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标题 长江口深水航道超大型船舶交会仿真
范文 闫化然+曾祥堃 肖英杰






摘要：为提升超大型船舶在长江口深水航道内的双向通航能力，以实际航道尺度为边界条件，在三自由度MMG模型的基础上，考虑浅水效应、船间效应和岸壁效应，建立船舶操纵运动模型。利用MATLAB对10万吨级的散货船和集装箱船交会进行仿真，并对风、流和两船不同间距对船舶交会的影响进行研究。仿真结果表明，长江口深水航道的宽度可基本满足船宽之和在90 m内的超大型船舶交会。
关键词：
长江口； 深水航道； 超大型船舶； 船舶交会； 船间效应
中图分类号： U661.3
文献标志码： A
Simulation on encountering of very large ships on
deepwater channel of Yangtze River estuary
YAN Huarana， ZENG Xiangkunb， XIAO Yingjiea
（a. Merchant Marine College； b. Information Engineering College， Shanghai Maritime University， Shanghai 201306， China）
Abstract：
In order to enhance the twoway passing ability of very large ships on the deepwater channel of the Yangtze River estuary， based on the MMG model with 3 degrees of freedom， a ship manoeuvring motion model is built， where the boundary condition is the actual scale of the deepwater channel， and the shallow water effect， the shiptoship interaction effect and the bank effect are considered. The encountering of the 100 000 t bulk carriers and the 100 000 t container ships is simulated with MATLAB， and the effects of the wind， the current， and the different distance between the ships on the encountering of the two ships are analyzed. The simulation results show that the deepwater channel width of the Yangtze River estuary can basically satisfy the encountering demand of two very large ships， where the sum of their widths is no more than 90 m.
Key words：
Yangzte River estuary； deepwater channel； very large ship； ship encountering； shiptoship interaction effect
0引言
《長江口深水航道船舶超宽交会通航安全管理办法》（以下简称《办法》）规定，一般情况下长江口深水航道船舶双向交会时，两船总宽不得超过80 m，因此深水航道同一时间段内只能供1艘宽度超过40 m的超大型船舶航行。近年来船舶大型化发展迅速，由深水航道进出长江沿线港口的宽度在40 m以上的超大型船舶逐年增多，加之超大型船舶需乘潮进出港，长江口深水航道双向通航的效率在《办法》的约束下受到了严重影响。在确保通航安全的前提下，放宽船舶双向交会时的船舶宽度限制，对提升超大型船舶在长江口深水航道内的通航效率尤为重要[1]。
在影响船舶双向通航的因素中，除了航道的设计水深、宽度、边坡比、转弯半径以及轴线布置等之外，浅水效应、岸壁效应和船间效应也是需要考虑的。我国现行的《海港总平面设计规范》对双向航道的设计作了较详细的规定，但缺少浅水效应、岸壁效应和船间效应的具体量化标准[2]。国内外的学者对该方面的研究主要集中在理论计算和数模试验方面，研究表明在受限航道中船舶运动受船舶尺度、船速、吃水、水深、船间距离和岸壁形状等多种因素影响，运动较复杂。本文在现有理论和试验的基础上，采用三自由度MMG（Manoeuvring Model Group）模型，结合实际航道条件和船型数据，利用MATLAB对长江口深水航道超大型船舶交会进行仿真研究。
