船舶操纵运动数值模拟在桥梁通航孔布设中的应用研究*

布设于通航水域中的桥墩可能会对桥区河段通航安全产生较大影响,因此对桥位河段的通航情况及通航净空尺度展开分析研究十分必要。目前,桥梁的通航论证研究主要包括水流流速、流向、通航净空高度和和通航净空宽度,而对代表船舶通过设计通航孔时的船舶航行姿态研究甚少。在平面二维水流数学模型基础上,开发建立船舶操纵运动数学模型,通过模拟计算代表船舶通过桥区的航行姿态和航行参数,包括艏向角、舵角、漂角及航速等,结果表明可较好模拟在不同水文组合条件和不同通航孔条件下,船舶通过桥区水域的操控及航行条件。     

AASHTO概率模型在船桥碰撞风险评估中的应用

近年来随着航道等级的提升,设计通航船舶尺度增大,要求的通航净空尺度增加,桥区通航水域条件发生显著变化。桥梁存在船撞风险,需对船撞桥梁风险实施评估、为实施防撞设施工程提供依据。国内外因船舶撞击而导致桥梁垮塌或严重破坏的事故逐渐增多,平均每年就有一座大型桥梁因为船舶撞击而遭受严重破坏甚至倒塌。北江航道乌石至三水河口航段经整治由Ⅳ级提升为Ⅲ级后,桥梁存在船撞风险。以船撞桥概率模型(AASHTO)为研究方法,分析了整治河段清远北江二桥参数对船撞桥概率的影响,计算了船舶撞击桥梁各涉水桥墩的年撞击概率,确定了存在较大船撞风险的桥梁与涉水桥墩,建立了船撞桥损伤概率模型,分析桥梁各部位抗撞能力、桥梁各部位船舶撞击力及各部位的年撞击频率,得出通航孔桥墩的年撞击倒塌频率。     

三体船侧体位置优化设计研究

基于二维半理论的计算软件TRIMARAN研究了侧体纵向、横向位置的变化对三体船运动响应的影响,同时研究了船体横摇惯性半径对三体船横摇性能的影响,从而提出一套三体船侧体位置优化方案。通过在低速和高速两种情况下,对三体船侧体纵向、横向位置的变化对三体船的运动响应分析,可以看出:低航速下侧体应布置于靠近主体船艏的位置,有利于三体船运动性能的提升,高航速下则应将侧体放置于主体船尾。同时,根据横摇惯性半径对三体船横摇性能的影响研究表明:三体船的横摇半径越小越能增加三体船的横摇稳定性。     

横浪中三体船横摇运动稳定性研究

三体船在横浪中航行时会受到较大的横摇力矩并伴随有较明显的横摇运动,影响了航行的安全性和稳定性.论文基于黏流理论使用开源CFD代码OpenFOAM对三体船在横浪中航行时的运动和受力进行数值预报,分析三体船在横浪中的运动和受力特征,探讨波陡和波浪频率对三体船横摇运动稳定性的影响.研究表明,波陡的增大会增大三体船的受力和运动...     

山区涉河桥墩布设防撞装置对通航的影响*

为研究山区河流桥梁布设防撞装置对于通航的影响，采用二维物理模型试验的方法，利用运动船舶受力偏离航线的原理，通过对船舶艏向角θ、漂角β等船舶航行参数的分析，研究桥梁与水流存在交角的情况下布设防撞装置对船舶航行的影响；通过设置多条航线，探究船舶航行时与桥墩的的安全距离。试验结果表明：山区河流涉河桥墩布设防撞装置对于船舶航行的影响远大于裸墩，且尖艏型防撞装置对航行船舶的影响大于圆艏型；山区河流涉河桥墩或防撞装置与水流的交角越大，船舶的偏转幅度越大，其中0°～10°变化趋势较为明显。通过多组航线航行试验发现，航线越靠近桥墩，船舶受到的影响越大，当航线与桥墩的距离达到3W时，这一影响达到峰值。所得结果可以为山区河流桥梁通航安全的研究及防撞装置的研发提供参考。     

基于船舶领域的桥区水域范围划定方法*

桥梁布设在通航水域的桥墩以及通航孔在一定程度上限制了船舶的航行，划定桥区水域对指导船舶安全航行具有重要意义。通过梳理当前桥区水域法规中船舶航行限制，分析划定桥区水域的影响因素；以桥梁涉水桥墩对航道内在航船舶的影响为依据，基于船舶领域理论设计了桥区水域宽度和纵向长度计算方法，可依据桥梁特点及航道水域特征对桥区水域进行划定，实现桥区水域划定的一桥一策；利用该方法对长江某大桥的桥区水域进行划定。结果表明，与传统桥区水域划定方法相比，该划定方法能够在保障船舶桥区航行安全的基础上，减少对航道内正常航行船舶的约束，同时可避免岸线资源的浪费。     

