【CAE案例】通過船只對(duì)水面高程的影響分析

CAE璐姐

2023年1月19日 15:46

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研究背景

內(nèi)河航運(yùn)是一種歷史悠久的運(yùn)輸方式，價(jià)格低廉，吞吐量大，在運(yùn)送大宗商品時(shí)具備獨(dú)特的優(yōu)勢，對(duì)沿岸港口城市的發(fā)展有著巨大的助力作用。從世界內(nèi)河貨運(yùn)量來看，長江水系，珠江水系，京杭運(yùn)河均是排名靠前的航段。大型貨輪在內(nèi)河航行時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大尾流，改變一定范圍的水位，流速，以及水流沖擊力，可能會(huì)對(duì)港口內(nèi)正在停泊的船只造成不良影響。為了保證航運(yùn)的長期穩(wěn)定運(yùn)營，有必要研究船只通行對(duì)水面的影響，這便需要用到水動(dòng)力模擬軟件對(duì)相關(guān)河道進(jìn)行仿真計(jì)算。

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案例展示

來自英國的研究員們運(yùn)用open TELEMAC軟件，在目標(biāo)港口周圍，總長約為25公里的水域建立模型，對(duì)一系列情景進(jìn)行了測試，如過往船只的數(shù)量、速度、船只之間的距離，以模擬多種因素對(duì)港口水面狀態(tài)的影響。南端為海口，南北測均有一組測點(diǎn)，各裝有兩個(gè)和三個(gè)測量計(jì)，可提供測深，水位，流速等數(shù)據(jù)。模型情況如下圖所示。

【CAE案例】通過船只對(duì)水面高程的影響分析的圖1

圖 1：TELEMAC-3D模型范圍及測站分布（黑點(diǎn)為相鄰測量點(diǎn)）

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模型設(shè)置

研究員們選用了TELEMAC-3D模塊，以保證移動(dòng)船體附近模擬結(jié)果的穩(wěn)定性。在航段的上下邊界區(qū)域，各用一組河道斷面測深數(shù)據(jù)來描述淺水邊緣的河底情況。在船只通行的航段中心部分以及關(guān)心的港口區(qū)域，網(wǎng)格大小為5m，而在靠近兩岸的淺水部分，網(wǎng)格大小會(huì)設(shè)置為10m。經(jīng)敏感性分析后得出，流場在豎直方向上變化不大，故僅設(shè)定了三層平面網(wǎng)格以簡化模型。最終建成的網(wǎng)格下圖所示。

【CAE案例】通過船只對(duì)水面高程的影響分析的圖2

圖2：研究港口附近加密的模型網(wǎng)格

移動(dòng)船只對(duì)水體的影響是通過在表面上施加一個(gè)與船體形狀相對(duì)應(yīng)的壓力場實(shí)現(xiàn)的，所施加的壓力與船體在水面以下的深度成正比，公式如下：

【CAE案例】通過船只對(duì)水面高程的影響分析的圖3

其中：

P為壓力 [N/m2]

ρ為水體密度 [kg/m3]

g為重力加速度 [m/s2]

d為船體在水面以下的深度 [m]

04 模型驗(yàn)證

選取兩艘貨輪，船甲和船乙，它們?cè)谕ㄟ^港口時(shí)，其船舶特性和運(yùn)動(dòng)信息等都被南北兩側(cè)的觀測站記錄了下來。在TELEMAC-3D模塊中模擬兩艘船的運(yùn)行情況，模擬出的表面高程以及速度數(shù)據(jù)與實(shí)測情況比較，從而對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。

船甲為長250米，寬41米，吃水12米的油輪，在無潮時(shí)期向北航行。該船以8.6節(jié)的速度經(jīng)過南區(qū)，以8.3節(jié)的速度經(jīng)過北區(qū)。船只的運(yùn)行軌跡并未提供，故模型中簡單設(shè)置為，沿河道中心線向西偏25m的路線前行。圖3到圖7顯示了預(yù)測和實(shí)測水面高程的對(duì)比。

對(duì)于南端的1，3號(hào)水位計(jì)，模型在水位下降和隨后上升的開始段與觀測結(jié)果相匹配，但在后期沒有上升到觀測前的水平。

【CAE案例】通過船只對(duì)水面高程的影響分析的圖4

圖 3：船甲，高程實(shí)測值和模擬值的時(shí)間序列，南端1號(hào)水位計(jì)（藍(lán)色：觀測數(shù)據(jù)，紅色：模擬數(shù)據(jù)）

【CAE案例】通過船只對(duì)水面高程的影響分析的圖5

圖 4：船甲，高程實(shí)測值和模擬值的時(shí)間序列，南端3號(hào)水位計(jì)（藍(lán)色：觀測數(shù)據(jù)，紅色：模擬數(shù)據(jù)）