1航道双向通航尺度分析
根据《办法》，如果交会的两船总宽度B1+B2满足80 m会时，不仅受到浅水效应的影响，还可能因d的不同而受到船间效应和岸壁效应的影响[3]。
2船舶操纵运动数学模型
2.1MMG模型及浅水修正
船舶的实际运动是一种具有6个自由度、非常复杂的运动。在建模仿真时，从船舶模型的实用性出发，主要研究两船近距离相互驶过时的相互作用，因此只建立纵向、横向和转艏3个自由度的MMG船舶运动模型[4]。
（m+mX）u-（m+mY）vr=FXH+FXP+FXR
（m+mY）v-（m+mY）ur=FYH+FYP+
FYR+FYCF
（IZZ+JZZ）r=MH+MP+MR+MCM
式中：m，mX，mY，IZZ和JZZ分别为船舶质量、纵向附加质量、横向附加质量、船舶惯性矩和附加惯性矩，其中mX，mY和JZZ的浅水修正模型采用李美菁浅水修正；FX和FY分别为船舶纵向和横向受力；M为船舶所受力矩；下标H，P和R分别代表船体、螺旋桨和舵；FYCF和MCM分别代表船间效应力和力矩。FXP，FYP，FXR，FYR，MP和MR采用常规模型公式计算。FXH，FYH和MH采用小漂角时的贵岛流体动力模型计算。
FXH=Xuuu2+Xvvv2+Xvrvr+Xrrr2
FYH=Yvv+Yrr+Y|v|vvv+Y|v|rvr+
Y|r|rrr
MH=Nvv+Nrr+N|v|vvv+Nvvrv2r+Nvrrvr2
式中：Xuuu2为直航阻力；Xvvv2，Xvrvr和Xrrr2为由船舶运动引起的阻力；Yvv，Yrr，Nvv，Nrr为线性水动力及力矩，依据盛子寅浅水近似公式计算；Y|v|vvv，Y|v|r|v|r，Y|r|rrr，N|v|vvv，Nvvrv2r，Nvrrvr2为非线性水动力及力矩，浅水中采用贵岛试验回归估算公式计算[4]。
2.2岸壁效应的力和力矩
由图1可知，长江口深水航道的岸壁属于平缓斜坡型岸壁。Norrbin给出的岸壁效应计算模型[5]为
YB=Y（1+0.377h0k+19.53u2k/（gL）+
0.067 3k3-0.098 8dk3/h）
NB=N（1-0.750h0k+81.80u2k/（gL）-
0.033 1k3+0.015 9dk3/h）
Y=ρCbBdu2η0（0.059 2+0.372 0d2/h2）
N=-ρCbLBdu2η0（0.002 5+0.075 5d2/h2）
式中：YB和NB为斜坡型岸壁影响下的岸壁效应的力和力矩；Y和N为直壁影响下的岸壁效应的力和力矩；ρ为水密度；Cb为方形系数；B为船宽；d为吃水；h为水深；η0为船宽B与船中至航道水面边界距离的比值；k为航道岸壁倾斜的程度（k值越小，岸壁越陡峭）。从岸壁效应计算模型可以看出，船舶受到的力和力矩与船中到岸壁的距离成反比，与岸壁的倾斜程度成反比。由航道设计图可知，长江口深水航道边坡比较小，岸壁平缓，且航道边线与两岸护堤距离都在
2 km以上，因此岸壁效应较小，基本可以忽略[67]。
2.3船间效应力和力矩模型
《长江口深水航道（12.5 m）试通航期间通航安全管理办法》规定，长江口北槽深水航道内禁止追越，因此仅研究对遇时的船间效应，见图2。国内外的学者对船间效应做了较多的研究[814]。考虑到VARYANI等[1213]研究船间效应时采用的船型主要是散货船和集装箱船，同时船间作用力和力矩的计算结果也适合添加到MMG船舶运动方程中，因而本文中船间效应的计算选取VARYANI等的通用计算模型。
FYCF=-0.47sin（0.86πt）e-0.95t2（1+0.18t）×
h/d1.5-2.252SPL-1.25L1L2-2.50.5U2U1+1
MCM=-0.47sin（0.86πt）e-0.9t2（1+0.18t）×
A（t）h/d1.5-2.252SPL-1.25L1L2-2.50.5U2U1+1
式中：SP为两船距离；L1和L2分别为两船长度；ST12为两船重心间的纵向距离；t=2.0ST12/（L1+L2），ST12=（U1+U2）t，U1，U2>0；A（t）=1-a·e-b（t-t0+Δ）。具体参数取值参照文献[13]。
3仿真实例
3.1仿真精度预报
经实际流量观测，在进出长江口深水航道的大型船舶中，集装箱船和散货船占60%以上，因此仿真船型选取10万吨级的散货船和集装箱船。为能够客观地反映兩种船型在航道内交会的过程，基于响应曲线对PD自动舵保向性能进行参数整定，并采用MATLAB对船舶交会进行仿真研究[14]。
为验证仿真模型的精度，对10万吨级的散货船和集装箱船分别进行了深水满舵右旋回仿真试验。两种船的参数见表1。将试验结果与参考文献[1415]中的实船数据进行比对，发现纵向距离、横向距离和定常回转直径相似度均在80%以上，见图3。
3.2无风流时两船不同会遇间距仿真
船舶速度的选取依据实际大型船舶交会速度，一般为10～12 kn，因此仿真时取两船对水速度11 kn。图4和5为船速11 kn，交会间距分别为1倍船宽（1B=42 m）、2倍船宽（2B=84 m）和3倍船宽（3B=126 m）时两艘10万吨级散货船的交会仿真轨迹和操舵过程曲线。
