关于内河船舶机动性评测和预测方法的文献综述外文翻译资料

 2022-07-29 15:05:46

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关于内河船舶机动性评测和预测方法的文献综述

摘要：船舶机动性在航行安全方面起着重要作用。为了达到一定的机动性要求，船舶配置需要特别考虑，这反过来影响经济运行表现。与海船相比，内河船舶航行在更加复杂的导航环境中。同时，内河船舶必须独立运作额外的援助，如拖轮。本文介绍了评估的最新状态内河船舶机动性的预测方法。首先，对于内河船舶和海船影响机动性和评估方法的不同反方面被拿来比较。因此，需要关于建模方法和评估标准的其他知识的内河船舶机动性。此外，对机动性研究的分步回顾将各种影响因素与操纵性能相关联。最后，评估知识的差距浅水/限制水道内河船舶机动性的预测方法描述。

关键词：内河船舶机动性、机动性标准、机动性测试演习、数值模拟。

  1. 引言：

到目前为止，船舶机动性领域的研究已经开始主要集中在海船（中央委员会莱茵河导航，2013）。然而，对内河船舶的兴趣正在增长（Rigo和Wolters，2013）。一般来说，内河船舶比海船安排更为复杂。在具有多个方向舵的导管螺旋桨前面具有船体隧道。与此同时，通常在水深和通道宽度上受限制的内陆水道也比海上航行更为复杂。因此，内陆船只的操纵能力更难以解决，因此预计比海上船舶更为重要。

在船舶设计的初期阶段，常用的是务实的经验法则。这些基本规则对于每个船舶部件的相互影响是不够的。为了确保实践中的良好性能，需要精确的预测方法将设计参数与操纵性能联系起来。此外，应为设计师和当局确定可操作性的相关要求。同时，由于提高机动性的潜在高成本，必须在良好的绩效和经济性之间做出明智的妥协（Biancardi，1993）。

目前，船舶机动性最常见的标准是由国际海事组织（IMO）发布的，这些标准应适用于“100米长及以上的所有方向舵和推进式船舶，化学品船和气体运输船舶（国际海事组织，2002a，b）。船舶类型（海船或内河船舶）在IMO标准中没有明确说明。然而，标准的适用条件被描述为深而无约束的水eth;H= T 44。假设海事组织标准是用于海运船舶的理由，但仍然有价值作为内河船舶的指导。

内河船舶条例通常由区域当局（中央委员会，莱茵河，1995年，2012年）和船级社（Bureau Veritas，2011）提出。与IMO的海船标准相比，这些区域要求的测试操作和标准较少。根据Gray et al（2003年），这些标准是否导致浅层，受限制和拥挤的水道具有足够的机动性仍然令人怀疑。因此，无论是内河船舶还是海船，都需要对浅水作业进行新的测试操作和程序来预测和评估船舶机动性（Landsburg et al，2005; Liu et al。，2014）。

本文重点关注目前内河船舶机动性评估与预测方面缺乏的知识。介绍了最先进的方法和程序。强调了内河船舶与海船的差异。目前，机动性预报方法主要以船舶为主。将这些模型应用于内河船舶，确定了关键的影响因素。建议对浅水机动性进行机动测试和力分析的进一步研究。

首先，第2节描述了船舶机动性的内部和外部影响因素。第3节显示现有的机动性评估标准和机动性。第4节描述了船舶运动的数学模型作为理论机动建模的基础。第5节介绍了水动力的两个经典表达。第6节介绍了全尺寸试验，模型尺度试验和数值方法的流体动力分析方法。第7节描述验证和验证方法。最后，第8节得出结论，内陆船只机动性在水动力预测和基准数据验证中应得到更多关注。

二、船舶机动性的影响因素：

船舶航行在某些影响船舶操纵能力的因素下。在本文中，这些影响的概念大致分为外部环境和内部设计两个方面。外部因素（第2.1节）取决于船舶航行的环境，而内部因素（第2.2节）由船舶决定设计和操作简介。间接影响，例如人类行为（Hooft，1974; Hetherington等，2006）也很重要，但不包括在本文中。

2.1、外在因素

以下段落提供了对导航环境对内陆船只的可操作性的两个主要影响的审查，即浅水和船舶与船舶/船舶与岸边的相互影响。

2.1.1、浅水效应

由于船队规模扩大（Del et al。，2000; Gray et al。，2003; Landsburg et al。，2005），船只在受限航道中的机动性能不再仅仅是内河船舶的问题，对于海上航行来说至关重要。大部分时间航行在深海，因此在浅水中的表现往往被认为不那么重要。相反，对于通常在浅水中航行的内河船舶，浅水效应非常重要（霍夫曼和Kozarski，2000年）。

