程細(xì)得, 劉祖源, 齊俊麟, 馮小檢

(1. 武漢理工大學(xué) a. 高性能艦船技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； b. 交通學(xué)院， 武漢 430063； 2. 三峽通航管理局， 湖北 宜昌 443133)

并排虛擬成組進(jìn)閘方式

程細(xì)得1a,1b, 劉祖源1a,1b, 齊俊麟2, 馮小檢2

(1. 武漢理工大學(xué) a. 高性能艦船技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； b. 交通學(xué)院， 武漢 430063； 2. 三峽通航管理局， 湖北 宜昌 443133)

為提高三峽船閘通過(guò)能力，克服單船進(jìn)閘時(shí)間長(zhǎng)、效率低等不足，提出一種并排虛擬成組進(jìn)閘方式,實(shí)現(xiàn)進(jìn)閘船舶成組移泊，以縮短船舶進(jìn)閘及移泊時(shí)間，并對(duì)考慮船間干擾影響的船舶進(jìn)閘運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析船舶進(jìn)閘運(yùn)動(dòng)的安全性及要求。經(jīng)三峽船閘試運(yùn)行，驗(yàn)證并排虛擬進(jìn)閘方式能有效提升三峽船閘進(jìn)閘效率。

水路運(yùn)輸； 三峽； 船閘； 過(guò)閘效率； 并排虛擬成組； 船間干擾

自三峽船閘2003年投入運(yùn)行以來(lái)，過(guò)閘貨運(yùn)量以年均16.6%的速度增長(zhǎng)，2011年突破億噸，提前達(dá)到了三峽船閘設(shè)計(jì)時(shí)提出的“2030年單向通過(guò)能力達(dá)5 000萬(wàn)t”的指標(biāo)[1]。隨著沿江經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)較快發(fā)展，過(guò)閘貨運(yùn)需求將繼續(xù)保持快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，這將給船閘通過(guò)能力帶來(lái)一定壓力。在船閘流量超限停航、樞紐沖沙、旅游黃金周、船閘應(yīng)急搶修和計(jì)劃性停航等非正常通航狀態(tài)下，船閘通過(guò)能力更顯不足，會(huì)出現(xiàn)大量船舶待閘現(xiàn)象。這反映出了航運(yùn)過(guò)壩需求不斷增長(zhǎng)與三峽船閘通過(guò)能力間相對(duì)不足的矛盾。大量船舶滯留壩區(qū)，會(huì)給三峽大壩帶來(lái)極大的安全隱患，對(duì)航運(yùn)企業(yè)的發(fā)展形成了障礙，極大地影響著長(zhǎng)江航運(yùn)效益的發(fā)揮。

目前，實(shí)際運(yùn)行于三峽船閘的船舶以單船居多；船隊(duì)較少。每閘次通過(guò)5～8個(gè)船舶單元，多艘船舶依次進(jìn)閘和系解纜，進(jìn)閘時(shí)間與移泊時(shí)間均高于船隊(duì)，導(dǎo)致日運(yùn)行閘次無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)的22.1閘次。

近年來(lái)，過(guò)閘船舶大型化趨勢(shì)明顯，根據(jù)三峽船閘“先到先過(guò)”的過(guò)閘原則，大小船舶組合過(guò)閘的選擇幾率減少，5 000噸級(jí)以上船舶的過(guò)閘組合將變得更加困難，一次過(guò)閘船舶貨運(yùn)量提高難度將加大，甚至有可能下降。此外，由于三峽升船機(jī)尚未建成，客船、公務(wù)船、工程船等非貨運(yùn)船舶仍與貨船混合通過(guò)船閘。尺度相近的客船和貨船過(guò)閘時(shí)所占用的閘室面積相當(dāng)，但通過(guò)量相差巨大，這也在一定程度上制約了三峽船閘的通過(guò)能力。因此，針對(duì)上述影響，通過(guò)設(shè)計(jì)并排虛擬成組進(jìn)閘方式，部分實(shí)現(xiàn)船舶同步進(jìn)閘，提升船舶過(guò)閘效率。

