秦飛 王平

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

兩船并靠作業(yè)流載荷研究

秦飛 王平

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

隨著各國海洋裝備的快速發(fā)展，補(bǔ)給和救援作業(yè)成為其中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。在進(jìn)行補(bǔ)給和救援時(shí)，由于遮蔽效應(yīng)的影響，兩船并靠的環(huán)境載荷與單船明顯不同，會(huì)對并靠作業(yè)的順利進(jìn)行產(chǎn)生影響，因此需要重點(diǎn)考慮受遮蔽影響的環(huán)境載荷。文中主要對兩船并靠作業(yè)的流載荷進(jìn)行研究，通過軟件模擬和公式推算，得出并靠作業(yè)兩船遮蔽效應(yīng)下的流載荷。

遮蔽效應(yīng)；并靠；流載荷

0 引言

對于在海上航行或作業(yè)的無約束船舶以及海洋結(jié)構(gòu)物，流載荷是其主要承受的環(huán)境載荷之一。雖然海洋的表面流和底層海流流速較低，流載荷對船舶的作用程度相對緩和，但是海流的長時(shí)間作用會(huì)導(dǎo)致船舶等浮式結(jié)構(gòu)發(fā)生水平漂移，偏離預(yù)定的作業(yè)區(qū)域，給作業(yè)安全帶來很大影響。

另外，隨著海洋裝備的發(fā)展，海洋作業(yè)正逐步向深海和遠(yuǎn)海發(fā)展，因此補(bǔ)給和救援作業(yè)日益受到世界各國的重視。在船舶補(bǔ)給和救援過程中，一般需要兩船并靠作業(yè)，為確保兩船位置相對穩(wěn)定，可以采取系纜或者動(dòng)力定位的作業(yè)方式。船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)主要是控制船位和艏向，也就是根據(jù)環(huán)境載荷的大小、方向和作用點(diǎn)，由推力系統(tǒng)給出船舶動(dòng)態(tài)跟蹤其他船舶所需要的推力合力。因此，必須首先確定風(fēng)、浪、流等要素作用于船舶的力和力矩。由于兩船并靠作業(yè)時(shí)，在某些環(huán)境力方向下，位于下游的船舶會(huì)受到上游船舶的遮蔽效應(yīng)影響，這與單船的受力情況有所區(qū)別，因此需要特殊考慮。

國內(nèi)外曾有學(xué)者對此問題進(jìn)行過初步研究。陸冬青等應(yīng)用切片理論，借助二維格林函數(shù)法求得流場速度勢；然后應(yīng)用線性彈簧理論，求解兩船并靠時(shí)的聯(lián)立運(yùn)動(dòng)方程，得出兩船在規(guī)則波中的六自由度運(yùn)動(dòng)幅值；最后用譜分析法得出兩船在不規(guī)則波中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律［1］。但到目前為止，兩浮體并靠的漂移力研究工作還相對較少。Onkusu曾采用二維理論計(jì)算兩個(gè)平行細(xì)長體之間的水動(dòng)力運(yùn)動(dòng)問題，采用遠(yuǎn)場分析法計(jì)算漂移力，發(fā)現(xiàn)了負(fù)漂移的現(xiàn)象；Kim也基于切片理論，應(yīng)用近場分析法研究漂移力，但這些方法誤差較大。

本文應(yīng)用三維勢流理論，借助經(jīng)驗(yàn)公式和水動(dòng)力軟件模擬，對單船和兩船并靠作業(yè)的流載荷進(jìn)行直接預(yù)報(bào)，并將兩種工況的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析，得出遮蔽效應(yīng)對船舶環(huán)境載荷產(chǎn)生影響的相關(guān)因素，為海上補(bǔ)給和救援作業(yè)船舶的前期設(shè)計(jì)提供一些參考。

