船只在弯曲狭窄水道中航行时船舶操纵与水动力相互作用的研究外文翻译资料

 2022-08-01 22:05:04

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船只在弯曲狭窄水道中航行时船舶操纵与水动力相互作用的研究

当两艘大型船舶在港口或狭窄水道等狭窄水道相互接近时，其水动力相互作用是不可忽视的。本文主要研究了两艘大型船舶在弯曲窄水道中相互运动时的水动力相互作用对船舶操纵运动的影响。在本研究中，描述和说明了两大船舶水动力相互作用的特征，总结和讨论了速度比和两船间距的影响。选择韩国PALMI岛航道的仁川外港区，进行船舶操纵仿真，提出在限定水域内避免海上事故所需的合适的安全航速和两船之间的距离。从这次调查的结果来看，结果如下。在SP12 le; 0:5L条件下，由于船舶与外力相互作用的综合作用，可能会出现搁浅或碰撞的危险倾向。同时考虑了相互作用和风的影响，窄水道超车和超车在以下条件下仍能保持原有航向;两船之间的横向距离大约保持在船舶长度的0.6倍和最大舵角的15度范围内。另一方面，两艘船舶在韩国仁川外港等弯曲狭窄航道超车时，应满足以下条件;保持在船舶长度的1.0倍左右，风速不大于10m /s。

1.介绍

越来越多的大型船只,因为航运的快速发展导致高密度船舶在受限水域,因此,船舶之间的横向和纵向间距变小以及它们之间的相互不可预知的作用效应发生在受限水域等在一个港口或狭窄的通道。当两艘大型船舶紧密航行时，由于其他船舶的邻近而引起的船舶周围的不对称流动会产生压力。由于左右舷的不同，两船可能受到引力或排斥力的作用，向内或向外低头。因此，在封闭水域中作用于船舶上的水动力和力矩要比在非封闭水域中复杂得多，而且由于两船之间的水动力相互作用，使船舶难以操纵。特别是大型船舶近距离航行，包括超车，以及在弯曲狭窄航道上拥挤的船舶交通都存在潜在的危险。因此，研究两船之间的水动力相互作用力和力矩对保证船舶安全航行具有重要意义。为了使这成为可能，在封闭水域中两船之间的水动力和力矩应该是适当的了解，并对船舶之间的水动力相互作用效应进行了研究。Newman(1965, 1972)报道了在靠近墙壁的细长旋转物体上的力和力矩，以及船舶操纵的一些理论。Yeung和Tan(1980)利用细长体理论分析了缓慢移动的船舶与海岸线或浅水障碍物之间的水动力相互作用。本文的理论假设是:流体是无粘性的，流动是无旋的，除了在船体后面有一个薄的涡流片。Beck等人(1975)、Beck等人(1977)、Cohen等人(1983)、Davis等人(1986)、Landweber等人(1991)也报道了类似的著作。Kijima等人(1991)研究了两艘船在靠近岸壁时的相互作用效应，Korsmeyer等人(1993)分析了相互靠近作业的多艘船或物体之间相互作用力的理论和计算。宁川(2002)还研究了两艘船在近距离航行时的机动运动。尽管过去有过研究，但窄水道中两船之间的水动力相互作用力和力矩仍然需要从安全机动的角度来考虑。同时，从安全机动的角度出发，考虑两船之间的安全间距和速度，以减少弯曲狭窄航道的海上事故，为受限航道交通安全体系的建立奠定基础。因此本文通过PALMI仁川外港区岛通道在韩国被选中,和船舶操纵仿真进行了提出一个适当的安全两个大型船只之间的速度和距离,这是需要避免海上事故的角度在限制水域海上安全。

  1. 问题的提法

固定在每艘船上的坐标系1。考虑两个船指定为船1和船2移动速度U1U2 水深h。在这种情况下,假设每个船在在一条直线通过平静的水面。在图1中，两船之间的横向和纵向距离。 Vandy表示风的速度

假设小弗劳德数，自由表面假设为刚性壁面，这意味着的影响波被忽视。然后，可以考虑两船的双体模型。速度势表达产生的扰动运动的船舶应具备

在这些假设下，该问题可以看成是内外区域的二维问题。

2.1。内外解

我的速度势F在内部区域可以用速度势来代替，速度势表示一个容器在平行壁面之间的横截面的二维问题，平行壁面表示容器的底部，平行壁面表示容器在水面上的镜像。那么，Fcan可以表示为

2.2。匹配和水动力和力矩

通过将具有相似性质的Fandfof项进行匹配，可以得到如下的gds积分方程

3.两船间相互作用效应的预测

本节研究了浅水超车时两船的水动力相互作用效应。在vlcc上进行了数值计算的参数化研究，如表1所示。假设VLCC 1(记为U)的速度保持在10kt，则超车VLCC 2(记为U)的速度分别选择为12kt。