图6和7为船速11 kn，交会间距分别为1倍船宽（1B=43.8 m）、2倍船宽（2B=87.6 m）和3倍船宽（3B=131.4 m）时10万吨级散货船（左）与10万吨级集装箱船（右）的交会仿真轨迹和操舵过程曲线。
由图4和6可知，在初始阶段两船按照各自的原航向行驶，当两船接近到一定程度后船间效应力和力矩起作用，打破了船舶与水动力的平衡状态，从而导致船舶各自向外舷侧偏转。由图5和7可知：发生偏转后，PD自动舵根据航向和转艏角速度的偏差产生纠偏舵角，使船舶尽快回到原航向上；随着交会距离的增加，纠偏舵角也变小变稳；船间效应对散货船的影响大于对集装箱船的影响，集装箱船的舵效较好，可以更快地回到原航向上。
3.3横风影响下的两船不同交会间距仿真
长江口附近水域风向的季节性特征十分明显（历年春季平均常风向为SE～SEE，频率为25%；夏季平均常风向为S～SE，频率为51%；秋季平均常风向为NNE～NE，频率为28%；冬季平均常风向为N～NW，频率为49%），因而船舶风压差角也会随季节的变化而不断变化。另外，根据《办法》，超宽船舶交会时蒲氏风力不大于5级，因此选取最不利的工况——两船受右横风5级进行模拟。图8和9分
下的交会仿真轨迹和操舵过程曲线。
图10和11分别为右横风5级时，10万吨级散货船（左）和集装箱船（右）不同间距下的交会仿真轨迹和操舵过程曲线。
从图8～11与图4～7的对比可以看出：在横风作用下船间效应的扰动加大，船舶偏转后回到原航向上所需的舵角也相应增大，所需的时间也增长；所有的船舶轨迹仍在深水航道内。
3.4风流作用下的两船不同交会间距仿真
船舶在航道中航行时，常受到风流的共同影响。
在长江口深水航道交会航段两侧均有护堤，基本不存在横流的影响，在顺直航段水流沿航道方向，且《办法》规定大型船舶交会时流速不大于2 kn。
图12和13分别为右横风5级、流速2 kn时，两艘航速为11 kn的10万吨级散货船不同间距下的交会仿真轨迹和操舵过程曲线。图14和15分别为右横风5级、流速2 kn时，10万吨级散货船（顺流，左）与集装箱船（顶流，右）不同间距下的交会仿真轨迹和操舵过程曲线。
从图12～15与图8～11的对比可以看出，在横风和水流的影响下，顶流船舵效较好，船间效应不明显，而顺流船横向偏移距离进一步加大，船舶为纠偏所需的满舵时间也较长，船舶操纵难度较大。
3.5船舶横向偏移距离
两船在不同间距和风流条件下交会时，船间效应的大小也反映在船舶的横向偏移距离上。统计可
得船舶横向偏移距离，见表2。
由表2可知：载重量相近的散货船和集装箱船交会时，船舶尺度较小的散货船受船间效应的影响较大。在横风影响下，船舶的横向偏移距离较无风流时大；在水流影响下，顺流船的横向偏移距离进一步加大。间距为1倍船宽的10万吨级散货船与集装箱船
交会时，散货船在风流影响下横向偏移量达30 m，存在较大风险，因此应避免该种交会情况。当船舶交会间距为2倍船宽及以上时，船间效应对船舶的影响大幅减小。当船舶交会间距为3倍船宽及以上时，船间效应对船舶的影响较小，超大型船舶交会安全性较高。
3.6船舶交会过程控制
超大型船舶在深水航道行驶时，只要安全可行应当各自尽量靠本船右舷一侧行驶，加强与对向航行船舶的联系，避免两船在弯道处交会。
在交会之前，两船应各自提前调整自己的船位，使船舶左舷距航道分隔线1倍船宽以上，即控制会遇间距在2倍船宽及以上，同时降低船速至10～12 kn，减少兴波阻力的影响。在交会时，对受船间效应影响明显的较小船舶，应利用大舵角抑制船舶偏转，尽量减少船舶的横向偏移；对受横风影响大或顺流舵效不好的船舶，可提前操舵。需注意的是，抑制偏转的大舵角不宜用时过长，应及时回舵并把定，以免纠偏过度使船首越过分隔线进入他船航道。交会结束后，可适当加车以增加舵效，尽快稳定船首向，控制船舶在航道内行驶。
4结论
通过分析10万吨级的超大型散货船和集装箱船在长江口深水航道双向通航的仿真结果，得出以下结论：（1）长江口深水航道顺直航段可基本满足船宽之和在90 m以内的10万吨级超大型散货船和集装箱船交会。（2）随着两船交会距离的增加，船间效应的影响逐渐减弱，船舶横向偏转的距离逐渐减小；当船舶交会间距为2倍船宽及以上时，船间效应对船舶的影响大幅减小；当船舶交会间距为3倍船宽及以上时，船间效应对船舶的影响较小，交会安全性较高。
（3）不同尺度的船舶会遇时，较小船舶受船间效应的影响较为明显，应及时操舵控制船舶偏转。
（4）在风流的影响下，船舶受船间效应的影响产生的偏移量较无风流时大；在5级横风的影响下，船间效应使顺流船横向偏移量较大，超大型船舶会遇危险性较高，因此应禁止受5级或以上横风影响的超大型船舶在深水航道交会。
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（编辑贾裙平）
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更新时间：2024/12/23 2:47:37