南端2號(hào)水位計(jì)處，模型高程的下降與觀測結(jié)果吻合基本一致，但模型水位的上升比觀測結(jié)果要晚。

【CAE案例】通過船只對(duì)水面高程的影響分析的圖6

圖 5：船甲，高程實(shí)測值和模擬值的時(shí)間序列，南端2號(hào)水位計(jì)（藍(lán)色：觀測數(shù)據(jù)，紅色：模擬數(shù)據(jù)）

船乙為一艘長250米，寬42米，吃水11米的船，行駛方向與船甲一致。這艘船當(dāng)時(shí)正以8.2節(jié)的速度經(jīng)過南區(qū)。圖8至圖10顯示了預(yù)測水位和實(shí)測水位的對(duì)比。從圖8可以看出，該模型在南端1號(hào)水位計(jì)處的水位下降和隨后的上升與觀測結(jié)果非常吻合。

【CAE案例】通過船只對(duì)水面高程的影響分析的圖7

圖 6：船乙，高程實(shí)測值和模擬值的時(shí)間序列，南端1號(hào)水位計(jì)（藍(lán)色：觀測數(shù)據(jù)，紅色：模擬數(shù)據(jù)）

在南端相鄰的兩個(gè)水位計(jì)處，模型的下降和上升幅度與觀察值有一定出入。回升后水位的平均高度相差不大，模擬值序列較好的表現(xiàn)了波浪在岸邊處的波動(dòng)趨勢。

圖 7：船乙，高程實(shí)測值和模擬值的時(shí)間序列，南端2號(hào)水位計(jì)（藍(lán)色：觀測數(shù)據(jù)，紅色：模擬數(shù)據(jù)）

【CAE案例】通過船只對(duì)水面高程的影響分析的圖9

圖 8：船乙，高程實(shí)測值和模擬值的時(shí)間序列，南端3號(hào)水位計(jì)（藍(lán)色：觀測數(shù)據(jù)，紅色：模擬數(shù)據(jù)）

最后，比較水深0.6m處的流速情況，如圖9所示，預(yù)測的峰值速度值略小于觀測到的峰值。考慮到觀測到的速度會(huì)受到噪聲影響，且數(shù)值約為0.3 m/s，若將這個(gè)平均速度加到預(yù)測值上，那么預(yù)測結(jié)果和觀測數(shù)值之間的差異性將大幅減少。

【CAE案例】通過船只對(duì)水面高程的影響分析的圖10

圖 9：船乙，水深0.6m處，水流速度實(shí)測值和模擬值的時(shí)間序列，南端1號(hào)水位計(jì)

模型驗(yàn)證結(jié)論

考慮到在運(yùn)行模型時(shí)所提供的信息是有限的，例如大范圍的淺水測深數(shù)據(jù)，以及船舶軌道等。模型能較好吻合實(shí)測值的趨勢，已能代表很高的準(zhǔn)確性。TELEMAC-3D模塊驗(yàn)證的總體結(jié)論是，模型很好地再現(xiàn)了區(qū)域的水位變化和速度分布，可信度較高，可以進(jìn)行進(jìn)一步的船只通行模擬。

05 船只通行研究

為了更好地了解各因素，如船只間的相互作用和接近泊位時(shí)的減速狀況，對(duì)水面狀態(tài)的影響，研究員利用TELEMAC-3D模塊，對(duì)一系列場景進(jìn)行了模擬，各研究點(diǎn)如下：

不同船速下，船只對(duì)水位的影響
不同減速距離下，船只對(duì)水位的影響
漲退潮與船只運(yùn)行方向的關(guān)系，對(duì)水位的影響

（1） 設(shè)置了三種船只的通過情況：單船通過，兩艘船間隔1海里通過，以及間隔2海里通過，并將速度分別設(shè)置速度為3節(jié)和4節(jié)，觀察船只行進(jìn)速度對(duì)水位的影響。以4節(jié)行駛，自由水面高度明顯較3節(jié)會(huì)更高（見圖11），且兩艘船只連續(xù)通過所造成的水位疊加效應(yīng)，使水位變化的更加明顯，如圖中綠色和深紅系列所示。

