浅水效应对船舶阻力及流场特性的影响研究

谢振 吴为 范吴斌

摘 要：众所周知，当船舶在水中航行时，水的阻力将影响船舶的速度。当海浪从深海向浅海或浅海航行时，浅水效应将对船舶的速度、阻力和船体产生一定的影响，从而影响船的操控等多个方面。

关键词：浅水效应；船舶阻力；研究与分析

引言：

本文为探究浅水效应对于船舶阻力及流场特性，结合了RANS方法，通过改变相应的水池水位，探讨水位变化对船舶阻力和流场特性的影响。实验发现浅水效应的影响主要与水深吃水比，与Fh=V/gH有关，下面就具体情况列出具体分析。

一、浅水效应

浅水效应是指浅水中较大的附属物，随着水深与吃水比的减小，大附属物的运动特性将发生很大变化。造成这种现象的主要原因是船舶运行过浅或船舶速度比较高。在浅水中航行的船舶由于船体本身速度较大，但此时水的流速较小，所以导致船舶与水的相对速度较大，并且船舶在航行过程中其船型波被浅水海域内的浅水波所影响，使得船舶的航行状态以及船舶外侧的受力状况都发生了不同程度的改变。

二、横向阻力增加及船速下降

一艘船的航行非常复杂。它不仅需要驾驶员熟练的驾驶技巧，同时还要有快速应变的能力。船舶因为运送货物，经常会航行在各个港口或近海等地方，而在这些地方航行时与船舶在深海里航行时所运用的动力系统是完全不同的，船舶在浅水中航行具有特殊的水动力性能。当船舶在深水中航行时，其船首或船尾的水流以三个维度的流动为特征。弓向两侧，也有向下的运动，并有向下突出的特点；船尾从两侧向纵剖面，向上运动，并有明显的向上運动。但由于浅水区域对于三维空间内水的流动的限制，使得船头与船尾的部分的水的流动不得不转化为二维平面式水流动方式，这样就产生了不同水深区域内水的压力对于船体本身的影响的问题。当一艘船在浅水中以较低速度滑行时，船体底端与河床之间形成了狭窄的水道，使得船低的流速增大。

三、计算机模型的建立

（一）研究对象

基本守恒定律质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律，由于水本身作为一种不可以进行压缩的液体，可以只考虑质量守恒方程以及动量守恒方程。在确立研究对象时，本文以KCS集装箱船为研究对象来讨论船舶阻力与水深的关系。KCS集装箱船的具体参数是垂线间长为7.28米，最大船宽1.02米，吃水0.34米，湿表面积为9.44平方米，方形系数0.65，雷诺数1.4乘以十的七次方，傅汝德数0.26，进速为2.196.

边界的入口采用速度入口，速度为2.196米每秒，出口采用压力出口，出口压力为10千帕。

四、计算结果分析

（一）浅水阻力的分析

船舶在航行时，会在浅水中产生浅水效应，浅水阻力和相关影响很大。接下来就船舶在浅水区域内航行的某些注意事项进行分析：首先船舶在行驶在浅水区域内应该以较低速度行驶，尤其是大型船舶更应注意水深对于船体下沉等的问题。在浅水中航行要防止吸底和损坏螺旋桨问题，因为船舶在通过浅水水域时必须要以低速航行，面对一些船底较平，线型丰满的船舶，浅水效应对于船舶阻力的影响非常明显，一旦船速过高，可能会导致吸底或螺旋桨损坏的情况出现，这就要求船舶的驾驶人员需要熟练的掌握应对穿过浅水区域航线的相关操作办法。有关数据分析得出，在航行水深比十倍吃水大时，船舶阻力受水深变化影响较小可以忽略不计，此时不考虑浅水效应的发生。阻力系数与吃水深度成反比，即单侧增大，另一方在减少，当水深下降到四倍吃水时，船舶的阻力成直线增大，所以可以得出，在船舶行驶到较浅海域时对于船舶的阻力性能都会产生较大的影响。

（二）抽吸力对比分析

根据伯努利方程，流速增加，压力减小，因此底部的吸力垂直于水线。当船舶在浅水区滑行时，底部与航道之间的缝隙较窄，因此根据相关实验数据表明，垂直于水线的吸力变化和船舶阻力与变化的趋势基本相同。当航行水深大于水的十倍时，基本上保持垂直于水线的吸力，稳定状态，而当小于时，垂直于水线面的抽吸力随水深的变化就会比较明显。由此得出，船舶阻力的增减变动与垂直于水线面的抽吸力有着密不可分的关系。

（三）伴流场对比分析

KCS是一艘单桨船，对于单浆船来说，螺旋桨在船后工作，螺旋桨的运行将受到船体本身的影响。流场中的尾流信息是检验船舶水动力性能的重要依据。因此，对于水域深度与浆盘面伴流场的关系就显得尤为重要。浆盘面平均伴流分数的变化规律是水深与伴流分数呈反比例函数，即一方增大，另一方减少，也就是说造水深增大时，其伴流分数逐渐减小，在水深减小时，其伴流分数逐渐增大。随着水深的不断减小，船底的速度不断增大，这种速度被称为回流速度，本身船体与水域就会形成狭窄的水道，而水的粘性使得船舶的船底流速增大、从而导致船体下沉、吃水量增加进而导致船舶在水中的阻力更大。

结束语：

本文结合KCS集装箱船作为基础模型，分析了模型在不同水深下的船舶阻力及流场特性的影响，从计算机模型的建立到相关参数分析，再到计算结果中对于浅水阻力、抽吸力对比以及伴流场对比的相关分析得出了不同情况下浅水效应对船舶阻力及流场特性的结论，即随着水深的减小，阻力在不断增大，并且水深在减小的过程中抽吸力不断增加，增幅也越来越大，浆盘面各方向伴流分数呈增大趋势，不过浅水效应对于船舶阻力还有许多其它方面的影响，需要进一步探索。

参考文献：

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