一体船主推及侧推尾流对基槽和边坡影响分析
时间：2023-04-20 20:35:03 来源：千叶帆 本文已影响人
潘伟
（中交第一航务工程局有限公司，天津 300461）
近年来，为了满足国民经济发展需要，我国船舶日趋大型化、高速化，引擎功率大幅提升。船用螺旋桨尺寸加大、螺旋桨推力的增加导致船舶尾流流速不断增大，船舶尾流导致的基槽边坡及碎石基床的破坏成为威胁码头安全的主要问题之一。欧洲科学家针对船舶尾流及其对码头稳定性的研究起步较早，并已取得大量成果：Hamill G A等[1]针对螺旋桨尾流最大速度的影响因素进行一系列试验，为螺旋桨射流理论的深入研究提供了有力参考；
Verhey H J[2]研究了底部和堤岸的稳定性螺旋桨射流引起的速度，并提出了一种预测机动螺旋桨尾部近似速度的方法；
Muscari R等[3]基于数值模型，对船舶螺旋桨的尾流进行分析，并通过采用DES方法有效提高了数值模型的精度；
Ahmed S等[4]利用大涡模拟对基准船螺旋桨尾流特性进行了评估并确定了导致尾流崩溃的不稳定机制。然而，由于中国航运业起步较晚，在中国港口、海岸的工程设计中，对船舶尾流作用考虑甚少。随着近年来工程项目的迫切需要，才逐渐开展了船舶尾流的相关研究：2010年梁鹏飞[5]总结了螺旋桨射流流速分布的基本规律，并提出一组用于描述船舶尾流流速分布的经验公式；
侯连青等[6]通过对螺旋桨射流在沉管或沉箱上的尾流作用力进行理论计算和分析，为沉箱、沉管浮运提供计算依据；
顾铖璋等[7]采用数值分析方法，预测某船用螺旋桨的敞水性能，系统分析不同螺距下螺旋桨推力因数、扭矩因数和表面压力因数的变化以及尾流情况；
张宝华等[8]采用先进的多普勒点式流速仪测量基床抛石前缘和后缘的流速，得到能够对块石基床稳定性造成破坏的流速指标，并验证了模型研究成果的可靠性。
本文基于三维有限元计算方法，依托深中通道工程，针对沉管浮运安装阶段一体船在倒车航行过程中产生的尾流开展数值模拟试验。通过流速、压力、涡系的分布和滚石分析，全面评估推进装置尾流对基槽边坡及碎石基床的影响，为实际施工、船舶设计提供参考。
深中通道全长约24 km，其中沉管段长度5 035 m，沉管结构拟采用钢壳混凝土管节或钢筋混凝土管节，通过一体船实现沉管的运输和安装。本文依托深中通道工程，以实际工况建立数值模型进行分析计算。其中几何模型主要包括一体船船体、沉管、主推、侧推和基槽5个部分。其中，一体船船体按照其设计尺寸进行建模，船体总长190.4 m，总宽75 m，型深14.7 m，沉管管节尺寸为165 m×46 m×10.6 m，如图1所示。
图1 一体船及沉管示意图Fig.1 Schematic diagram of integrated ship and immersed tube
2.1 数值模型的建立
船首和船尾的布置如图1所示。主推在船尾，以前进方向区分左右，因此有艏左侧推、艏右侧推、艉左侧推、艉右侧推、主推。图2绘制了主推桨叶的几何外形。在实际的计算中，主侧推会有2°的后倾。同时，在倒车状态下，主推会通过旋转桨叶调整螺距，桨叶有-45°的转角。此时主推为反螺距，一体船倒车航行。
图2 主推桨叶的几何外形Fig.2 The geometry of the main thruster blade
根据深中通道工程的实际工况，选取E18管节未安装段（以下简称E18管节段）基槽和边坡的实测尺寸数据，建立其基槽模型如图3所示。
图3 E18管节段基槽建模Fig.3 Modeling of the base groove of the E18 tube section
