此 应用程序可以 优 化 此外 ， 古 文 贤 、 郭国 平、 雷 涛 、 俞 嘉 虎 、 潘洁和周 熊等 学 者 也 对 船 舶 的富 余国 内 在 船 舶 交通 计 算 机 模拟 应

5、用 方 面 主 要 是 大 连海 事大 学 航 海 技术 研究所 开当 船 舶 在 限 制 航 道 内 航 行时 ， 有 经验的船 舶 驾驶人 员都 知 道 航 道 的岸壁 将 会影 响 船 舶 的操 纵性 ， 该影 响 会 增大 船 舶 与 船 舶 或者 船 舶 与 岸壁 碰 撞 的潜 在 危 险 性 ，这一现 象 很 早就 引 起 了国 内 外 学 者 的普遍 关 注。 研究限 制 航 道 内 船 舶 水动力 学 的最 直 接的方 法就 是 船 模实 验， 国 外 的很 多 学 者 都 利 用 船 模实 验的方 法对 岸壁 效 应开展 了研究工 作， 并 且 得 到 了很 多 有 价 值的

6、实 验结 果 。年 ， 辛 舜 澳 褪 匝椤 ， 并 从 结 果 中发 现 ：由 于岸壁 的存在 ， 流 体动力 学 系 数变 化更 加激 烈 ， 同 时 ， 船 舶 受 到 了岸吸力 的影 响 。辏 珻 痭 鞑 檠 芯 俊 发 现 当 船 体形 状 、 航 道 水深、 船 舶 速度、 船 舶 到 岸壁 距 离 、 岸壁 的倾斜程度、 船 舶 螺 旋 桨 的旋 转速 度等 改 变 时 ， 岸壁效 应 对 船 舶 的操 纵性 是 有 影 响 的。 限 制 航 道 内 单船 通 过 能力 研究式 中， ：表 示 岸吸力 大 小；式 中， ：表 示 岸吸力 大 小； 从 船 舶 下坐 方 面看。 我

7、 国在 此 方 面的 研 究起 步较 晚 ， 与 国外 相 比在 此 领 域还有 很多 不 足 之 处 。 从 理 论研 究方 面看， 国外 学 者 在 此 领 域中 已 经 形成 了比较 成熟的 理 论， 发 表了多 篇 相 关的 论文 ， 但 是 本文 作 者 在 已 经 查阅的 文 献中 尚 未 发 现有关流 体 边界 层 对 船 体 下坐 影响 的 文 献， 因此 我 们 可 以 在 这 方 面着手 进 行 研 究。 从实验研 究方 面看， 国外 具有 比较 先 进 的 实船 测 量设 备和船 模 实验设 备， 这 些 设 备对 于 研 究船 舶 交通 安 全是 很有 帮 助 的 ，

8、它 可 以 帮 助 我 们 验证理 论研 究的 正确与 否 ，它 也 可 以 帮 助 我 们 简化复杂 的 理 论成 果， 使 其在 实际应用 中 变得 更为简单 。 从 计算机 模 拟 方 面， 我 国在 大 型 航 海模 拟 器的 开发 应用 方 面已 处 于 国际领 先 地 位， 但是 国外 在 船 舶 交通 安 全方 面的 小 型 计 算机 模 拟 软 件开发 应用 已 经 相 当的 成熟 ， 他 从 岸 壁 效应研 究方 面看。 由于 具有 比较 先 进 的 实船 测 量设 备和船 模 实验设 备，国外 学 者 主要 应用 船 模 试 验对 岸 壁 效应进 行 研 究， 研 究结果可

9、 信 度 高， 但 是 提 出的 岸 吸 力和扭 矩的 计 算公式复杂 ， 不 便于 计 算。 我 国学 者 主要 对 限制 航 道 内 船 舶操 纵 进 行 了研 究， 对 于 岸 吸 力主要 采 用 美国学 者 由船 模 水 池试 验所 得 的 公式进 行 计 算的 ， 但 是 此 公式的 岸吸 力系 数 瑆 很难 确定 ， 给 计 算带 来不 便； 因此 ， 是 通过 设 计 水 线和 首柱前缘交 点 的 垂 线， 尾垂 线是 通过 尾柱后 缘和 设 计 水 线交 点船舶 水 线面 最 大 宽 度为呙 嬉 韵 麓 宓 暮 峤 孛 婊 猄。船舶 水 线面 的 面 积 为， 船舶 水 线面