1 流載荷計(jì)算理論

海流長時(shí)間作用于船舶會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定側(cè)向力和力矩，特別是在某些海域可能遇到3 kn左右的表面流，這些流載荷會(huì)使船舶產(chǎn)生緩慢的漂移而偏離預(yù)定位置；因此，為保持船舶相對位置的穩(wěn)定，在確定動(dòng)力定位船舶的推力器大小時(shí)，合理地估計(jì)環(huán)境作用力和力矩中的流載荷部分所占的比重是很重要的。

1.1 單船流載荷理論

對于單船所受的流載荷［2］的預(yù)報(bào)，最準(zhǔn)確的方法是進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)。但鑒于試驗(yàn)過程繁瑣、費(fèi)用較多，目前主要采用經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算作用在船上海流的力和力矩。作用在船上的流載荷可以分為沿著船長方向的縱向力、沿著船寬方向的橫向力及引起船舶轉(zhuǎn)艏的艏搖力矩。一般認(rèn)為，流載荷的影響因素［3］主要包括Reynolds數(shù)和浮體粗糙度系數(shù)。另外，物面形狀、有限水深的海底效應(yīng)及自由液面等也會(huì)對流載荷產(chǎn)生很大的影響。

作用在船舶的縱向流力主要由摩擦阻力而引起，可以采用靜水中估算船舶阻力的方法預(yù)報(bào)；同時(shí)，由于傅汝德數(shù)很小（式中：Uc為流速，m/s；L為船舶設(shè)計(jì)水線長，m），以至于波浪阻力相對于粘性阻力可忽略不計(jì)。因此，在綜合對比分析后，擬采用文獻(xiàn)［2］中的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算縱向流載荷：

式中：ρ為海水密度，kg/m3；UC為流速，m/s；β為流速和縱向X軸之間的夾角（X軸正向指向船尾），°；S為濕表面積，m2；Rn=UCL｜c(diǎn)osβ｜/v，其中：v為海流運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)。

為了估算作用在船上的橫向粘性流力和流艏搖力矩，只要海流的方向不與船的縱軸相靠近，即可以使用橫流原理。橫流原理假定，流動(dòng)分離是由通過船艏的橫向流動(dòng)引起的，縱向的流動(dòng)分量不會(huì)影響到橫截面的橫向力；并且橫截面上的橫向力主要是由于流動(dòng)分離影響到壓力沿船體周圍的分布。這樣船舶的橫向流力F2C可以表示為：

式中：CD（x）為阻力系數(shù)，典型值見圖1和圖2；D（x）為剖面浸深，m。

圖1 船舶橫剖面在二維橫向流中計(jì)算和估計(jì)的阻力系數(shù)CD（x）

圖2 橫向流阻力系數(shù)的三維折減因子

其中，積分沿船長L方向。CD（x）是在縱向坐標(biāo)x處船的橫截面阻力系數(shù)，取自具有與船相等橫截面面積的無限長柱體的阻力系數(shù)。D（x）為截面的吃水。圖2是考慮了船體的三維形狀后，對切片理論得出的CD（x）的三維縮減系數(shù)，將它乘以圖1中的二維CD（x）值后，即可得到一個(gè)較為正確的CD（x）。由海流流動(dòng)引起的轉(zhuǎn)艏力矩F3C是由Munk力矩與橫流引起的粘性轉(zhuǎn)艏力矩之和組成［2］。

式中：A11、A22分別為縱蕩附加質(zhì)量和橫蕩附加質(zhì)量［4］，kg。

式中：m為船舶排水量，kg；L為船舶設(shè)計(jì)水線長，m；B為型寬，m；d為設(shè)計(jì)吃水，m；Cb為方形系數(shù)。

式（3）的最后一項(xiàng)為Munk力矩，可由未分離的勢流理論導(dǎo)出。轉(zhuǎn)艏力矩為正，則意味著將趨使船向一個(gè)更小的β角轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.2 并靠船舶流載荷理論

與單一艦船流載荷理論不同，并靠船舶的流載荷不能簡單應(yīng)用上述理論計(jì)算［5］。當(dāng)兩船并靠作業(yè)時(shí)，由于上游船舶對下游船舶的遮蔽效果，無窮遠(yuǎn)來流經(jīng)過上游船舶后，流速會(huì)發(fā)生變化，并在下游產(chǎn)生漩渦和回流，流場形式也不再是無窮遠(yuǎn)的均勻來流。此時(shí)已無法準(zhǔn)確預(yù)估流經(jīng)下游船舶的流速，因此無法應(yīng)用上述公式計(jì)算并靠船舶流載荷。

