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原文传递 通航隧洞拖曳式船舶航行阻力计算方法与试验研究
论文题名: 通航隧洞拖曳式船舶航行阻力计算方法与试验研究
关键词: 通航隧洞;拖曳式船舶;机械牵引;航行阻力
摘要: 拖曳式通航隧洞能有效提高大型船舶进出隧洞效率,是解决高山峡谷条件下通航建筑物布置难题的有效手段之一,可应用于提高急弯河段的通过能力。在拖曳式通航隧洞设计过程中,由于通航隧洞的尺度小于一般限制性渠道,航行于通航隧洞的大型船舶航行状态与一般限制性渠道情形迥异,船舶航行阻力现有计算方法已无法使用。因此本文针对通航隧洞拖曳式船舶航行阻力开展研究,为后续拖曳装备研发的关键技术指标确定提供依据。
  在重庆市教委重点科研项目、三峡水运新通道比较研究等课题支持下,针对高山峡谷条件下通航隧洞拖曳式船舶航行阻力测量方案,开展了如下的研究:
  (1)针对现有非自航船舶隧洞通航的相关文献,重点介绍了隧洞顶部牵引式船舶通航控制方法的特点、结构和运行模式。结合三峡石牌急弯段限制性通航条件,提出了上行船舶经过隧洞通航的通过能力提升方案所要解决的问题,并重点探究通航隧洞拖曳式船舶航行阻力面临的问题。
  (2)针对初步拖曳方案,建立了比尺为1:40的三峡石牌弯道隧洞通航概化物理模型,构建了包含船舶阻力、船周水位和船周流速等参量测量系统。开展了典型工况物理模型实验,实验结果表明:由于通航隧洞中水位、流速和比降等都会发生瞬时改变,因此船舶阻力也以大约200s为一个周期随时间变化;在隧洞中无船时工况水深大于 5.5m 情况下,相对流速超过 3m/s 后阻力急剧增加,船舶纵倾增大甚至出现搁浅的情况;通航隧洞中主流偏右,使船右水位和流速较船左侧大;船周水位的局部比降在0.3%~2.2%,船周回流速度在1m/s~4m/s。
  (3)使用计算流体力学手段,建立实验模型同尺度的 flow-3d 计算模型。模拟相同边界条件下通航隧洞概化物理模型的船周水位、船周流速和船舶所受的阻力,得到计算结果合理的flow-3d计算模型。并采用与上述flow-3d计算模型相同的建模方法建立了实船的船舶阻力数值模拟,得到实船航行阻力数据。
  (4)通过对现有船舶航行阻力计算公式适应性分析和进行通航隧洞拖曳式船舶航行中的船体进行受力分析,结合实验数据和实船的船舶阻力数值模拟数据后,得到了适用于通航隧洞拖曳式船舶航行阻力、船周流速和船周水位间计算公式。结果表明,通航隧洞拖曳式船舶航行阻力公式计算结果与实船的船舶阻力数值模拟对比,最大误差为不超过 14.18%。该公式计算精度较高,对非自航方式的通航隧洞尺度和拖曳装备关键参数确定有重要参考价值。
作者: 刘维
专业: 水利工程
导师: 张绪进;吴俊
授予学位: 硕士
授予学位单位: 重庆交通大学
学位年度: 2023
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