10、系 数 为：式中：为船舶 的 方 形 系 数 。 摆 厉害， 航行 阻 力 大 。高 ，稳 性差。图 航道参数 示意 图 的 吃水比睾时 ，可近似认 为是浅 水水域 。升 沉量 减小 ，当航道水深 增 加 到 一定深 度 时 ，船 体 的 升 沉变化 就不明 显了 。 试 验 对 船 舶 的 下 沉量 开 始 有 影 响的 航道水深 与 船 舶 吃水之 比 为： 当航道宽 度 与 船 长 之 比 里时 ，可认 为航道为狭窄 航道。 综 上 所 述 ，本 文 采 用 的 限 制 航道标 准 为： 图 限 制航 道 内 船舶坐 标系 示意图参 照 图 所示， 对本 章 中 出 现的 变 量 和条

11、件做出 如下假 设 ：当 船舶在 航 道 内 航 行时， 它需要排 开与它的 排 水 量 相 等 体积 的 水 ， 这样 船舶在 向 前 运 动的 同时会 在 尾 部产 生 一 个 空 区 缤 ， 与此同时需要等 体积的 水 来填充这个 空 区 。空 区图 船舶从 至 时刻 运 动 产 生 的 尾 部空 区 示意图 图 船舶运 动 时水 面侧 剖 面与回 流 示意图 图 运 动船舶表 面水 线和愫 虰 点 能量 分 布示意图以 表 示为：体出现了 下坐 现象。 体是指 考虑流 体粘滞性 影响 的 流体，实际 的 流体是具 有 粘性 的 。 限制 航道内 单船 通过能 力研 究图 牛 顿平 板实

12、验 示意 图 式 中， ：表 示比 例 系 数 ，称 为 动力黏性 系 数 ，简 称 黏度 ，黏度 是流 体粘滞性 凡 是符合 牛顿 内 摩 擦 定 律，即 满足式 的 流 体 称 为牛顿 流 体 。自 然 界中的大 部 分 流 体 ，如水 、 空 气 以及 大 部 分 气 体 、 油类都 属于牛顿 流 体 。研 究 表 明流 体的粘 度 是随 着 温 度 和 压强 的变 化而 变 化的 ，由 于分 子 结构 及 分 子 运 动机 理 的不 同 ，液态 流 体 和 气 态 流 体 的粘 度 变 化规律迥 然 不 同 。液态 流 体 粘 度 的大 小取 决 于分 子间距 和 分 子 引 力 ，当

13、 温 度 升 高或 压强 降 低 时 ，液体 膨 胀 、 分 子 间距 增 大 、 分 子 引力 减 小，故粘 度 降 低 。反之 温 度 降 低 或 压强 升 高时 ，液体 粘 度 增 大 。实 验 证 明，如压 强 变 化范 围 较 小，则 压强 对 粘 度 的影 响 很 小，可以忽 略 不 计，认 为粘 度 仅与在边 界层内 ，流 体 沿物体 表 面法 线 方 向的 速 度 梯 度 很 大 ，即 使 粘 性 很 小的流 体 ，也表 现 出不 可忽 略 的粘 滞 力 ； 在 边 界层外，速 度 梯 度 很 小，即 使 粘 性 较 大 的流 体也表 现 出很 小的粘 滞 力 。可以认 为，在

14、边 界层外的 流 动是无旋 的势 流 。在 实 际的计算中，要确定 边 界层和 势 流 区 之 间的精 确界限 很 难，一般 规定 从 壁面沿外法 线到速 度 达到势 流 速 度 处的距 离 为边 界层的 厚 度 ，用 万 表 示。边 界层理 论 的重要意 义在 于它 将流 体 划分 为截然不 同 的两 部 分 ，边 界层外可以视 为理 想 流 体 ，可用 势 流 理 论 求 解，边 界层内 则 为真 实 流 体 ，需 用 边 界层理 论 来 研 究 。 边 界 层外 边 界 上 的 压 强 ；紊 流 的 条 件 是由 某 一临 界 雷诺数 来判 别决 定的 。图 平 板边 界 层示 意 图