E18管节段基槽平缓，深度为21.877～21.707 m。模型在轴向对基槽与边坡做了延伸，以适应计算所需区域范围。
数值计算按照一体船的实际尺寸开展，计算域的轴向长度为1 700 m，横向宽度为700 m。在一体船中心与基槽中心之间设置10 m的偏移，使一体船一侧尽量靠近边坡。在主推导管附近，艏艉侧推孔附近，特别是尾流区域进行了网格加密。在尾流可能产生影响的基槽和边坡位置，同样也做了网格加密。计算网格总数为900万。
2.2 数值模拟试验设置
模型基于实尺度、全黏流、非定常的计算条件，对一体船带沉管倒车状态下，主、侧推尾流对基槽边坡及基床的影响进行数值分析[9]。一体船主推与侧推同时工作时，主推功率为3 000 kW，2台艏侧推功率为3 000 kW，2台艉侧推为2 600 kW，绝对航速分别按照1.2 kn，1 kn，0.8 kn，0.6 kn进行计算。时间步长取0.02 s。一体船和沉管的横向摆动位置按照10 m考虑，即与一侧边坡尽可能的靠近，而船体的轴向位置为沉管安装位置。
为了控制计算耗时，主推模拟采用虚拟盘（virtual disk）技术，由于在倒车计算中，需要用到推进器的敞水曲线。依照提供的主推导管桨的外形，计算了桨叶旋转-45°，负螺距状态下的敞水性能。导管桨调距-45°时的敞水效率计算结果及相关参数如表1所示。
表1 导管桨调距敞水效率计算结果及相关参数（调距-45°）Table 1 Calculation results and relevant parameters of open water efficiency of ducted propeller with pitch control(pitch control-45°)
表1中，J为进速系数，J=V/nD，其中：V为来流速度；
n为桨转速；
D为桨直径。Kt为推力系数，Kt=T/ρn2D4，其中：T为螺旋桨推力；
ρ为水密度。Kq为扭矩系数，Kq=Q/ρn2D5，其中：Q为螺旋桨扭矩。η0为敞水效率，η0=Kt.J/（Kq.2仔）。
一体船艏艉侧推的推力和扭矩以品质系数进行估算。设艏艉侧推的品质系数ηm为1.3，故螺旋桨的推力公式为：
艏艉侧推的扭矩可以通过转速功率得到。具体数值见表2。
表2 艏艉侧推推力扭矩值Table 2 Side thrust torque of bow and stern
由于自由液面对于主推以及艏艉侧推的流场影响可以忽略，因此在计算域的设置中仅考虑了一体船及沉管的水下部分。
3.1 速度分析
由于一体船的倒车航速远小于主、侧推尾流流速，4种航速下的速度分布特性呈现出了类似的特性，因此以1.2 kn试验结果为例进行分析。
如图4所示，E18管节段后艏侧推的尾流直接作用于边坡的坡顶附近，受边坡斜率的影响，后艏侧推尾流区产生了漩涡结构。此外，由于边坡坡顶离自由液面很近，在狭窄的流道中，产生了流速增大的现象。
图4 后艏侧推速度矢量图（1.2 kn）Fig.4 Side thrust velocity vector diagram of rear bow(1.2 kn)
由图4可见，后艏侧推的尾流场并没有直接影响到边坡，由于受到了浅基槽以及沉管的阻塞效应，故边坡区域的漩涡结构不显著。艏部侧推的尾流，受到偏向自由液面的主推尾流的扰动，其流速的主要影响区域集中在自由液面附近。但是由于基槽深度较浅，尾流的加速作用对边坡也有一定影响。流场的高速区集中在侧推以及自由液面的附近。受到主推轴向尾流的作用，后艏侧推附近的流向产生了明显的偏转。
由速度矢量图可知，主推的尾流向远离船体方向扩散。路径会略微的偏向自由液面。尾流与船体相互作用，产生了一系列的漩涡结构。另有部分的尾流则直接打在船体的表面。
3.2 压力分析