2和3中显示两个船之间的水动力相互作用的力量。 这些数字的计算方法是改变两艘船之间的水平方向，使其长度从0.2倍增加到1.0倍。观察图2和图3中两船间的水动力相互作用的特征，在考虑不同距离时，其定性特征相似，但定量特征不同;当两船间距小于船舶长度的0.4倍时，水动力相互作用效应显著增大，当两船间距大于船舶长度的0.6倍时，水动力相互作用效应反向减小。从计算结果可以看出，当两船间距大于船长1.0倍时，水动力相互作用效应几乎减小。

4和图5显示两个容器之间的水动力相互作用的时刻在U = Ufrac14;1:2。21 这些数字的计算方法是改变两艘船之间的水平方向，使其长度从0.2倍增加到1.0倍。观察图4和图5中两船间的水动力相互作用力矩特征，与图2和图3几乎相同，但在考虑不同距离时，其定性特征相似，但定量特征不同;当两船间距小于船舶长度的0.4倍时，水动力相互作用效应显著增大，当两船间距大于船舶长度的0.6倍时，水动力相互作用效应显著减小。从计算结果可以看出，当两船间距大于船长1.0倍时，水动力相互作用效应几乎减小。由图2e4、5可知，当两船间距为船长1.0倍左右时，无论两船速度比如何，超车和被超车受到的水动力相互作用力和力矩几乎都减小。被超车船舶的水动力相互作用效应大于超车船舶。最大斥力值为

3.1。船舶操纵运动在两船相互作用影响下的仿真

在本节中，利用所预测的作用于两船的水动力相互作用效应，对船舶操纵运动进行了数值模拟。同时，船舶在两船相互作用影响下的机动运动数学模型可以表示为

式中，m0为船舶i的无量纲质量，m0、m0yi分别为船舶i的无量纲附加质量的x、y轴分量，b为船舶i的漂移角。i xi i 下标H、P、R、I、W表示船体、螺旋桨、舵、两船水动力相互作用与风的分量。X、Y、N分别表示X、Y轴的外力和绕圆心的偏航力矩

船的重力。控制舵角，保持航向如下:

在那里,d;ij;ir0表示船舶i的舵角、航向、无量纲角速度，S0Pi表示船舶i的无量纲预测航向，下标“0”表示初始值。i同时，K和Kand表示控制增益常数

4.结果与讨论

本节基于Fujiwara等人(1998)方法，利用两船在浅水区受风力影响超车时的水动力相互作用预测，给出了船舶机动运动的计算结果。选择韩国PALMI岛航道的仁川外港区，进行船舶操纵仿真，提出在限定水域内避免海上事故所需的合适的安全航速和两船之间的距离。通过假设两船在一条直线上相互移动，根据估计的两船之间的相互作用力进行仿真。比较船舶轨迹之间的交互效应和联合互动和风力效应。随着控制增益常数的变化，如图6所示。在这种情况下，风速取10m /s，两船之间的横向距离取船舶长度的0.3倍。另外,这个数值模拟中使用的控制增益常数和最大舵角与预期一样，仅考虑相互作用效应的船舶操纵运动仿真结果差异不大，

图6所示。船舶运动轨迹与相互作用、相互作用与风作用函数的比较。

与风力作用下相互作用的情况相比较。

图7为韩国PALMI岛航道仁川外港区一艘具有舵角功能的VLCC船的机动仿真轨迹。如图7所示，在不考虑相互作用、风和电流影响等外力的情况下，船舶的航向没有偏离预定的航线，航程小于15?最大舵角。

船舶操纵仿真结果如图8所示，为两船之间的横向距离与舵角的函数关系。该图未考虑风、流的影响，仅为两船相互作用的模拟结果。如图8所示，一个被超越的VLCC 2的范围为15在船舶长度为0.3倍的情况下，最大舵角与航道的预定航线和航道边界存在较大偏差，这主要是由于两船之间的相对位置相互影响的延长。在这种情况下，海上安全需要高度谨慎。

图9为两船侧距作用下的船舶操纵仿真结果，其中定常风速和舵角分别为15 m/s和15?,分别。在这个数字中，没有考虑到目前的影响。如图9所示,超越超级油轮的偏差2条件下的Vfrac14;15 m =年代相对其预期的更大。在这种情况下，对安全的高度谨慎是必要的。然而，如图10所示，超车和超车VLCC的最大舵角为15条件下的Vfrac14;10 m = s可以导航,同时保持其预期的课程虽然之间的横向距离两艘船船舶长度约0.5倍。

5.结论

本研究通过估算两艘大型船舶在狭窄水道等有限海域航行时的相互作用效应，确定了在有限水域航行时为减少海上事故而产生的水动力相互作用效应。对韩国仁川外港区等弯道窄道超车时两船的机动运动进行了数值模拟，研究了两船之间的最小安全距离，并对避免海上事故所需的两船之间的适当安全航速进行了思考。通过计算和分析其结果，得出以下结论。

