波浪作用下系泊船舶运动计算

长周期波浪对船舶系泊稳定影响的研究
近些年来,由于我国具有优良修建港口条件的岸线资源基本枯竭以及船舶大型化的要求,越来越多的港口选择建设在远离岸线的深水开敞水域。

另外,中国工程公司的国际化步伐加快,越来越多濒临大洋的国外港口项目由中国企业承担设计建设工作。

与此同时,这些离岸的深水港面临着比传统沿岸港口更加恶劣的自然条件的影响。

尤其是由外海传来的长周期波浪会导致系泊船舶产生大幅运动,国内外一些港口多次发生断缆事故,严重影响码头作业及安全。

因此,长周期波浪如何影响系泊船舶稳定成为一个极其关键的问题。

由于泊稳问题是一个系泊体系、缓冲体系和靠泊结构共同作用的复杂问题,以往的研究大都通过具体工程的模型试验进行,也从中得到了不少关于波浪作用情况下船舶运动量、系缆力以及船舶撞击能量的研究成果。

然而,限于实施模型试验的实际工程背景,现在仍然缺少对于周期大于10秒的较长周期波浪对于系泊船舶影响的研究。

本文在对系泊船舶在波浪作用下的船舶系缆力、运动量和对码头的撞击能量进行文献综述性研究的基础上,依托于大连港老港区某散货码头搬迁改造改扩建工程3#泊位的系泊物理模型试验资料,使用国际上著名的船舶系泊分析软件OPTIMOOR,对设计船型之一的20万吨级散货船建立系泊的数学模型,研究不同的波浪周期(5-25秒)、波高以及波浪方向对于船舶系缆力和运动量的影响。

其中,主要关注船舶系缆力和运动量对于波浪周期变化的响应情况以及长周期波浪作用下系泊船舶的系泊响应情况,为受波浪影响作用较强的开敞式码头相关设计管理人员提供一定参考。

船舶阻力数值计算1.船体阻力的计算船体阻力是船舶行驶时由于水的粘性作用在船体表面产生的阻力。

常用的方法有几种，其中一种是波尔根公式：R=К*S*V²其中，R表示船体阻力，К为波尔根系数，S为船体湿表面积，V为船舶的航行速度。

2.波浪阻力的计算波浪阻力是船舶行驶时由于船体在海水中的波浪作用下产生的阻力。

波浪阻力一般可以通过计算波浪幅度的方法来获得，其中较为常用的是费尔康普公式：R_wave = К_wave * ρ * g * A_wave * L / 2其中，R_wave表示波浪阻力，К_wave为波浪阻力系数，ρ为水密度，g为重力加速度，A_wave为波浪振幅，L为船长。

3.粘性阻力的计算粘性阻力是由于水分子的粘性作用在船体周围产生的阻力。

根据流体力学的相关理论，可以通过雷诺数来计算粘性阻力。

一种常用的计算方法是维塔公式：R_viscous = К_viscous * μ * V * S / L其中，R_viscous表示粘性阻力，К_viscous为粘性阻力系数，μ为水的黏度，S为船体湿表面积，L为船长。