1 船舶過(guò)閘方式

三峽船閘上下游靠外側(cè)設(shè)置有浮式導(dǎo)航墻和靠船墩,供進(jìn)閘船舶待閘。過(guò)閘船舶(隊(duì))按照先后順序在靠船墩(或?qū)Ш綁?集結(jié)后進(jìn)入閘室。船閘過(guò)閘設(shè)計(jì)為以船隊(duì)作為一個(gè)單元進(jìn)閘、移閘和出閘。三峽船閘實(shí)際運(yùn)行中，以單船居多，船隊(duì)較少，2011年不到l%。每閘次通過(guò)5～8個(gè)船舶單元，多艘船舶依次進(jìn)閘和系解纜，進(jìn)閘時(shí)間和移泊時(shí)間均高于船隊(duì)，導(dǎo)致日運(yùn)行閘次無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)的22.1閘次。

基于單船進(jìn)閘效率低的問(wèn)題，提出并排虛擬成組進(jìn)閘方式。所謂并排虛擬成組進(jìn)閘，是指將過(guò)閘船舶虛擬編組，編組船舶同步移泊進(jìn)入閘室。即虛擬編組船舶在三峽船閘導(dǎo)航墻處待閘，單閘次船舶分批次兩兩并排低速進(jìn)入閘室，部分實(shí)現(xiàn)船舶過(guò)閘同步走的目的(見(jiàn)圖1)。

圖1 并排虛擬成組

2 并排虛擬成組船舶操縱運(yùn)動(dòng)分析

以并排虛擬成組方式進(jìn)閘過(guò)程中，船船干擾效應(yīng)對(duì)船舶進(jìn)閘運(yùn)動(dòng)的影響最為明顯，需掌握并排船舶前后船間距的大小對(duì)船舶進(jìn)閘過(guò)程的影響。

2.1坐標(biāo)系

為描述船舶的操縱運(yùn)動(dòng)，通常采用圖2所示的2種右手直角坐標(biāo)系。船舶運(yùn)動(dòng)的速度、角速度和所受力、力矩用表1中的符號(hào)表示。

圖2 坐標(biāo)系

2.2操縱運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型

在靜水船舶操縱運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，加入船間干擾力和力矩，建立考慮船間干擾效應(yīng)的操縱運(yùn)動(dòng)方程。

(1)

式(1)中：m為船體質(zhì)量；mx，my，Iz，Jzz分別為船舶的附加質(zhì)量和慣性矩；X，Y，N分別為船舶所受的縱向力、橫向力及力矩；下標(biāo)H，R，P，S-S分別為船體、舵、槳和船間干擾；操縱運(yùn)動(dòng)水動(dòng)力系數(shù)通過(guò)船池試驗(yàn)數(shù)據(jù)及回歸方法獲取。

表1 坐標(biāo)系符號(hào)表

2.3數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證

應(yīng)用上述操縱運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型及相關(guān)水動(dòng)力的計(jì)算方法，編寫(xiě)計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行操縱運(yùn)動(dòng)數(shù)值仿真。以一艘內(nèi)河試驗(yàn)貨船模型為計(jì)算樣本，船舶要素見(jiàn)表2。

表2 內(nèi)河貨船模要素

計(jì)算深水中進(jìn)行的35°回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和15°/15°Z形操縱運(yùn)動(dòng)。將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 35°操縱回轉(zhuǎn)軌跡

圖4 15°/15°Z形操舵試驗(yàn)

由圖3和圖4可知，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，說(shuō)明所提出的操縱運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型及水動(dòng)力計(jì)算方法合理。