為此，本文基于Fluent軟件對并靠船舶進(jìn)行模擬，通過結(jié)構(gòu)建模、劃分網(wǎng)格以及水動(dòng)力計(jì)算等方法，得到并靠船舶的流載荷；然后對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，并且與單船的流載荷進(jìn)行對比，最終得到當(dāng)前尺度下并靠船舶在不同角度時(shí)的遮蔽效果。

本文在預(yù)報(bào)雙船并靠作業(yè)流載荷后，對并靠時(shí)的遮蔽效應(yīng)進(jìn)行如下分析。首先將各種不同間距、不同流速下的流載荷按以下處理方式得到對應(yīng)的流力系數(shù)：

式中：FX為流作用力的縱向分量，N；FY為流作用力的側(cè)向分量，N；N為轉(zhuǎn)艏力矩，N·m；ρ為流體密度，kg/m3；VR為流速，m/s；AT為船水下橫向投影面積，m2；AL為船水下側(cè)向投影面積，m2；LOA為總長，m。

為分析雙體并靠作業(yè)時(shí)對橫向流動(dòng)的影響，本文作如下假設(shè)：即近似認(rèn)為兩船所受橫向流載荷均為流經(jīng)各自表面的橫向均勻流動(dòng)引起的，區(qū)別只是流速不同。因此在模擬各種間距并靠流載荷后，本文又利用式（2）的橫向流力公式進(jìn)行反推，得到流經(jīng)并靠船體各表面的平均橫向流速Ucy（Ucy=UC sinβ），并用無窮遠(yuǎn)來流橫向流速分量分別與上游船舶表面的平均橫向流速和下游船舶表面的平均橫向流速做比值得到對應(yīng)的橫向流速減額系數(shù)K。

式中：K為橫向流速減額系數(shù)；U∞cy為無窮遠(yuǎn)來流流速的橫向分量，m/s；Uicy為流經(jīng)上（下）游船舶表面的平均橫向流速，m/s。

2 計(jì)算實(shí)例

2.1 船舶主尺度及環(huán)境參數(shù)

本文以兩艘尺度接近的模型船為例，分別進(jìn)行單船和兩船并靠作業(yè)的流載荷計(jì)算。

表1 并靠船舶主尺度單位：m

計(jì)算時(shí)采用了CFD前處理軟件Gambit進(jìn)行船體建模和網(wǎng)格劃分，采用經(jīng)驗(yàn)公式和Fluent軟件相結(jié)合的方式進(jìn)行流載荷分析，分別計(jì)算了三種流速和三種并靠間距下的流載荷。并靠作業(yè)的初始間距定義為兩船縱中剖面間的垂直距離，兩船靠近處舷側(cè)的距離定義為相對A船船寬的倍數(shù)，其環(huán)境參數(shù)如表2所示。

表2 環(huán)境參數(shù)

兩船進(jìn)行并靠作業(yè)時(shí)，對環(huán)境載荷及船舶相對位置參考方向作如圖3、圖4規(guī)定。

圖3 兩船舶并靠作業(yè)參考坐標(biāo)系示意圖

圖4 計(jì)算實(shí)例船舶水動(dòng)力模型

2.2 并靠船舶流載荷預(yù)報(bào)結(jié)果

本文借助水動(dòng)力軟件，選取幾個(gè)典型的流向角（0°~360°，角度增量為45°），對并靠船舶在不同間距和不同流速下的流載荷進(jìn)行模擬。為便于數(shù)據(jù)分析，作出如圖5~圖10所示結(jié)果。