4.附加阻力的计算附加阻力是由于船舶与船艏、船尾以及侧板、船舶结构等水流非均匀情况下的相互作用而产生的阻力。

附加阻力的计算比较复杂，常常需要通过模型试验或者计算流体力学模拟方法来进行。

其中一种常用的方法是简化模型试验法，通过对一系列模型试验的数据进行曲线拟合，得到附加阻力的数学模型。

总结起来，船舶阻力数值的计算是一个相对复杂的过程，需要考虑船体阻力、波浪阻力、粘性阻力和附加阻力等多个方面。

这些阻力的计算方法也是不同的，从经验公式到数值模拟等各种方法都有。

在实际计算中，需要根据船舶的具体情况选择合适的计算方法，并结合实测数据或者试验数据进行验证，以保证计算结果的准确性和可靠性。

波浪作用下船舶系缆力的计算方法孟祥玮;高学平;张文忠;姜云鹏【摘要】According to test result of physical model on mooring force, the influence of ship feature and wave parameters on wave loading of mooring ship was analyzed and a new calculating method of total force induced by wave on the ship was proposed. Then a calculation method of mooring force induced by waves was put forward referring to the method of mooring force induced by wind and currents adopted by Load Code for Harbor Engineering (JTJ215-98). The examples indicated that the calculated results accorded with the test results very well. It was concluded that the new method could be a good reference for mooring force of ship design and fill the blank of Load Code for Harbor Engineering (JTJ215-98), which did not consider the calculation of mooring force induced by waves.%基于波浪作用下船舶系缆力的试验资料,分析了船舶特性、波浪参数对系泊船舶波浪力的影响规律,提出了作用于船舶上的波浪总力计算公式.参照《港口工程荷载规范》(JTJ215-98)由风和水流产生的船舶系缆力的计算方法,提出了由波浪产生的船舶系缆力的计算方法.算例表明,船舶系缆力的计算值与试验结果吻合较好.本方法可为工程设计中船舶系缆力的确定提供参考,填补了《港口工程荷载规范》(JTJ215-98)缺少波浪作用下船舶系缆力计算的空白.【期刊名称】《天津大学学报》【年(卷),期】2011(044)007【总页数】4页(P593-596)【关键词】船舶系缆力;波浪;计算公式【作者】孟祥玮;高学平;张文忠;姜云鹏【作者单位】天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津300072;交通部天津水运工程科学研究院,天津300456;天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津300072;天津港湾工程研究院,天津300222;交通部天津水运工程科学研究院,天津300456【正文语种】中文【中图分类】TV135.4停靠码头的船舶在风、浪、水流等因素的作用下，若运动量过大，不仅影响装卸作业安全，还影响自身以及码头结构的安全．通常停靠在码头的船舶需要用缆绳与码头上的系船柱或系船墩连接，以限制船舶的运动．船舶由于受自然、人工等因素作用使缆绳产生的拉力，即为系缆力．系缆力与船舶特性以及受到的风、浪、水流荷载有关．系缆力的大小直接影响船舶停泊、作业以及码头结构的安全．对于国内工程设计，船舶系缆力的计算是采用《港口工程荷载规范》[1](JTJ215—98)中的公式和方法进行的．但是，该规范仅给出了由风和水流产生的船舶系缆力的计算公式，而没有由波浪产生的船舶系缆力的计算公式，这给波浪作用下船舶系缆力的计算带来了困难．当然，重要工程的船舶系缆力还应通过模型试验进行验证[2-3]．笔者基于波浪作用下船舶系缆力的试验资料，参照《港口工程荷载规范》中系缆力计算公式的形式，提出由波浪产生的船舶系缆力的计算公式和方法，为工程设计中船舶系缆力的计算提供依据．