3 船間效應(yīng)干擾力計(jì)算

對(duì)于船間效應(yīng)的研究主要有實(shí)船試驗(yàn)法、船模試驗(yàn)法及理論計(jì)算法等。[2-12]隨著計(jì)算技術(shù)不斷發(fā)展，理論計(jì)算法成為確定船間作用力及力矩的重要手段，但存在計(jì)算方法比較復(fù)雜、難以在計(jì)算機(jī)上編程實(shí)現(xiàn)，以及運(yùn)算過(guò)程耗時(shí)、難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)模擬等問(wèn)題。通過(guò)比較目前廣泛采用的船間效應(yīng)理論計(jì)算方法，采用VARYANI等[7]提出的一種計(jì)算船間作用力的實(shí)用計(jì)算方法。圖5為兩船運(yùn)動(dòng)平面參考坐標(biāo)圖。兩船縱向距離ST定義為

ST=(U1-U2)tU1gt;0,U2gt;0

(1)

船中對(duì)船中的瞬間定義為t= 0，無(wú)因次化t的表達(dá)式為

(2)

船首對(duì)船尾、船中對(duì)船中、船尾對(duì)船首對(duì)應(yīng)的值分別為-1,0,1。對(duì)船間作用力與轉(zhuǎn)首力矩分別采用下面的無(wú)量綱形式。

(3)

1. SHIP 2船受到的船間作用力與力矩系數(shù)為

CF=-0.11sin(-0.49π(t+0.37))e-0.95t2×

(4)

CM=-0.11sin(-0.49π(t+0.07))e-0.9t2×

(5)

主要考慮兩船進(jìn)閘運(yùn)動(dòng)過(guò)程中隨著兩船橫向距離及縱向距離變化引起的船間效應(yīng)，采用的計(jì)算系數(shù)為a=0.30，b=0.01，t0=-0.80，Δ=-0.50。

2. SHIP 1船受到的船間作用力與力矩系數(shù)為

CF=-0.23cos(-0.9πt)e-0.8t2(1-0.18t)×

(6)

CM=0.34sin(-0.65π(t-0.05))e-1.5t2×

(7)

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6，其與文獻(xiàn)[7]中的趨勢(shì)和量級(jí)一致，說(shuō)明本項(xiàng)目建立的船間效應(yīng)干擾力計(jì)算模型合理。

圖6 橫向力及偏航力矩

4 考慮船間干擾的操縱運(yùn)動(dòng)模擬

模擬結(jié)果見(jiàn)圖7，其與文獻(xiàn)[4]中的趨勢(shì)一致。圖8為經(jīng)大量數(shù)值仿真計(jì)算得到的其中2種不同縱向間距對(duì)船間干擾效應(yīng)影響的仿真計(jì)算結(jié)果，有以下結(jié)論：

1. 進(jìn)閘過(guò)程中，建議前后兩排船舶的縱向間距gt;0.5(L1+L2)。

2. 航速應(yīng)lt;1 m/s。

3. 編組進(jìn)閘過(guò)程中，應(yīng)采用小舵角保向，控制好與本船并排船舶及閘壁的橫向間距，避免碰撞。

4. 進(jìn)閘后，根據(jù)本船的制動(dòng)沖程提前采取停車(chē)制動(dòng)操作，在預(yù)定點(diǎn)把船停住系纜。

圖7 模擬結(jié)果比對(duì)

圖8 考慮船間干擾的船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)值仿真

5 結(jié) 語(yǔ)

較整體虛擬成組過(guò)閘方案，采用并排虛擬成組進(jìn)閘方式可減小前后排船舶縱向干擾影響，提高過(guò)閘安全性；較單船進(jìn)閘，能節(jié)省船舶過(guò)閘時(shí)間，提高船閘過(guò)閘效率。通過(guò)模擬計(jì)算，船舶在一定的安全間距下采用并排虛擬成組方式，可以克服干擾力，以一定的航速完成進(jìn)閘運(yùn)動(dòng)。以并排虛擬成組方式過(guò)閘，有利于節(jié)省船舶進(jìn)閘時(shí)間，提高船舶過(guò)閘效率。在三峽船閘采用此方式過(guò)閘，可有效提高船舶過(guò)閘效率，在虛擬閘室并排成組過(guò)閘，日均每線船閘較依次進(jìn)閘可多運(yùn)行2個(gè)閘次，日閘次數(shù)提高到16閘次，約提高船閘單向通過(guò)量700萬(wàn)t，效果顯著。

[1] 鈕新強(qiáng),童迪,宋維邦. 三峽工程雙線五級(jí)船閘設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)工程科學(xué), 2011, 13(7): 85-90.