冰水混合环境下船舶操纵性回转试验研究

针对一艘典型极地冰区船,开展了冰水混合环境下的船舶回转试验研究。试验采用70%密集度的非冻结模型冰,以全约束模型方式在旋臂水池中进行,测定了固定半径不同漂角下船舶所受到的纵向力、侧向力和偏航力矩。试验结果表明：在回转过程中,船体周围的碎冰产生了翻转和堆叠现象,船体与碎冰发生随机碰撞,影响船体水动力特性;随着漂角的增大,船体受力呈非线性的增加趋势。研究成果可为冰区船舶机动回转特性的研究提供技术依据和参考。     

静水中并行两船的水动力干扰效应数值研究

[目的]为研究近距并行两船的相互干扰效应对船舶操纵性的影响,[方法]基于RANS方程对静水中并行两船的水动力干扰作用进行数值模拟,分析两船在不同横向间距、纵向间距和航速条件下阻力、横向力、纵向力及摇艏力矩的变化规律,并在此基础上进一步阐述各种干扰力成分在两船水动力干扰中的变化及贡献比例。[结果]研究结果表明,两船所受横向力在纵向间距为0(即中对中)时最大,表现为吸引力;随着横向间距的增加,相互作用效应减弱,横向作用力最大降幅达到50%以上。纵向间距对摇艏力矩的影响较大,两船在进入与驶离补给阵位时,所受摇艏力矩使两船艏艉相互接近,此时容易发生碰撞。在低速状态下可以忽略航行兴波对两船相互干扰的影响,而高速航行时则不容忽略。[结论]所得结果可为研究两船操纵运动时相互作用力数学模型的构建奠定基础。     

基于数值模拟的船艏抗气泡性能分析

对船舶静水中航行问题进行了CFD数值模拟,分析了船艏抗气泡性能。为获得船体周围气泡分布规律,在船前来流中添加气泡,并基于拉格朗日描述法追踪气泡的运动。根据计算得到的气泡分布特点,通过修改船艏线型改善了船舶的抗气泡性能。此外,开展了模型试验,通过船体表面的流线验证了数值模拟方法的可靠性。     

小间距桥梁并建对内河桥区航道通航安全影响分析——以浏阳河景观桥为例

针对内河桥区航道船舶通航安全问题,以浏阳河景观桥(鹊桥)工程所在的桥区河道为例开展研究工作。研究首先基于浅水方程建立了浏阳河局部河段平面二维水流数学模型,在验证和水流条件计算的基础上,基于MMG方程建立了船舶操纵运动数学模型。研究结果表明,鹊桥的修建对所在桥区河段水流条件的影响较小,水流平顺,无不良流速及流态;所有船舶通航计算工况下,船舶均可顺利通过桥区河段,且操相对较容易,研究可为类似桥区河段的通航安全提供技术参考。     

基于视频目标检测的桥梁防船撞主动预警技术研究*

为减少船撞桥事故的发生,提高桥区水域的通航安全等级,以目标检测算法为基础通过AForge.NET工具包设计实现对桥区水域的运动船舶实时检测与跟踪。根据运动船舶的航行轨迹预测船舶航向,判断船舶是否具有撞桥危险并做出相应预警措施。并在安徽淮河干流蚌埠段等进行验证试验,试验结果表明检测效果良好,能够对高等级航道桥群河段的桥梁防撞主动预警提供有效可行的实施方案。     

基于二维数学模型的串列圆柱桥墩对通航水流的影响*

规划中的四川江安长江第二过江公路桥采用钻石形串排圆柱型主塔,为了研究其主塔桥墩对该桥区河段各通航水力要素的影响程度,通过建立平面二维水流数学模型,模拟该河段方案实施前后的水流流场,从工程应用的角度分析串列圆柱桥墩对河段水流条件的影响。分析数模仿真结果得知：在各级流量下桥区河段水位、流速在工程实施前后变化较小,桥轴线横向流速较小,桥梁的建设对通航水流条件影响较小,不会对船舶安全通过桥区产生影响。     

改善桥区通航条件 方能根治船碰桥事故发生

正船与桥的矛盾日渐突出,船碰桥事故频发,究其根本原因,是由于桥梁数量的激增,通航桥梁标准偏低,体制不顺,管理缺位,导致桥区通航条件恶化所造成。因此,改善桥区通航条件,是防治船碰桥事故发生的有效措施。近年来,随着我省陆路交通的高速发展,过江桥梁以惊人的速度增加,桥梁与船舶大型化发展的矛盾日渐突出,船舶触碰桥梁的风险隐患增大,事故频发。事故不但造成巨大的经济损失,而且事发后封桥堵路,严重影响     

基于模糊网络分析法的大桥船撞风险评价

为进一步提高船舶桥区通航的安全性,识别影响桥区水域船舶航行的风险因素,利用模糊网络分析法对船舶在桥区水域航行的风险进行测算。并以上海港辖区大桥船撞的安全性为例,从"人-船-环境-管理-桥梁"五个方面对上海港辖区大桥船撞风险进行评价,得出了上海港辖区大桥船撞的风险值,并总结影响大桥船撞的主要因素,最后提出相应的改善建议与措施,为船舶在桥区航行提供参考和借鉴。     

