张盼盼，徐立群，倪福生

（河海大学疏浚技术教育部工程研究中心，江苏常州 213022）

绞吸挖泥船是目前世界上在疏浚工程中使用较广泛的一种挖泥船，其左右横移是挖掘水下土壤的主要工艺过程。在横移过程中，船舶受到的阻碍，主要来自于绞刀切削土壤的阻力，此外，水流对船体的作用力也不容忽视。挖泥船施工作业时，变化的水流作用力会影响船舶的操控甚至有可能危及船舶的安全［1］。所以，研究水流对船体作用力特性至关重要［2］。关于系泊船舶受水流作用力的影响，目前已有不少成果［3-4］，针对绞吸挖泥船近海作业时受水流作用力的影响进行了详尽计算分析。利用Fluent软件，采用雷诺N－S方程和RNGk－ 湍流模型，对船体在不同来流角度及速度下水流作用的流场进行数值模拟，得到了各情况下水流对船体的阻力及阻力系数，可供绞吸挖泥船设计及施工时参考。

1 数值计算模型

1.1 控制方程和湍流模型

本文将流体视为不可压缩流体，流动为定常流动，其控制方程为三维连续性方程和三维不可压缩的N－S方程。方程描述如下。

连续性方程:

动量方程:

目前，使用广泛的湍流模型有标准k－ 两方程模型和重整化群RNGk－ 模型，两者的k方程和 方程是相同的，不同的是后者采用的系数不是根据试验而是由理论推导所得。相比较标准k－ 模型，RNGk－ 模型应用更为广泛。（关键是哪个模型更适合，精度更高?）

1.2 计算模型与网格划分

a）计算模型

图1 绞吸式挖泥船

绞吸式挖泥船如图1所示，［5］利用定位桩和左、右锚三点定位，通过收放两侧横移钢缆，使挖泥船围绕定位桩左右横移，实现对水下岩土的连续切削，被绞刀切削的土方与水混合后由泥泵和管道输送至指定地点。绞吸式挖泥船施工时围绕定位桩横移，运动速度很慢，故船体结构都是设计成箱式的，而非通常船舶的流线型结构。本文探讨的水流阻力问题，可视为静止船舶的绕流问题。绞吸式挖泥船受水流作用力的部分主要有箱型船体、绞刀架及定位桩，且船体是主要部分，本文先对船体水流作用力进行重点分析，再考虑绞刀桥架及定位桩的影响。

以某大型绞吸船为例进行分析计算，该船型长L=86.1 m，型宽W=18.2 m，型高H=5.2 m，吃水 3.5 m。坐标系选取来流方向为x轴，垂直于水面的方向为y轴，水平面中垂直于来流的方向为z轴，定义船体纵截面与来流方向的角度为θ。如图2所示。

图2 船体模型及受力示意图

b）网格划分

计算区域网格采用分块划分，建立两个长方体流体区域，其中大区域尺寸约为船体区域尺寸的5倍。取不同角度时，流体大、小区域尺寸随 的不同作相应改变。θ为0时船体所在的长方体流体小区域长200 m，宽100 m，高15 m，船体所在的长方体流体大区域长500 m，宽300 m，高30 m。船体所在的长方体流体小区域对本文研究影响较大，且形状相对比较复杂，故此部分网格划分应相对较密，采用混合网格。流体大区域周边区域影响较小，且形状简单，故此部分网格划分相对较稀疏，采用正六面体网格。整个区域网格总数为60110万不等。

1.3 边界条件

选取4种边界面，即流入（in－let）、流出（out－let）、外边界（boundary）、和船体（ship），相应各边界的边界条件为速度流入（velocity－inlet）、自由出口（outflow）、对称边界（symmetry）和壁面（wall）。

入口 in－let，设为速度入口;出口out－let，设为自由出口，这是因为对于出流未知的情况，通常采用自由出口，若采用压力出口，还需确定其压力分布，很不方便。下边界、前边界及后边界的物理外形及流动结果均呈现镜像对称特征，故设为对称边界。上边界设为对称边界实属无奈之举，此边界若设为压力边界更符合实际情况，但此边界的流出与回流难以控制，这常常使计算过程中的连续项不收敛，设置成对称边界相当于此边界的内外无质量和动量的交换，利于计算的收敛［6］;ship为船体，故设为壁面边界。

2 计算模型的验证

为了验证本文采用模型的可行性，采用相同设置对圆柱绕流进行模拟计算。圆柱体直径1 m，网格划分如图3所示，边界条件为速度入口、自由出口，其余边界为壁面，取不同雷诺数计算得到阻力系数，查阅文献［7］圆柱体的阻力系数与雷诺数的关系曲线图得到圆柱体阻力系数的参考值，对比与图4的结果如表1所示。

表1 不同雷诺数下圆柱体阻力系数计算结果

由表1可知，计算阻力系数与专业教科书上查到的阻力系数很接近，故本文关于湍流模型的相关设置及网格划分、边界条件的设置等是可行的。

3 计算结果与分析

3.1来流角度的影响

绞吸船工作时，利用装在船体上的钢桩和钢桩的起落装置来实现船体的定位和前后移动，缆绳通过绞刀桥架与固定在船体两侧的横移锚连接，船体通过收放两侧缆绳来实现自身的左右横移摆动。当船体左右横移摆动时，便出现了角，角的大小直接影响到船体所受到的来流阻力的大小。定义x方向的阻力为Fx，z方向阻力为Fz。当 角取不同值时，船体的迎流面积A会发生变化。为便于计算，本文定义船体的横截面迎流面积为A1，纵截面迎流面积为A2，船体纵向阻力为F1，船体侧向阻力为F2，如图2所示。将Fluent计算得到的Fx，Fz分解为F1，F2表示，则F1，F2可按下式求取:

相应的阻力系数按下式求取:

式中:Cd1——船体纵向阻力系数;

Cd2——船体侧向阻力系数;

ρ——来流密度，本文来流为水流，取 =1 000 kg/m3;

V∞——来流速度，取V∞=1 m/s;

A1=18.2 ×3.5=63.7 m2;

A2=86.1 ×3.5=301.35 m2。

来流速度以V∞ =1 m/s为例，各来流角度下，阻力F1，F2及阻力系数Cd1，Cd2如图 5、图 6 所示。

由图5、图6可知:1）船体受到的阻力及阻力系数大小关于θ=π/2呈基本对称趋势，对称角度的阻力值、阻力系数值大小基本相等，这是因为船体左右对称，艏艉结构近似的缘故;2）从数量上看，侧向阻力F2远大于纵向阻力F1;3）船体纵向阻力F1及其阻力系数Cd1在θ=0和θ=π时最大，θ=π/2时为零;船体侧向阻力F2及其阻力系数Cd2在θ=π/2时最大，θ=0和θ=π时为零。

阻力系数拟合公式为:

船体在部分角度的速度流线图如图7所示:

图7 船体部分角度的速度流线图

由图7可知:1）来流角度改变，船体周边流场的流动状态发生显著变化;2）由于船体对水流的阻挡作用，流动发生分离，船体背流区出现涡流，导致阻力增大，随着水流由纵向变为侧向（θ由0变为π/2），涡流区域增大，阻力随之增大，在θ=π/2时阻力达到最大。

3.2 来流速度的影响

分别以纵向阻力最大和侧向阻力最大所对应的来流角度θ=0和θ=π/2为例，来研究来流速度对船舶阻力及阻力系数的影响。来流速度分别取0.25 m/s，0.5 m/s，0.75 m/s，1 m/s，1.25 m/s，1.5 m/s。

a）阻力

θ=0时，不同来流速度下船体纵向阻力F1计算结果如图8所示，由于对称性，船体侧向阻力F2≈0;θ=π/2时不同来流速度下船体侧向阻力F2计算结果如图9所示，由于对称性，船体纵向阻力F1≈0:

由图8、图9可以看出，θ=0时船体纵向阻力F1和θ=π/2船体侧向阻力F2均随速度的增大而增大。

船体阻力拟合公式如下:

由式（7）、（8）可知，船体受到的阻力与来流速度的平方成正比。

b）阻力系数

θ=0时不同来流速度下船体纵向阻力系数Cd1和θ=π/2时不同来流速度下船体侧向阻力系数Cd2的计算结果如表2所示。

表2 θ=0纵向阻力系数Cd1和θ=π/2侧向阻力系数Cd2

由表2可知，θ=0时船体纵向阻力系数Cd1和θ=π/2时船体侧向阻力系数Cd2均与速度的大小无关，Cd1为1.01，Cd2为 1.53。

3.3 绞刀架与桩的影响

除了船体，绞刀架及定位桩对水流作用力也有贡献，针对纵向阻力最大和侧向阻力最大两个典型工况，对包含绞刀架及定位桩在内的整个船舶的作用力进行了计算分析，计算结果如表3所示。

表3 θ=0纵向阻力系数Cd1和θ=π/2侧向阻力系数Cd2

由表3可知，绞刀架与定位桩对水流阻力的影响较大，对阻力系数的影响较小。

4 结论

本文通过使用Fluent软件，采用RNGk－ 湍流模型，分别对船体在不同角度、不同流速时的周边流场进行了数值模拟，得到了不同来流角度、来流速度下船体周边流动状态的变化及船体阻力、阻力系数的变化规律，对绞吸挖泥船设计及施工具有指导意义，主要结论如下:

1）船舶阻力与来流角度及来流速度有关，同一来流角度下，船舶阻力与来流速度平方成正比;而阻力系数只与来流角度有关，与来流速度无关，对于本文船型，阻力系数计算公式见式（5）、（6）。

2）船体纵向阻力系数Cd1的变化范围为0～1，θ=0时最大，为1.01;船体侧向阻力系数Cd2的变化范围为0～1.5，θ=π/2 时最大，为1.53。

3）船体侧向阻力F2远大于纵向阻力F1。对于型长86.1 m、型宽 18.2 m、型高 5.2 m、吃水 3.5 m、产量为3 500 m3/h的船舶而言，当V∞=1 m/s（流速2节）、θ=π/2（侧向）时，船体受到的水流阻力约为230.77 kN，约为此类绞吸船横移钢缆最大拉力的50%;当V∞=1 m/s（流速2节）、θ=0（纵向）时，船体受到的水流阻力约为32.08 kN。所以，船舶现场布置时，应尽量避免出现侧面来流的情况，以减小水流的阻力，这样既有利于充分利用横移钢缆拉力切削土壤，又有利于船舶的操控，提高施工安全性。

［1］刘明俊，齐传新.风、流对航行安全影响的探讨［J］.水运科技信息，1998（3）:32-34.

［2］李水泉.黄河水上船舶阻力分析与计算［J］.甘肃科技，2011，27（12）.

［3］张福然，赵军，张学勤.水流对离岸海港码头系泊船舶作用力的研究［J］.水道港口，1995（1）:1-11.

［4］张福然，赵军.水流对顺岸码头上系泊船舶作用力的研究［J］.水运工程，1995（3）:52-55.

［5］倪福生.国内外疏浚设备发展综述［J］.河海大学常州校区学报，2004（1）.

［6］韩占忠.FLUENT流体工程仿真计算实例与分析［M］.北京:北京理工大学出版社，2009.

［7］孔珑.工程流体力学［M］3版.北京:中国电力出版社，2006.