[2] TUCK E O, NEWMAN J N. Hydrodynamic Interaction Between Ships[C]. 10th Symposium on Naval Hydrodynamics， 1974.

[3] YEUNG R W, TAN W T. Hydrodynamic Interaction of Ships with Fixed Obstacles[J]. Journal of Ship Research, 1980, 24: 50-59.

[4] KIJIMA K, YASUKAWA H. Manoeuvrability of Ships in Narrow Waterway[J]. Journal of Society of Naval Architects of Japan, 1985, 23:25-37.

[5] VANTORRE M, VERZHBITSKAYA E, LAFORCE E. Model Test Based Formulations of Ship-Ship Interaction Forces[C]. Proceedings of the International Marine Simulation Forum. 2001, 49: 124-141.

[6] VARYANI K S,MCGREGOR R C, KRISHANKUTTY P,etal. New Empirical and Generic Models to Predict Interaction Forces for Several in Encounter and Ships Overtaking Manoeuvres in a Channel[J]. International Shipbuilding Progress. 2002, 49(4): 237-262.

[7] VARYANI K S, THAVALINGAM A, KRISHNANKUTTY P. New Generic Mathematical Model to Predict Hydrodynamic Interaction Effects for Overtaking Manoeuvres in Simulators[J]. Journal of Marine Science Technology, 2004, 19(1): 24-31.

[8] VARYANI K S, VANTORRE M. Development of New Generic Equation for Interaction Effects on a Moored Container Ship Due to Passing Bulk Carrier[C]. IJMW Part A2, 2005.

[9] VARYANI K S, VANTORRE M. New Generic Equation for Interaction Effects on a Moored Containership Due to a Passing Tanker [J]. Journal of Ship Research, 2006, 50(3): 278-287.

[10] SIMMAN 2008. Part G: Comparison of Results for Free Maneuver Simulations[R]. 2008.

[11] BENEDICT K. Improved Simulation Model and Methods for Determination of the Required Passing Distance Between Ships in Restricted Fairways[C]. 2nd International Conference on Ship Manoeuvring in Shallow and Confined Water: Ship to Ship Interaction, Norway, 2011.

[12] SKEJIC R, FALTINSEN O M. A Unified Seakeeping and Maneuvering Analysis of Two Interacting Ships[C]. ICHD, 2007.

LockingManeuveringinSide-By-SideVirtualShipGrouping

CHENGXide1a,1b,LIUZuyuan1a,1b,QIJunlin2,FENGXiaojian2

(1a. Key Laboratory of High Performance Ship Technology of Ministry of Education; 1b. School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 2. Three Gorges Navigation Authority, Yichang 443133, China)

To improve the traffic capacity of the Three Gorges ship lock is very important and has the priority on the research topic list of the Yangtze golden waterway construction. To overcome the low efficiency of maneuvering ships on single ship basis, a side-by-side virtual group maneuvering pattern is proposed. The efficiency of the maneuvering and effects of the interaction between ships are studied through simulations. Implementing the pattern in the Three Gorges ship lock proves the efficiency improvement of the method.

waterway transportation; Three Gorges; ship lock; ship lock operation efficiency; side-by-side virtual group; ship-ship interaction

2014-07-13

國(guó)家自然科學(xué)基金(51179143)；西部交通科技項(xiàng)目(201132820190)

程細(xì)得 (1975—), 男, 安徽池州人，副教授，碩士生導(dǎo)師，從事船舶操縱及航行安全研究。 E-mail: xdcheng@whut.edu.cn

1000-4653(2014)04-0050-04

U641

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