【CAE案例】通過船只對(duì)水面高程的影響分析的圖11

圖 10：船速3節(jié)的港口水位模擬值。藍(lán)色:1艘船、綠色:2艘船間隔1海里、深紅:2艘船間隔2海里

【CAE案例】通過船只對(duì)水面高程的影響分析的圖12

圖 11：船速4節(jié)的港口水位模擬值。藍(lán)色:1艘船、綠色:2艘船間隔1海里、深紅:2艘船間隔2海里

（2） 科學(xué)技術(shù)不同減速距離對(duì)水位的影響，也很明顯。從8節(jié)減速至3節(jié)的模擬結(jié)果如下圖所示。圖12顯示了從港口上游1.5海里處就開始減速的結(jié)果，而圖13顯示了從上游2.5海里處開始減速的結(jié)果。兩組結(jié)果顯示，與一艘船相比，兩艘船通行時(shí)會(huì)對(duì)減速距離更加敏感。1.5海里和2.5海里的兩個(gè)減速距離，綠線和深紅線都出現(xiàn)了明顯的起伏，而代表單艘船只的藍(lán)線，變化則不大。

【CAE案例】通過船只對(duì)水面高程的影響分析的圖13

圖 12：1.5海里內(nèi)，8節(jié)減速至3節(jié)的港口水位。藍(lán)色:1艘船、綠色:2艘船間隔1海里、深紅:2艘船間隔2海里

【CAE案例】通過船只對(duì)水面高程的影響分析的圖14

圖 13：2.5海里內(nèi)，8節(jié)減速至3節(jié)的港口水位。藍(lán)色:1艘船、綠色:2艘船間隔1海里、深紅:2艘船間隔2海里

（3） 潮水方向與船只航行方向的關(guān)系，也會(huì)對(duì)港口的水位產(chǎn)生明顯影響。可通過在模型上下游兩端設(shè)置的水位差，形成固定速度的潮水流動(dòng)。經(jīng)測試后設(shè)置模型兩端的邊界條件，在無潮水影響的水位基礎(chǔ)上，北部升高0.15米，南部降低0.15米，即可在全河段形成速度約為1.5節(jié)的退潮狀態(tài)；做相反的水位調(diào)整，可獲得相似的漲潮狀態(tài)。下圖中，藍(lán)色時(shí)間序列均為無潮狀態(tài)下船只以4節(jié)速度出海，對(duì)港口的水位影響，深紅色的時(shí)間序列，為受退潮或漲潮影響下的水位相對(duì)變化。可發(fā)現(xiàn)，在船只行進(jìn)方向與潮水方向一致時(shí)，港口水位與無潮影響相比會(huì)普遍偏低；與潮水方向相反時(shí)，水位會(huì)普遍更高。

【CAE案例】通過船只對(duì)水面高程的影響分析的圖15

圖 14：單船4節(jié)速度出海，對(duì)港口水位的影響。藍(lán)色:無潮水影響、深紅:以1.5節(jié)速度退潮

圖 15：單船4節(jié)速度出海，對(duì)港口的影響。藍(lán)色:無潮水影響、深紅:以1.5節(jié)速度漲潮

案例小結(jié)

使用TELEMAC-3D模塊進(jìn)行了模型計(jì)算，以模擬通過船只對(duì)水面高度的影響。首先對(duì)有實(shí)測數(shù)據(jù)的運(yùn)行場景進(jìn)行了模擬，以評(píng)價(jià)模型的準(zhǔn)確性。在驗(yàn)證了該模型計(jì)算結(jié)果與測量值具有良好一致性后，對(duì)一系列場景進(jìn)行了模擬，以預(yù)測港口處水面高度受過往船只數(shù)量、間隔距離、減速距離、潮汐作用的影響而變化的情況。

與單艘恒速通過的船只相比，有船只同行和在上游減速這兩個(gè)因素，會(huì)導(dǎo)致港口內(nèi)船舶顛簸加劇，系泊力明顯上升，在安全設(shè)計(jì)時(shí)要格外注意。

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研究結(jié)論

本研究利用TELEMAC-3D模塊中水動(dòng)力模擬的功能，通過設(shè)置與船體情況相似的壓力驅(qū)動(dòng)項(xiàng)，向河道模型中引入了通行船只對(duì)水位的影響，從而評(píng)估了港口內(nèi)停泊點(diǎn)的水位狀態(tài)及安全性。除了TELEMAC-3D模塊中可模擬出的水位高程和速度兩種要素值，還可通過與其他模塊的耦合，得到波浪高度，搖擺力，偏航力矩等狀態(tài)數(shù)值，作為船舶動(dòng)態(tài)系泊模型的輸入數(shù)據(jù)。在open TELEMAC中對(duì)25km航道進(jìn)行模擬，把船只方向、速度、間隔距離、潮汐作用等因素的影響，復(fù)現(xiàn)在模型中，可以得到水位、波浪方向、搖擺力、偏航力矩等狀態(tài)數(shù)值，為航道狀態(tài)分析、港口系泊計(jì)算提供可信數(shù)據(jù)支撐。