15、量纲 数 局 部雷诺数 。 肌。 绻 鵽 一定，当 。很 大 时，则 表 示 流体的秒过渡流 状 态 ： ： 若 要 精确 的 计算 船 舶 这 样 复杂空 间 曲 面 的 边 界 层厚 度 是 相 当困 难的 。本文 在考 虑船 体 曲 率 影 响 的 情 况下 ， 借 助 平板边 界 层的 计算 方法 对船 舶 的 边 界 层厚 度 进行了近似 计算 。当水 流 经 弯 曲 的 船 体 表 面 时， 各处 的 流 速 是 不 同的 ， 总 的 来 说 流经 船 体 周 围 水 的 速 度 要 比 船 舶 速 度 大， 水 流 的 平均速 度 有 所 增 加， 那 么 船 体 边 界层的 厚

16、 度 必 然 会 较薄。为 了计算 方便， 此 处 引用 图 建 立 的 三 维直 角坐标 系。在 这 个 坐标 系中 ， 应 上 二，知， 运动 黏度 口 ： ， ， 畲 八 俣任 止不 动 的 ， 由此 船 体 边 界 层厚 度 计算 公 式 可改 写 为 ： 。 弧甶 悸 一亏 灰 一 二 号 易 的值。 大 型 船 舶 下坐 量 理 论 推 导 和影 响 因素 分析 表 示 船 体 周 围 水 面变 化的 面积 ； 丁 】 吠 表 示 边 界 层 所 占 的面积 。 将傅 汝 德 数 ： 毒， 胧 中，整 理 得 ：、 倍 罕 硎 緕 轴 正 方向 上的 单位 矢 量 。 假 设 船

17、舶 中点 处 的 下坐 量 为 如 图 ，则 沿船 长 方向 上的 任意一 点船 舶 的下坐 量 ：竿苲 鲆蛔出 稹闻 墒 可 知 ， 船 体越 长 ， 船 舶的下 坐量 越 大。越 小， 船 体 周 围 水 流 的横 截 面 积越 小， 回 流 速 度 的变 化越 大， 船 体 周 围 水 压 力 越 为 了 验证 上一 节的 计 算 公式 ，现在 通过实船 计 算 进 行 分 析 。 我 们考虑一 种 首数表 达 式 表 示 ：地【 与 】船 舶 宽 度 函 数易 表 示 为 ： 孑：掣将式 胧中 ，得到了 一 个关 于三 的三 次方 方 程：三竺篙一三一码蚴由式 #赜 谖 粗 J猶 的

18、一 元三 次方 程 的 系 数 为 ： !猧 一那 么 ， 船 舶 的 富 裕 水深 为 ： 。 叭 争中 ，得到船 舶 最 大下 坐量 为 ： 船 体 下 坐 量 限 制 航道内 船 岸 相互 作用力 产 生 原 因 分 析 称 的流 体 压力 造 成 的，由 此 引入 定 常 不 可压缩 流 体 的伯 努利 方 程 ：由 已 知 条 件可知 ，两 条 流 线所处 水深 是相同 的，所以有 ：综 合式 、 式 和 式 可知 ： 船 岸 相 互 作 用 力 计 算 推 导 与 影响因 素 分析图 限 制 航道内 船 舶 坐 标系 示 意图 一丢。一丢，欢 猻船 体右 侧的 连续 性方程 为 ：

19、丢！ 丢蝗齭 ”在船 体的 右 侧选 择任 意一条 与 左 侧处于 相 同 水 深的 流 线，由伯 努 利 方程 得 ： 万 籚 尊 曲 出为 ： 心住， 船 岸 相 互 作 用 力 越 大 。设 定 船 舶 和 航 道参 数 的 具 体数 值 如 下 ： 船 岸 相 互 作 用 力 的 计算 式为：” 而 鋖菝 妫 【 一 综 上 所 述 ， 一 艘 船 长 ， 船 宽 。 、 ， 吃水 ， 航 行 于 宽 停簔 。 眯 秘 舭 ： 一眯 姚： 鹏 条 衹 一 图 岸 吸 力 鎑 值 大 小 变 化 示意 图 变 化 如 图 所 示： 航 道宽 度 越小 ，产生 的 岸 吸 力 就越大 。嚣

