【CAE案例】通过船只对水面高程的影响分析
01 研究背景
内河航运是一种历史悠久的运输方式，价格低廉，吞吐量大，在运送大宗商品时具备独特的优势，对沿岸港口城市的发展有着巨大的助力作用。从世界内河货运量来看，长江水系，珠江水系，京杭运河均是排名靠前的航段。大型货轮在内河航行时，会产生较大尾流，改变一定范围的水位，流速，以及水流冲击力，可能会对港口内正在停泊的船只造成不良影响。为了保证航运的长期稳定运营，有必要研究船只通行对水面的影响，这便需要用到水动力模拟软件对相关河道进行仿真计算。
02 案例展示
来自英国的研究员们运用open TELEMAC软件，在目标港口周围，总长约为25公里的水域建立模型，对一系列情景进行了测试，如过往船只的数量、速度、船只之间的距离，以模拟多种因素对港口水面状态的影响。南端为海口，南北测均有一组测点，各装有两个和三个测量计，可提供测深，水位，流速等数据。模型情况如下图所示。
图 1：TELEMAC-3D模型范围及测站分布（黑点为相邻测量点）
03 模型设置
研究员们选用了TELEMAC-3D模块，以保证移动船体附近模拟结果的稳定性。在航段的上下边界区域，各用一组河道断面测深数据来描述浅水边缘的河底情况。在船只通行的航段中心部分以及关心的港口区域，网格大小为5m，而在靠近两岸的浅水部分，网格大小会设置为10m。经敏感性分析后得出，流场在竖直方向上变化不大，故仅设定了三层平面网格以简化模型。最终建成的网格下图所示。
图2：研究港口附近加密的模型网格
移动船只对水体的影响是通过在表面上施加一个与船体形状相对应的压力场实现的，所施加的压力与船体在水面以下的深度成正比，公式如下：
其中：
P为压力 [N/m2]
ρ为水体密度 [kg/m3]
g为重力加速度 [m/s2]
d为船体在水面以下的深度 [m]
04 模型验证
选取两艘货轮，船甲和船乙，它们在通过港口时，其船舶特性和运动信息等都被南北两侧的观测站记录了下来。在TELEMAC-3D模块中模拟两艘船的运行情况，模拟出的表面高程以及速度数据与实测情况比较，从而对模型进行验证。
船甲为长250米，宽41米，吃水12米的油轮，在无潮时期向北航行。该船以8.6节的速度经过南区，以8.3节的速度经过北区。船只的运行轨迹并未提供，故模型中简单设置为，沿河道中心线向西偏25m的路线前行。图3到图7显示了预测和实测水面高程的对比。
对于南端的1，3号水位计，模型在水位下降和随后上升的开始段与观测结果相匹配，但在后期没有上升到观测前的水平。
图 3：船甲，高程实测值和模拟值的时间序列，南端1号水位计（蓝色：观测数据，红色：模拟数据）
图 4：船甲，高程实测值和模拟值的时间序列，南端3号水位计（蓝色：观测数据，红色：模拟数据）
南端2号水位计处，模型高程的下降与观测结果吻合基本一致，但模型水位的上升比观测结果要晚。
图 5：船甲，高程实测值和模拟值的时间序列，南端2号水位计（蓝色：观测数据，红色：模拟数据）
船乙为一艘长250米，宽42米，吃水11米的船，行驶方向与船甲一致。这艘船当时正以8.2节的速度经过南区。图8至图10显示了预测水位和实测水位的对比。从图8可以看出，该模型在南端1号水位计处的水位下降和随后的上升与观测结果非常吻合。
图 6：船乙，高程实测值和模拟值的时间序列，南端1号水位计（蓝色：观测数据，红色：模拟数据）
在南端相邻的两个水位计处，模型的下降和上升幅度与观察值有一定出入。回升后水位的平均高度相差不大，模拟值序列较好的表现了波浪在岸边处的波动趋势。
图 7：船乙，高程实测值和模拟值的时间序列，南端2号水位计（蓝色：观测数据，红色：模拟数据）
图 8：船乙，高程实测值和模拟值的时间序列，南端3号水位计（蓝色：观测数据，红色：模拟数据）
最后，比较水深0.6m处的流速情况，如图9所示，预测的峰值速度值略小于观测到的峰值。考虑到观测到的速度会受到噪声影响，且数值约为0.3 m/s，若将这个平均速度加到预测值上，那么预测结果和观测数值之间的差异性将大幅减少。
图 9：船乙，水深0.6m处，水流速度实测值和模拟值的时间序列，南端1号水位计