试验发现，4种航速下的压力分布无明显差异，因此这里选取航速为1.2 kn的试验结果进行分析。如图5所示，侧推尾流受边坡影响出现了明显的涡结构，随之产生了一组涡心低压和驻点高压。由于E18管节段具有基槽浅、边坡长，坡顶离自由液面近等特点，因此具有明显的流道收缩，使得坡顶附近的局部高压区域更加明显，并且压力沿侧推尾流方向逐渐传播。此外，由于受到基槽及沉管的阻塞作用，后艏侧推的尾流受到限制，因此其在坡顶位置形成的高压峰值较低。
图5 后艏侧推压力云图（1.2 kn）Fig.5 Side thrust pressure cloud map of rear bow(1.2 kn)
后艏侧推的尾流在自由液面的附近形成了一组涡系结构，呈现出高、低压交错的形态。由于侧推离边坡的距离较近，涡系的压力变化也会反映在边坡的压力分布上。艏侧推对基槽的影响较弱。艏部主推尾流在船体附近形成涡系，部分作用在船体的尾流产生局部高压。总体上主推尾流的压力演化对基槽压力的改变不明显。
由图5可见，由于E18管节段边坡、基槽与船体距离较近，艏侧推尾流在边坡上产生了明显的高压，高压区的范围仍旧在边坡坡顶的附近。此外，船首区域涡系产生的压力变化，也反映在边坡的压力分布中。
3.3 涡结构分析
4种倒车航速下，涡系结构特征大致相同，这里采用1.2 kn航速的数值模拟结果进行分析，见图6。流场扭矩值的等值面表征了涡系的发展。E18管节段艏部侧推涡主要集中在侧推孔内。而船首区域由于主、侧推尾流场相互作用，舵和导管扰动显著，涡系结构十分复杂。
图6 一体船艏部扭矩图（1.2 kn）Fig.6 Torque diagram of bow of integrated ship(1.2 kn)
3.4 滚石分析
试验发现，4种航速下试验结果的滚石分布特征较为类似，因此以1.2 kn试验结果为例，对一体船在E18管节段，主、侧推尾流对碎石的影响进行分析。如图7所示，在船尾右侧附近，受到艉部侧推尾流的影响，边坡区域靠近坡顶的位置流速较大。而在船尾左侧，仅主推工作，因此船体附近的流速较大，并且沿船尾右侧逐渐扩散。船尾流速的轴向视图显示，虽然艉侧推对边坡的影响范围较大，但主侧推及艉侧推的尾流并未引发基槽碎石的滚动。
图7 左侧船尾速度切片（1.2 kn）Fig.7 Left stern speed slice(1.2 kn)
船尾侧推尾流区域在E18管节段边坡的影响范围较大。但在基槽处的速度并未超过碎石稳定的临界速度。总体上，一体船以1.2～0.6 kn航速倒车航行时，侧推尾流对边坡的影响范围显著增加。流场中，达到滚石临界速度的区域也更加靠近基槽，但不会引起基槽碎石的滚动。
本文采用非定常黏流计算方法，针对一体船在倒车航行过程中产生的尾流开展数值模拟试验分析。通过测试4种倒车航速，主、侧推同时工作的情况下，主、侧推尾流附近的速度、压力以及涡系的分布情况，综合评估实际工况下，一体船尾流对基槽和边坡的影响，并对基槽碎石进行滚石分析，得到主要结论如下：
1）一体船的艏部侧推尾流直接作用于边坡，影响范围比较大，边坡上驻点高压的峰值更高。主推与艉部侧推尾流相互作用形成的涡系结构，也会影响边坡的压力分布情况。
2）滚石分析表明，一体船艏、艉侧推和主推的尾流对基槽的影响较弱，基槽附近的流速不会使碎石发生滚动。由于E18管节段的基槽较浅，因此流场中达到滚石临界速度的区域离基槽较近。
3）考虑到真实海况的影响（浪、流等），一体船的航行路线以及数值计算的误差等因素，实际工作状态下基槽碎石是否发生滚动，还需要开展进一步的模型试验分析。
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