圖5 1.0 kn流速A船縱向流載荷（N）

圖6 1.0 kn流速B船縱向流載荷（N）

圖7 1.0 kn流速A船橫向流載荷（N）

圖8 1.0 kn流速B船橫向流載荷（N）

圖9 1.0 kn流速A船轉(zhuǎn)首流力矩/（N·m）

圖10 1.0 kn流速B船轉(zhuǎn)首流力矩/（N·m）

圖5~圖10分別列舉了流速為1 kn時(shí)，A、B船的橫向流載荷、縱向流載荷和流力矩，將三種不同間距（0.5B、0.75B和1.0B）下的流載荷與單一船舶時(shí)（infB，即距離無窮遠(yuǎn)）的流載荷進(jìn)行對比與綜合分析，得出以下結(jié)論：

（1）船舶并靠作業(yè)時(shí)，隨著間距的增加，縱向流載荷的變化不顯著。原因在于：縱向流載荷與縱向流動(dòng)有關(guān)，低速流動(dòng)情況下，兩船的遮蔽效果不明顯。

（2）單船與雙船體相比，只有A船在部分角度縱向流載荷變化明顯。原因在于：B船相對于A船吃水較深，對A船流場的影響更為明顯。在0°和180°，不存在吃水的影響；90°和270°屬于橫流，理論上縱向流載荷趨于0，因此可不予特殊考慮。

（3）并靠船舶的橫向流載荷隨著間距而變化，且與單船情況明顯不同。原因在于：當(dāng)流動(dòng)接近橫流時(shí)，遮蔽效果通常會(huì)導(dǎo)致下游船舶的流載荷減小。流場經(jīng)過上游船舶后，會(huì)在背部尖角位置產(chǎn)生強(qiáng)烈的漩渦［6］，當(dāng)兩船間距不同時(shí)，可能會(huì)因?yàn)橄掠未疤幵阡鰷u的位置不同而導(dǎo)致流載荷變化程度不同。

（4）遮蔽對流力矩的影響隨流向角而變化。在180°以前，B船流力矩受遮蔽影響明顯；在180°以后，A船的影響明顯。原因在于：流力矩受橫流和流動(dòng)分離的影響明顯，且Munk力矩是由壓力引起的，與橫流繞經(jīng)船舶的速度勢有關(guān)。下游船舶阻止了一部分漩渦的快速分離，因此流力矩有所減小。

2.3 遮蔽效應(yīng)分析

如本文在并靠船舶流載荷理論分析中所述，雙船體在并靠作業(yè)時(shí)，遮蔽效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致流經(jīng)上游和下游船舶的流場發(fā)生變化。為了得到流載荷降低的幅度，本文又對其遮蔽效應(yīng)作了進(jìn)一步分析，提出了流速減額系數(shù)的概念。

首先按照式（8）、（9）和（10）得到對應(yīng)的流力系數(shù)。由上述分析可知遮蔽效應(yīng)隨間距不同而變化，因此將每種間距對應(yīng)三個(gè)流速的A船流載荷系數(shù)取平均值，所得結(jié)果見表3。

表3 不同間距A船流載荷系數(shù)

圖11為45°流向角時(shí)，兩船體表現(xiàn)流場速度矢量分布圖，可以看出，雖然兩船體表面速度矢量大小有變化，但速度方向幾乎不變，且流經(jīng)每個(gè)船體表面各處的流速大致相當(dāng)。

圖11 流向角45°時(shí)兩船體表面流場速度矢量分布

為了進(jìn)一步分析船體并靠時(shí)對橫向流動(dòng)的影響，本文近似假設(shè)兩船體所受的橫向流載荷均由經(jīng)過船體表面的橫向均勻流動(dòng)所引起，因此，提出如1.2節(jié)所述的流速減額系數(shù)概念；按照式（11）分別計(jì)算流經(jīng)上游船舶和下游船舶表面的平均橫向流速，相對于無窮遠(yuǎn)來流橫向流速的橫向流速減額系數(shù)K，見下頁中的表4和表5。

綜合分析表3、表4和表5的結(jié)果，得到如下結(jié)論：

（1）對于橫向流動(dòng)，大部分角度下的流速減額系數(shù)大于1（即流速都有所減?。?，這也說明船體并靠時(shí)，上游船體對下游船體起到一定的遮蔽效果。