海船的水深和吃水比(H/T)通常大于4，特别是在干旱期内，通常小于2.5艘。中深层水深的影响开始显现（1.5＜H/T＜3.0），在浅水中变得显着（（1.2＜H/T＜1.5），在非常浅的水中占主导地位（H/T＜1.2）（Vantorre，2003）。基本上，浅水对影响机动性能的主要船舶操纵力（X，Y）和力矩（N）具有复杂的影响。

有限的水深影响船舶阻力（Tuck和Taylor，1970），它是船体纵向方向（XH）的主要组成部分。同时，在有限的水路上，横向的限制也对阻力产生了影响，这就是所谓的阻塞效应（Kim和Moss，1963; Tamura，1972）。以相同的提前速度，H=T比的降低导致蹲下和波高的增加（Jachowski，2008）导致XH的增加。为了降低浅水中的波浪阻力，Saha等（2004）提出了一种基于海船的船体形式的数值优化方法。对于内河船舶，Rotteveel（2013年）比较了现有船舶阻力模型，提出了浅水修复机动作用，并指出现有的估算方法并不清楚浅水效应。

考虑到转向力（Y）和力矩（N），Eloot和Vantorre（2011）报告说，如图2所示，对于一艘细长的海运集装箱船，在浅水中的航向保持能力提高，而深水中的战术直径更大。由于浅水中的船体阻尼力增加，回转直径通常变大，这是广泛认知的典型浅水效应（ITTC机动委员会，2008年）。

然而，Yoshimura和Sakurai（1989）和Yasukawa和Kobayashi（1995）发现，浅水中的回转直径比双螺旋桨宽梁船的深水要小，如图3所示。 这种现象是由于浅水中的螺旋桨载荷较高导致的舵力增加所致。

Kijima和Nakiri，2004年和Lee和Lee（2005）也表明，浅水对回转直径和推进的影响随船型而变化。如图4所示。回转直径增加，左侧进球几乎保持不变，但右侧的回转直径和推进均增加。

与上述发现相反，2012年Koh和Yasukawa发现推进驳船系统在浅水中可能具有较小的回转圈和较差的航向稳定能力（图5）。

最重要的是，对浅水效应的研究主要是在海港或入口通道的大型海船而不是内河船舶。这些研究包括Yoshimura and Sakurai (1989)，Yasukawa和Kobayashi（1995），Kijima和Nakiri（2004），Lee和Lee（2005）和Eloot和Vantorre（2011）。浅水对内陆船只机动性的影响仍不清楚。应该指出的是，内河船舶与Yoshimura and Sakurai (1989)和Yasukawa

and Kobayashi (1995)应用的双螺旋桨宽梁船具有相似的特征，这意味着对内陆船只的浅水效应可能与海船不同。为了进一步研究浅水中的船舶机动性，Landsburg等（2005）提出应用更准确的全面试验和数学建模技术。

2.1.2、船舶与船舶/船舶与岸边的相互影响

内陆水道具有许多人造结构，如锁，码头和限制通航区域的沿着航道或在航道中的桥梁柱（Liu et al。，2012）。 因此，在水平和垂直限制区域的船舶行为知识有助于降低基础设施和运营成本，并提高航行安全（Eloot和Vantorre，2011）。内河船舶遭受的远远不及海上的强风和海浪。然而，在自然水道上，上游和下游方向的航行可能导致非常不同的航行条件。 最后但并非最不重要的是，与海船不同，在许多情况下，要求在进入密闭水道或在系泊作业时，在强制领航区域使用额外的机动援助，内陆船只必须独立地进行机动。因此，需要高度可操作的内陆船只来保证航行安全。

由于内河运输密度高，内河船舶必须在近距离范围内通过和相遇，比海上船只频繁得多。 当船舶进入其他船只附近时，由于船舶周围的不对称流动导致横向力和横摆力矩。对于海船，应用数值计算（Chen et al，2002; Lo，2012）和实验（Vantorre et al，2002; Lataire et al，2009，2011; Eloot et al，2012）的方法来分析互动及其影响。但是，对于内陆船只，没有系统的研究发现。

