内河通航船舶操纵性指数的理论计算及模拟计算研究

摘要

近年来，我国航运事业正随着世界航运事业的蓬勃发展而迅速崛起。我国内河航道通航里程达13.3万公里，约占河流总长的32％。全国内河港口1300多个，其中万吨级泊位达200多个，水上综合运输能力位居世界第一。经过多年的建设与发展，长江干线已成为世界上水运最为繁忙和运量最大的河流，尤其是三峡工程竣工蓄水以后，使得长江上游内河航道的水位升高、水面增宽，一些万吨级的船队都可以顺利通航，更使由内陆至沿海的水上交通尤为便利。但是我国内河航道大都曲折多变，水流条件复杂，一旦发生撞船、触礁等事故，尤其是原油、化学品等的泄露，不但造成环境污染、生态破坏，也给沿江人民的生活带来最直接的巨大影响。所以保证内河航道船舶的通航安全是至关重要的。采用小尺度自航船模研究内河航道船舶通航条件，是当今航运发达国家采用的一项新技术，它能更真实更直观的反映航道的通航条件，是提高内河通航条件研究质量的有效手段。已在我国三峡等内河通航研究中发挥了重要作用。采用小尺度自航船模研究通航问题需要满足一定的通航条件，除了几何相似、排水量相似和动力相似外，有一个重要环节就是要满足船模和实船的操纵性能相似。由于尺度效应等的影响，小尺度自航船模的操纵性能和实船存在偏差，这需要获得实船的K、T等操纵性能指数以便作为船模操纵性能率定和修正的依据。通常的做法是采用实船试验得到实船的操纵性能指数K、T。但是，由于客观条件的限制，往往无法通过实船试验取得K、T指数。所以，通过模拟计算的方法获得实船K、T等操纵性能指数，作为船模操纵性能率定和修正的依据就变得格外有意义。
　　 本文为获得真实的实船操纵性指数，根据目前对船舶操纵性研究的一些前沿研究理论和船舶操纵性水动力导数的公式推导，从船舶受力的根本出发，结合部分经验公式，列出船舶操纵性运动方程式，并利用高精度的四阶龙格库塔法编制计算机程序参照实船参数进行仿真模拟计算。另外结合自航小尺度船模的研究试验，分析舵面积对船舶操纵性的影响限制，找出舵与船舶操纵性之间的相互关系，以便于舵与船舶进行最佳的配置，从而为提高船舶的操纵性能提供参考。通过Microsoft Visual Basic程序仿真模拟计算得出的船舶操纵性运动(10°)Z形曲线与实船试验的(10°)Z形曲线大致相同，获得的K'，T'指数存在一定的偏差，K’指数的最大偏差为-2.52％、最小偏差为-1.34％，T’指数的最大偏差为-8.22％、最小偏差为+2.76％。取得了比较理想的结果，可以作为船模率定的参考依据。在分析舵面积与船舶操纵性的关系上，发现舵面积不是越大船舶的操纵性就越好，舵面积与船舶之间存在一个临界值，要根据船舶的形状、船舶的吃水等方面的影响，来确定舵与船舶的最佳配置。