（2）流速減額隨間距發(fā)生變化，原因可能在于下游船舶處于漩渦區(qū)的不同位置，減緩流動(dòng)分離的程度不同。

表4 上游船舶橫向流速減額

表5 下游船舶橫向流速減額

（3）部分角度（45°和315°）的流速增加，與圖7、8的預(yù)報(bào)結(jié)果有矛盾，原因可能有兩點(diǎn)：

a）計(jì)算誤差，式（2）要求海流方向不與船舶縱軸相靠近，而45°和315°與縱軸比較接近，因此會(huì)產(chǎn)生上述計(jì)算誤差；

b）流速增加，即該角度下由于船體的擠壓作用，經(jīng)過船體表面的橫向流速確實(shí)比無窮遠(yuǎn)來流橫向分量有所增加，只是增加幅度較小。

（4）對比表3不同間距流載荷系數(shù)，A船處于上游時(shí)與單船更接近，但仍然小于單船情況，原因在于上游船首先經(jīng)歷無窮遠(yuǎn)來流，這一點(diǎn)與單船情況類似，但是雙船的存在減弱了下游流動(dòng)的快速分離，橫向壓差力減小，流載荷減弱。

3 結(jié)論

本文主要對單船和并靠船舶的流載荷進(jìn)行了分析。得知不同間距、不同浪向角及船舶吃水的變化都會(huì)對流載荷產(chǎn)生影響，因此在操作中，應(yīng)合理利用遮蔽效應(yīng)，保證補(bǔ)給和救援作業(yè)的順利進(jìn)行。

本文尚有不足之處，如文中在研究遮蔽效應(yīng)時(shí)提出速度減額的概念，但上述數(shù)據(jù)只能給出當(dāng)前兩船舶參數(shù)下的速度減額變化趨勢，尚未將其推廣應(yīng)用到任意船型間的并靠作業(yè)，因此下一步工作還需對多種船型的并靠進(jìn)行研究分析，為工程設(shè)計(jì)提供一定的參考依據(jù)。

［1］陸冬青，芮震峰，石愛國，等.波浪中并靠兩船運(yùn)動(dòng)計(jì)算［J］.船舶工程，2007，27（5）：46-50.

［2］［英］FALTINSEN O M著.楊建民，肖龍飛，葛春花譯.船舶與海洋工程環(huán)境載荷［M］.上海：交通大學(xué)出版社，2008.

［3］岳曉瑞，徐海洋.船式平臺(tái)動(dòng)力定位系統(tǒng)環(huán)境載荷數(shù)值預(yù)報(bào)［D］.武漢理工大學(xué)，2011.

［4］范尚雍.船舶操縱性［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2001.

［5］謝楠，姜濱，李平，等.艦船在波浪中補(bǔ)給的運(yùn)動(dòng)性能研究［J］.水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展，1999，14（4）：510-520.

［6］謝楠，郜煥秋.波浪中兩個(gè)浮體水動(dòng)力相互作用的數(shù)值計(jì)算［J］.船舶力學(xué)，1999，3（2）：7-15.

Research on current loads of two ships alongside

QIN Fei WANG Ping
（Marine Design&Research Institute of China，Shanghai200011，China）

With the rapid development of the world ocean equipments，replenishment and rescue have become critical.During the replenishment and rescue operations，the environment loads of two ships alongside are obviously different from those of a single ship due to shadow effect.It has a great impact on successful alongside operations，therefore environment loads with shadow effect need careful consideration.This paper mainly carries out research on current loads of two ships alongside，and obtains the current loads with consideration of the shadow effect by simulation and formula calculation.

shadow effect；alongside；current loads

U661.3

A

1001-9855（2013）03-0001-06

2012-11-02；

2012-11-23

秦飛（1987-），男，在讀碩士研究生，研究方向：船舶與海洋工程設(shè)計(jì)。

王平（1968-），男，博士，研究員，研究方向：船舶與海洋工程設(shè)計(jì)。