模型验证结论
考虑到在运行模型时所提供的信息是有限的，例如大范围的浅水测深数据，以及船舶轨道等。模型能较好吻合实测值的趋势，已能代表很高的准确性。TELEMAC-3D模块验证的总体结论是，模型很好地再现了区域的水位变化和速度分布，可信度较高，可以进行进一步的船只通行模拟。
05 船只通行研究
为了更好地了解各因素，如船只间的相互作用和接近泊位时的减速状况，对水面状态的影响，研究员利用TELEMAC-3D模块，对一系列场景进行了模拟，各研究点如下：
a.不同船速下，船只对水位的影响
b.不同减速距离下，船只对水位的影响
c.涨退潮与船只运行方向的关系，对水位的影响
（1） 设置了三种船只的通过情况：单船通过，两艘船间隔1海里通过，以及间隔2海里通过，并将速度分别设置速度为3节和4节，观察船只行进速度对水位的影响。以4节行驶，自由水面高度明显较3节会更高（见图11），且两艘船只连续通过所造成的水位叠加效应，使水位变化的更加明显，如图中绿色和深红系列所示。
图 10：船速3节的港口水位模拟值。蓝色:1艘船、绿色:2艘船间隔1海里、深红:2艘船间隔2海里
图 11：船速4节的港口水位模拟值。蓝色:1艘船、绿色:2艘船间隔1海里、深红:2艘船间隔2海里
（2） 科学技术不同减速距离对水位的影响，也很明显。从8节减速至3节的模拟结果如下图所示。图12显示了从港口上游1.5海里处就开始减速的结果，而图13显示了从上游2.5海里处开始减速的结果。两组结果显示，与一艘船相比，两艘船通行时会对减速距离更加敏感。1.5海里和2.5海里的两个减速距离，绿线和深红线都出现了明显的起伏，而代表单艘船只的蓝线，变化则不大。
图 12：1.5海里内，8节减速至3节的港口水位。蓝色:1艘船、绿色:2艘船间隔1海里、深红:2艘船间隔2海里
图 13：2.5海里内，8节减速至3节的港口水位。蓝色:1艘船、绿色:2艘船间隔1海里、深红:2艘船间隔2海里
（3） 潮水方向与船只航行方向的关系，也会对港口的水位产生明显影响。可通过在模型上下游两端设置的水位差，形成固定速度的潮水流动。经测试后设置模型两端的边界条件，在无潮水影响的水位基础上，北部升高0.15米，南部降低0.15米，即可在全河段形成速度约为1.5节的退潮状态；做相反的水位调整，可获得相似的涨潮状态。下图中，蓝色时间序列均为无潮状态下船只以4节速度出海，对港口的水位影响，深红色的时间序列，为受退潮或涨潮影响下的水位相对变化。可发现，在船只行进方向与潮水方向一致时，港口水位与无潮影响相比会普遍偏低；与潮水方向相反时，水位会普遍更高。
图 14：单船4节速度出海，对港口水位的影响。蓝色:无潮水影响、深红:以1.5节速度退潮
图 15：单船4节速度出海，对港口的影响。蓝色:无潮水影响、深红:以1.5节速度涨潮
06 案例小结
使用TELEMAC-3D模块进行了模型计算，以模拟通过船只对水面高度的影响。首先对有实测数据的运行场景进行了模拟，以评价模型的准确性。在验证了该模型计算结果与测量值具有良好一致性后，对一系列场景进行了模拟，以预测港口处水面高度受过往船只数量、间隔距离、减速距离、潮汐作用的影响而变化的情况。
与单艘恒速通过的船只相比，有船只同行和在上游减速这两个因素，会导致港口内船舶颠簸加剧，系泊力明显上升，在安全设计时要格外注意。
07 研究结论
本研究利用TELEMAC-3D模块中水动力模拟的功能，通过设置与船体情况相似的压力驱动项，向河道模型中引入了通行船只对水位的影响，从而评估了港口内停泊点的水位状态及安全性。除了TELEMAC-3D模块中可模拟出的水位高程和速度两种要素值，还可通过与其他模块的耦合，得到波浪高度，摇摆力，偏航力矩等状态数值，作为船舶动态系泊模型的输入数据。在open TELEMAC中对25km航道进行模拟，把船只方向、速度、间隔距离、潮汐作用等因素的影响，复现在模型中，可以得到水位、波浪方向、摇摆力、偏航力矩等状态数值，为航道状态分析、港口系泊计算提供可信数据支撑。
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