船舶操纵也受到船舶之间以及船舶和岸边之间的相互影响（Eloot等人，2007; Lee和Lee，2008）。对于双线，窄双车道或单车道通道，船舶波束的最小通道宽度可能分别为4,3或2（Rijkswaterstaat，2011，2013）.Kijima和Yasukawa（1985），Kijima（1987）和Kijima and Qing（1988）讨论了诱发碰撞的影响和可能性。Lee et al。（2007）研究了安全通过的横向距离和最大方向舵角，而Vantorre等（2003）提出了一种通过模型试验来预测船舶相互作用力的实证公式。de Koning Gans（2005），Zou和Larsson（2013）和Lo（2012）通过CFD模拟研究了船舶和船舶以及船舶和岸边互动造成的下沉和修整。类似于浅水效应的研究这些情景主要针对一艘大型海上船舶，例如KVLCC2（Zou and Larsson，2013）在狭窄的通道中进行描述。优化船舶以改善低速性能。当船以更低的前进速度移动时，例如前往泊位，Yoshimura and Sakurai（1989）表明由于摇摆和偏航运动可能变得大于前进速度，所以流体动力更复杂。

2.2、内在因素

外部影响取决于水路的特点，船舶设计人员无法控制。设计师可以做的是分析导航环境并适应船舶的细节，以补偿外部干扰的负面影响。 与海船不同的内河船舶的四个主要特征，特别是缓慢的速度，船体形式，推进力和舵在以下段落进行讨论。

2.2.1、缓慢的速度

内河船舶巡航速度8-28公里/小时通常明显慢于海船的18-36公里/小时。为了比较船舶之间的速度，通常对弗劳德数进行评估，这被称为Fr =。考虑到船舶尺寸和速度的范围，内河船舶通常具有比海船更小的弗劳德数，这会影响兴波阻力。同时，相对较慢的航行速度也意味着对螺旋桨和舵影响其性能的速度也很慢。

尽管低速机动并不是设计大多数海运船舶的关键，但他们对安全作战的关键影响经过Hwang（2003）和Dand（2003）等人的讨论后越来越被重视。因此，速度一般以比海船更慢的内河船舶应该被优化以提高慢速性能。当船以更低的前进速度移动，例如oshimura and Sakurai (1989)指出，船舶进入泊位时，由于摇摆和偏航运动可能变得比前进速度大，流体动力更复杂。

ITTC机动委员会（2008）提出了慢速机动标准的必要性。之后，ITTC机动委员会（2011年）概述了现有的用于海船的慢速机动模型。Oh and Hasegawa (2012)进一步比较了典型的慢速机动模型的有效性。总而言之，Eloot和Vantorre（2004）总结了低速模式强调低速和普通速度机动之间差异的机会和局限性。

2.2.2、船体形式

内河船舶包括电动船，推进驳船系统和拖船系统。与海船的船体形式相比，内河船舶由于对牵引，长度和梁的限制（Quadvlieg，2013），通常具有较大的阻力系数，更大的L / B比和更大的B / T比。船体形式的这些差异不仅会严重影响船舶阻力，而且还会影响其他船体产生的流体力学力和机动力矩。对于推进驳船系统的流体动力学进行了大量的研究，在浅水运输能力方面与电动船舶相比是优越的。推进驳船系统和拖船系统广泛应用于世界各地的内陆水道。Luo and Zhang（2007），Koh等（2008a，b，c），Maimun等 （2011），Koh和Yasukawa（2012）通过数字或实验方法提出了推进驳船系统的机动性研究。Tabaczek等人（2007）和Tabaczek（2010）分析了具有不同弓形的双螺旋内陆船只的船体阻力和平面运动。

2.2.3、推进力

内河船舶的推进受到船舶推进器和附件的影响。由于螺旋桨距离自由表面不远，因此内河船舶通常设计为在船尾设有隧道，以改善螺旋桨流入并防止通风。在有附体船舶的模型试验过程中，Clement（1957）和Gregory and Beach（1979）发现了尺度效应来确定阻力。为了将测试结果与实际船舶相关联，Holtrop（2001）概括出了具有多个附件和复杂推进器的船舶的外推方法。

与海船相反，内河船舶广泛使用方位推进器，舷侧推进器和船尾推进器。内陆船舶的螺旋桨尺寸受水深的限制，通常安装有多个螺旋桨，特别是双螺旋桨。 Kim等人（2007）报道，与单螺旋桨船在海上相比，双螺旋桨船的回转能力更差，但是有更好的航向稳定性和航向变化的能力。对于内河船舶，推进器对机动的影响任然需要进一步的研究。

2.2.4、舵

内河船舶舵受到水深的限，他的纵横比制约为1，而海船的平均值为2（Kim et al。，2012）。同时，为修正航向的舵指令更为频繁地适用于海上通道。为了获得足够的机动力和力矩，通常使用每个螺旋桨的多个方向舵的配置来增加总舵面积。此外，内陆船舶具有更广泛的方向舵轮廓，例如在根部和尖端具有额外的板的Schilling舵。舵轮廓主要影响舵流体动力特性，并对机动性有进一步影响（Liu和Hekkenberg，2015）。

Nagarajan等人（2008）展

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