在水动力的情况下两个容器之间的交互作用,水动力力显著增加两艘船只之间的间距减少当两艘船只之间的横向距离小于0.4倍的船长度,当两艘船之间横向距离约0.6倍以上的船长度、水动力相互作用显著降低横向距离的增加。当两艘船之间的横向距离约为船体长度的1.0倍时，相互作用效应几乎减小。如果

图7所示。仿真结果在弯曲狭窄的通道(Vfrac14;frac14;0时)。w c

风是唯一需要考虑的因素，在狭窄水道中被超车和超车的船舶在下列情况下可以保持原有航向航行;两船之间的横向距离约为船舶长度的0.6倍，最大风速不应大于10m /s。在S的条件下在弯曲狭窄的水道中，可能会遇到危险的倾向

由于两船相互作用和风力的共同作用而产生的碰撞。因此，在韩国仁川外港等弯曲狭窄航道超车超车时，应满足以下条件;两船之间的横向距离约为船舶长度的1.0倍，最大风速不应大于10m /s。

船舶在狭窄水道中的相互作用:

1.介绍

海运在货物运输中占有重要的地位，尤其是在国际贸易中[1-3]。近年来，海上交通大大增加，使狭窄的水道(如航道和海峡)拥挤不堪。因此，船舶碰撞往往发生在狭窄的水道中。因此，研究船舶在狭窄水道中的运动特性，对船舶航行具有重要意义。这就是本文的出发点。

关于道路交通车辆运动特性的研究已有很多。这里，我们简单介绍两种流行的模型。一种是车辆跟随模型，用来确定车辆如何跟随另一辆车。早期的研究主要关注单车道交通流[4-6]。近年来，一些双车道交通流的车辆跟随模型得到了发展[7,8]。后来，Tang等[9,10]提出了几个模型来研究变道行为。这些模型在超车现象上遇到了困难。本研究选择了另一种模型，即其中，元胞自动机(cellular automata, CA)模型[11]由于在描述复杂的驾驶员行为和模拟相应的交通模式方面的高效率，在道路交通中得到了广泛的应用。Nagel和Schreckenberg[12]在1992年提出的著名的Nagel - Schreckenberg (NaSch)模型首次代表了现实的单车道道路交通模式。该模型也被称为随机交通元胞自动机(STCA)，在其速度更新规则中引入了一个随机噪声项。之后又发展了许多单车道模型，如STCA-CC模型[13]、fi - tca模型[14]、慢启动模型[15]、T-TCA模型[16]，BJH-TCA模型[17]，VDR-TCA模型[18]。2为了模拟异构交通中的超车过程，Rickert等人[19]提出了一种对称双车道CA模型，该模型引入了一组变道规则来扩展单车道CA模型。Chowdhury等人对对称换道效应进行了进一步的研究。随后研究了不对称换道规则[21,22]。Knospe等人[23,24]考虑了双车道CA模型中的预期效应。Jia等人[25,26]在前面的慢速车辆阻挡时，给快速车辆增加了鸣笛行为。Li等人考虑了快速车辆的攻击性换道行为。

与道路交通相比，基于船舶交通服务(VTS)和自动识别系统(AIS)[1]检索到的数据，狭窄水道中的海上交通具有相似的特征。首先，狭窄水道中的船只彼此封闭;换句话说，船舶拥挤和碰撞是常见的[1,2]。其次，为了便于管理和安全，将狭窄水道中的区域划分为若干车道。船舶行驶在航道上，应当换道超车或者停靠港口。第三，船舶拥挤会在狭窄的水道中形成船舶排队，类似于汽车跟驰或CA模型在道路交通中再现的现象。然后，船的速度根据前面的船而变化。

此外，狭窄水道中的海上交通具有一些独特的特征。首先，轮船比汽车大得多。船舶在进行随船和换道作业时，需要在其周围保持足够的安全空间。其次，水阻力会延迟转向动作;然后，船舶需要较长的时间来加速、减速和改变航线。第三，在水里的船只比在路上的汽车更容易受到影响。船舶虽然在不同的航道上航行，但在相遇和超车时，两船之间的距离减小会导致水动力相互作用，这是不可避免的。结果，这两艘船可能会被拉到一起相撞。这种现象被称为船舶的相互作用，可以看作是海上交通与道路交通的关键区别。

为了研究狭窄水道的海洋交通，我们建立了一个双车道的CA模型。对离散化的空间单元和时间单元进行了扩展，以适应海上交通和道路交通的前两种差异。为了比较船舶相互作用与传统CA模型的效果，当一艘船舶要超车时，被超车的船舶必须减速，使船舶相互作用时间尽可能短。本文将上述船舶相互作用引入传统换道规律，研究船舶运动的特征。

本文的其余部分组织如下:在第2节中，介绍了新的模型。第3节提供了数值实验。最后，第四部分给出了总结和结论。

2.模型

在介绍我们的模型之前，我们回顾了单车道STCA模型，在该模型中，道路被离散

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