20、、图 一段 随 航 道宽 度 曰变 化 示意 图图 岸 吸 力 婧 降 浪 頷 变 化 示意 图 釜 本 文通过理 论 分 析 和数 学推导 ，论 述 了 限 制 航道内 航行船 舶下 坐 的原因 ，分析 了 影响 船 体 下 坐 的主 要 因 素 ：船 体 越 长，下 坐 量 越 大 ； 船 舶航行速 度 越 大 ，下坐 量 越 大 ； 航道宽 度 越 窄 ，下 坐 量 越 大 ； 航道水深 越 浅 ，下 坐 量 越 大 ； 船 舶吃 水越 大 ，下 坐 量 越 大 ； 船 舶越 宽 大 ，下 坐 量 越 大 。 得 到了 计 算 船 体 下 坐 量 的数 学公式 ，并 且 应 用 了 三种

21、不 同的方法 分 别 计 算 了 船 体 的下 坐 量 ，通过比 较可 知 ，在考虑船 体 边 界 层 影响 的情 况 下 ，计 算 所 得 的船 体 下 坐 量 是最 大 的。 甋 ： ， ， 瓵 甌 甀 ， ， 甀 限 制 航道内 单船 通过能力 研 究 珹 ， 古 文 贤 船 舶操 纵 大连： 大连海事大学出 版社 ， 年 甆 州 岩 井 聪， 周 沂译 操 船 论 北京 ： 人 民 交 通出 版社 ， 年 ， 甆 瓽 章 梓 雄， 董 曾 南 粘 性 流体 力 学 北京 ： 清华 大学出 版社 ， 年 朱一 锟 流体 力 学基 础 北京 ： 北京 航空 航天 大学出 版社 ， 年 盛

22、振 邦 ， 刘 应 中 船 舶原理 上 海： 上 海交 通大学出 版社 ， 年 生 井 武 文 ， 井 上 雅 宏 粘 性 流体 力 学 北京 ： 海洋 出 版社 ， 年 夏国 泽 船 舶流体 力 学 武 汉 ： 华 中科 技 大学出 版社 ， 年 俞 嘉 虎 流体 力 学 北京 ： 人 民 交 通出 版社 ， 年 刘 惠 枝， 舒 宏 纪 边 界层 理 论 北京 ： 人 民 交 通出 版社 ， 年 蒋 维 清 船 舶原理 大连： 大连海事大学出 版社 ， 年 盛 振 邦 ， 刘 应 中 船 舶原理 上 海： 上 海交 通大学出 版社 ， 年 金 仲 达 船 舶概 论 哈尔 滨 ： 哈尔 滨

23、工 程 大学出 版社 ， 年 古 文 贤 船 舶操 纵 大连： 大连海运 学院 出 版社 ， 年 郭 国 平 船 舶操 纵 北京 ： 人 民 交 通出 版社 ， 年 式 中 ：1呓绮阃 獗 呓缟 蟴方 向 的 来 流 速 度。根 据 动 量 定理 ：单位 时 间 控制 体 内 流 体 的 动 量 变化 等 于外 力 之和， 即式 胧 根 据 边 界 层 的特点 可 知， 在边 界 层 内 任 一截面 处 压 强 沿较虿 槐 浠 碢 ，函 数 ， 式 中 的 偏 导数 可 改 写成全 导数 形式 。 即： 板 的 边 界 层 问 题。 设以 速 度“。 的 均 匀 来 流 纵向 流 过一块 极

24、薄 的 平板 ， 在平板 上 下罢 。 则 边界 层 的动 量 积 分方 程 简化 为 ：诒呓绮阃 獗 呓缟 系那 杏 蝊为 零 ， 故 ：万 ， 罢 ；“罢面考患0抄面煌蚋呖嘉，矿 捎 谠谄桨灞诿嫔系乃俣萂 ， ！ ？芍#， 。 ； 对 式 积 分 得： 很 小 一部 分 。 如 果平板 边 界 层 中 层 流 部 分 不 能忽 略 ， 就 需 用 混合边 界 层 的 方 法 来五秒其 中沿程 阻力 系数 五 可 利用 水力 光滑 区 的勃 拉修斯 公式 计 算 ，比”积 分 上 式 得： 将式 奖 咄 背詀 ， 得：那 么 一易 历 限 制 航道内 单船 通过能力 研 究攻 读 学 位期间 公 开 发表学 术 论 文 ， ： 感谢海 校 笛槭 业 母 魑 煌 笱 诩涓 璧 陌 镏 特 别感谢大连 海 事 大学数学系 钟 福 艳老 师， 大学七 年， 她 母 亲般的 关 怀和照