静水中并行两船水动力干扰数值研究

为比较分析单船与两船并行航行的水动力差异,探讨静水中两船并行时漂角、船船相对位置对船体阻力、侧向力及摇首力矩的影响规律,文章基于RANS方程采用SST k-棕湍流模型,数值分析了某两船静水并行时船船相互作用。研究表明：不同漂角下两船中对中并行时,船体所受阻力均较单船航行时有所增大且受到指向两船中间的附加侧向力;当两船并行斜航的漂角相反时,同一船舶位于迎流侧较背流侧时船体受力存在一定差异;两船并行直航时,船船相对位置对船体受力有较大的影响,当两船纵向间距小于一倍船长时,船船相互作用较为显著,在不同横向间距下,船体受力随纵向间距的变化规律相同,在一定纵向间距下,船间横向间距越小船船相互作用越强。     

静水中并行两船水动力干扰数值研究（英文）

为比较分析单船与两船并行航行的水动力差异,探讨静水中两船并行时漂角、船船相对位置对船体阻力、侧向力及摇首力矩的影响规律,文章基于RANS方程采用SST k-ω湍流模型,数值分析了某两船静水并行时船船相互作用。研究表明:不同漂角下两船中对中并行时,船体所受阻力均较单船航行时有所增大且受到指向两船中间的附加侧向力;当两船并行斜航的漂角相反时,同一船舶位于迎流侧较背流侧时船体受力存在一定差异;两船并行直航时,船船相对位置对船体受力有较大的影响,当两船纵向间距小于一倍船长时,船船相互作用较为显著,在不同横向间距下,船体受力随纵向间距的变化规律相同,在一定纵向间距下,船间横向间距越小船船相互作用越强。     

拖轮协助液化天然气过驳作业条件下的船舶运动响应

为了研究天然液化气（LNG）船对船过驳作业中拖轮对系统稳定性影响，指导过驳作业安全开展，基于三维势流理论的数值计算分析方法，利用加盖阻尼法在两船间添加驻波抑制单元以提高船舶水动力参数的计算精度，在与同类型试验结果比较验证后，进一步开展LNG船舶在海上锚泊过驳时采用不同拖轮配置方式下的船舶水动力性能以及过驳系统泊稳性能的研究。结果表明，风浪流作用于船首条件下，在受载船配置拖轮或在两船分别配置拖轮的方式可减小两船在船长方向相对运动以及艏摇运动的幅度，形成了快速预报不同配置场景下的船舶运动以及设备受力情况的方法。     

基于涡环栅格法的三体船斜拖水动力数值分析

以三体船的操纵性能预报为背景,基于势流理论的三维面元法,对三体船的斜拖运动进行数值模拟,并求得相应的水动力系数。将传统的运用于机翼升力计算的涡环栅格法(VLM)运用于三体船斜拖运动的数值模拟,船体表面被离散成四边形的网格,网格及尾涡面上布置一个涡环,利用船体表面不可穿透条件以及尾缘处的库塔条件对各单元涡强进行求解,求得各个分布点压强以及船体表面压力分布,并根据压力分布积分求得在不同漂角下三体船舶所受的横向力以及转首力矩。最终由计算结果,求得与漂角相关的水动力系数,并与软件计算结果进行对比分析。     

动力定位作用下S型铺管作业耦合运动分析

文章建立了S型铺管船的船体、托管架和管线动态耦合模型。考虑了海浪、风和海流载荷作用下以及动力定位系统的控制下,分析时域内管道对船舶运动和受力特点的影响。主要包括：建立起重铺管船的动力定位运动模型,建立基于碰撞-接触原理的V型托辊和托管架模型,设计具有PID伺服系统的张紧器模型,提供连接托管架和船尾的非线性弹性铰接模型。进行时域动态模拟得到结果,通过与非铺管作业工况下的运动响应的对比表明,管线对船舶横摇运动影响较大,对纵摇和垂荡运动有一定程度的影响;管道对船舶纵荡、横荡和艏摇三个自由度上的受力影响极大。     

动力定位作用下S型铺管作业耦合运动分析（英文）

文章建立了S型铺管船的船体、托管架和管线动态耦合模型。考虑了海浪、风和海流载荷作用下以及动力定位系统的控制下,分析时域内管道对船舶运动和受力特点的影响。主要包括:建立起重铺管船的动力定位运动模型,建立基于碰撞-接触原理的V型托辊和托管架模型,设计具有PID伺服系统的张紧器模型,提供连接托管架和船尾的非线性弹性铰接模型。进行时域动态模拟得到结果,通过与非铺管作业工况下的运动响应的对比表明,管线对船舶横摇运动影响较大,对纵摇和垂荡运动有一定程度的影响;管道对船舶纵荡、横荡和艏摇三个自由度上的受力影响极大。