在风、浪、水流等因素的作用下，靠泊码头的船舶受到的总荷载F，包括风荷载为F1、水流荷载F2和波浪荷载F3，即对于风荷载1F和水流荷载2F，《港口工程荷载规范》已有公式，这里仅对波浪荷载3F进行分析．作用于船舶上的波浪荷载，与波浪特性(波高、周期、波浪入射角度等)有关，同时也与船舶本身尺度(长度、宽度、吃水深度)、载度(满载、半载、压载)和运动特性(横摇、纵摇、升沉)等有关．显然，作用于船舶上的波浪荷载越大，船舶系缆力也就越大．大量模型试验结果表明，作用于船舶上的波浪荷载和船舶系缆力与以下因素有关．(1)波高．波高越大，作用于船舶上的波浪荷载越大，系缆力越大．系缆力与波高近似为线性关系．(2)波向．顺浪和斜浪作用时，船舶的运动量远小于横浪(波向与船舶纵轴线垂直)作用的情况．顺浪作用时，缆绳最大拉力远比横浪作用的小．(3)波周期．波浪周期不同，系缆力会发生变化．船舶的固有横摇周期与波浪周期接近时，船舶的横摇角较大．反之，波浪周期与船舶固有横摇周期相差越大，其横摇角也越小．船舶运动量大，必然导致系缆力增大．(4)船舶吨位．船舶吨位越大，系缆力越大．系缆力与船舶吨位基本上为线性关系[4]．(5)载度．系缆力随载度变化较大．载度较小，运动量较大，相应的系缆力也较大．同时，载度影响船舶的总排水量，进而影响船舶的横摇、纵摇特性．因此，作用于船舶的波浪荷载受吃水深度、横摇、纵摇等特性的影响．(6)水深．码头前沿水深不同，船舶系缆力变化不大．一般可按船舶正常停靠泊的水深考虑．(7)水位．水位不同，船舶运动量变化不大．但缆绳拉力和水位之间的关系比较复杂，主要是因为不同水位时缆绳与船舶形成的角度有所差别．因此，水位的影响可以归结到系缆方式的影响，即缆绳与船舶角度的差别．基于上述分析，建立作用于船舶上的波浪荷载的计算公式．作用于船舶上的波浪荷载以平行于船身的纵向力和垂直于船身的横向力表示．2.1 横向力计算公式这里依次考虑波高、波向、波周期以及船舶吨位、载度等因素的影响，而其他未能考虑的因素则用综合系数来体现．引入各因素的影响因子ki( i=1,2,3,···)和综合系数x，则横向力Fx表述为经验表明，波高对横向力的影响1k可表示为式中：H为入射波高，m；θ为波浪入射角度(波向与船舶纵轴线夹角)，(°)．考虑力的分解，波向对横向力的影响2k可表示为参照文献[5]中船舶横摇角计算公式，波浪周期、船舶载度对横向力的影响3k可表示为式中：ax为反映船舶横摇与波浪周期关系的参数； T为波浪周期，s；Tx为横摇周期，s；μx为船舶横摇无因次系数，为船舶排水量，t；W为f满载排水量，t．船舶吨位对横向力的影响4k用船舶迎浪面尺度可表示为式中：D为船舶吃水，m；L为船舶柱间长，m．整理式(1)～式(6)，考虑量纲一致引入gρ，得到横向力xF的计算式为式中：x为综合系数；ρ为海水密度，取1,025,kg/m3；g为重力加速度，取9.81,m/s2．2.2 纵向力计算公式同理，纵向力yF的计算式为式中：y为综合系数；ya为反映船舶纵摇与波浪周期关系的参数，；B为船舶型宽，m；yT为纵摇周期，s；yμ为船舶纵摇无因次系数2.3 综合系数的确定物理模型试验一般量测船舶系缆力，而不量测作用于船舶上的波浪荷载．因此，本文基于大量的船舶系缆力试验资料、对应船型及波浪条件，利用《港口工程荷载规范》船舶系缆力的计算方法，反算作用于船舶上的波浪荷载，进而得到综合系数．系缆力试验数据涉及到的船型有：8,000,m3、14,500,m3、20,000,m3液化天然气(LNG)船以及10×104,t、15× 104,t、25×104,t矿石船．船舶载度有满载、半载和空载3种情况．波高最小1.0,m、最大2.5,m．波周期最小6,s、最大14,s．波向有横向、纵向和斜向45°等情况．总的试验组次有上千组，其中有一些是研究型的系列试验数据，有一些则是工程设计的实际数据．计算分析大量试验资料表明，每种试验情况均可得到满足拟合精度的综合系数，同一模型试验中综合系数分散程度不大，说明经验公式从形式上是合理的．分析了国内多项工程模型试验资料及相应的计算结果，包括船型和综合系数以及阻尼系数值．选取了25种横浪和顺浪试验情况，得到综合系数的平均值为0.046，均方根0.050．综合系数取值：x＝0.05，y＝0.05．由波浪产生的船舶系缆力的标准值按以下步骤进行计算．(1)计算作用于船舶上的波浪荷载．按式(7)计算波浪对系泊船舶的横向力；按式(8)计算波浪对系泊船舶的纵向力．(2)计算船舶系缆力的标准值．借鉴《港口工程荷载规范》关于由水流和风产生的船舶系缆力标准值的计算方法，由波浪产生的船舶系缆力标准值的计算式为式中：N为系缆力标准值，kN；∑Fx和∑Fy分别为波浪对系泊船舶的横向力和纵向力，kN；K为系船柱受力分布不均匀系数，当实际受力的系船柱数目n=2时，K取1.2，n＞2时，K取1.3；n为计算船舶同时受力的系船柱数目，按《港口工程荷载规范》的规定选用；α为系船缆的水平投影与码头前沿线所成的夹角，(°)；β为系船缆与水平面之间的夹角，(°)，均按《港口工程荷载规范》的规定选用．某液化天然气(LNG)项目接收站配套码头工程系泊船舶运动物理模型试验[6]，测定了不同水位、不同装载状态时系泊船舶在波浪作用下LNG船舶系缆力．表1为试验船舶的主尺度．模型按重力相似律及《波浪模型试验规程》的有关规定进行设计，模型的长度比尺为λ＝50，试验模型为正态模型．利用本文计算方法对相应的系缆力标准值进行了计算．图1为80,000,m3和145,000,m3LNG船3个载度、横浪、不同波高和周期条件下船舶系缆力计算结果．图中横坐标是试验数据样本的序号，从左到右分3部分，分别为满载、半载和空载．每一部分试验点的波高从左向右逐渐加大．纵坐标是系缆力计算值与试验值的对比，每一部分样本的系缆力也是逐渐加大．系缆力计算值与试验结果符合较好．(1)基于大量物理模型试验数据，考虑波高、波向、波周期以及船舶吨位、载度等因素的影响，提出了波浪作用下船舶系缆力的计算公式和方法．算例表明，计算值与试验结果吻合较好．本方法可为工程设计中船舶系缆力的计算提供参考．(2)鉴于波浪作用下系泊船舶运动是一个十分复杂的过程，同时，目前的《港口工程荷载规范》没有由波浪产生的船舶系缆力的计算公式，因此，应进一步寻求综合系数与船型、系缆方式等的关系．应用时，如有模型试验数据或是原体观测的数据，则可根据实测数据对综合系数x、y进行修正，使公式更能反映实际情况．【相关文献】［1］中华人民共和国交通部. JTJ215—98 港口工程荷载规范[S]. 1998.Ministry of Transport of the People’s Republic of China. JTJ215—98 The Load Code for Harbor Engineering[S]. 1998(in Chinese).［2］张日向，刘忠波，张宁川. 系泊船在风浪流作用下系缆力和撞击力的试验研究[J]. 中国海洋平台，2003，18(1)：28-32.Zhang Rixiang，Liu Zhongbo，Zhang Ningchuan. An experimental study on the mooring line forces and impact forces of a moored ship under the combined action of wind，waveand current[J]. China Offshore Platform，2003，18(1)：28-32(in Chinese).［3］李焱，郑宝友，高峰，等. 浪流作用下系泊船舶撞击力和系缆力试验研究[J]. 海洋工程，2007，25(2)：57-63.Li Yan，Zheng Baoyou，Gao Feng，et al. Model test study on the impact forces and mooring line forces of a moored ship under the combined action of wave and current[J]. The Ocean Engineering，2007，25(2)：57-63(in Chinese).［4］蒋庆，葛宏征，谢鹏. 船舶类型及吨位因素对船舶系缆力的影响[J]. 水运工程，2007(9)：51-59.Jiang Qing，Ge Hongzheng，Xie Peng. Influence of ship type and tonnage on the ship mooring force[J]. Port and Waterway Engineering，2007(9)：51-59(in Chinese).［5］吴秀恒. 船舶操纵性与耐波性[M]. 北京：人民交通出版社，1999.Wu Xiuheng. Ship Maneuverability and Seakeeping [M]. Beijing：China Communications Press，1999(in Chinese).［6］张文忠，郭科，陈重. 江苏液化天然气(LNG)项目接收站配套码头工程系泊船舶运动物理模型试验报告[R]. 天津：天津港湾工程研究所，2006.Zhang Wenzhong，Guo Ke，Chen Chong. Model Test of Mooring LNG Ship at Jiangsu Province[R]. Tianjin：Tianjin Port Engineering Institute Ltd. of CCCC，2006(in Chinese).。