铰接式顶推船船模浅水阻力试验及实船预报

董明玉,张立,2,邢磊,陈伟民,2, 苑志江,吕明冬

(1.上海船舶运输科学研究所 a航运技术与安全国家重点实验室 b.航运技术交通行业重点实验室，上海 200135;2.哈尔滨工程大学 船舶工程学院，哈尔滨 150001;3,海军大连舰艇学院,辽宁 大连 116013)

铰接式顶推船(articulated tug barge， ATB)是一种经济性和适用性较高的船舶，其结构可以分为前部载货的驳船(barge)部分和后部的顶推船(tug)部分。ATB的组合形式多样，组合形式的不同产生不同的经济效益和燃油消耗，尤其是在浅水区域中ATB的组合式船舶类型比传统运输方式更具潜力。目前以3销式为代表的ATB具有良好的应用前景，其俯视图见图 1。

图1 ATB俯视图

当船舶在江水或者近海海域航行时候，由于部分水域的水深较浅，船体周围的流速增加，船舶的黏性阻力和兴波阻力发生变化，导致船身的阻力增加，船舶航行所需功率增加，船体的航态发生变化，发生浅水效应，对船舶运输带来不利影响，因此船舶在浅水水域的阻力增加需要着重考虑。ATB船舶与传统船舶相比，性能区别较大，由于顶推船和驳船之间的相互关联影响，导致其浅水阻力特性与传统船舶不同。目前关于浅水效应的研究多集中于针对江海直达船、肥大型船舶、瘦削型船舶的浅水效应，但关于ATB的浅水效应的研究报道不多。

为得到1艘铰接式顶推船ATB的浅水阻力特性，首先对1艘总长约156.6 m的ATB在设计吃水和压载吃水时进行深水阻力试验，然后针对其在不同水深时浅水阻力性能进行试验，最后参照ITTC2017规程对ATB船组、驳船和顶推船在不同水深工况下的浅水阻力进行预报，为工程实际提供参考。

1 试验方法

对于浅水效应，水深佛劳德数是影响浅水航行中兴波阻力的重要参数，由式表示，浅水航行时候的兴波阻力由船长佛劳德数和船长水深比共同决定，而浅水水域的总阻力则受和的重要影响。通常在深水中，当>1时，船舶的尾流仅包含散波；当船舶在浅水和中等水深中，即<1时，船舶周围流场会因有限的空间而发生改变，由横波和散波组成，加速的水流会使船舶阻力增加，见图2。

图2 典型船舶在开放水域、浅水和限制水道中的阻力特点

ATB的结构形式由于与常规船舶不同，其深水阻力和浅水阻力性能与常规船舶有所区别，对比如下。

(1)

(2)

式中：为船舶航速；为重力加速度；为水深；为船长。

船模试验是获取船舶浅水阻力的方法之一，具有精度高，稳定性好的优点。采用船模试验的方法，首先分别对ATB船组、驳船和顶推船在设计吃水和压载吃水状态进行深水阻力试验，得到不同装载状态时候的阻力性能；然后设定典型水深，得到ATB船组、驳船和顶推船在不同的水深吃水比时的浅水阻力及增幅。

2 试验布置及试验工况

船舶主尺度参数见表1。

表1 船舶主尺度

分别在上海船舶运输科学研究所深水拖曳水池和风浪流水池中对ATB顶推船组进行了静水中的深水阻力和浅水阻力模型试验，见图3。

图3 船模阻力试验现场

船模深水阻力试验在深水拖曳水池中进行。确定浅水阻力试验水深时，选取实船航行区域的典型浅水水深=10.0、7.5和6.0 m。然后分别针对设计吃水和压载吃水进行深水阻力和浅水阻力试验。

3 结果分析

参照ITTC2017推荐规程将其换算到实尺度下的阻力结果，分别对比ATB、驳船和顶推船的深水阻力特性和浅水阻力。在每项对比中，使用了2种不同的对比方法：①对比不同F下的深水阻力和浅水阻力结果，见图4；②以为横坐标，对比不同浅水状态下的阻力增幅，见图5。

图4 ATB设计吃水，不同水深状态的阻力预报结果

图5 ATB设计吃水，不同浅水状态的阻力增幅

3.1 ATB船组的阻力性能

如图 4所示，ATB在深水状态下，其范围为0078～0130，属于较低的速度范围，其深水阻力增加较为缓慢，近似线性增加。当水深吃水比=20时，浅水总阻力增加趋势也较为缓慢。当水深吃水比=15和12时，ATB船组的阻力增加较快。图5中，当=2.0时，浅水阻力的增加比例为19%～35%之间，在不同下的阻力增幅较为平缓。当=15时，浅水阻力增加比例为53%～126%，此时浅水效应随的增加而增加。当=12时，>04，浅水阻力增加比例的增速较快，浅水阻力增幅可达1.0～3.5倍，增阻效应明显。

与设计吃水状态相比，压载吃水时，相同下ATB的深水阻力更低，不同水深条件下阻力值随的增加呈近似线性增加趋势，见图6、7。

图6 ATB压载吃水，不同水深状态的阻力预报结果

根据图7，不同浅水状态的压载吃水的浅水阻力增加幅度不同，当越小，浅水阻力增幅越大；随着的增加，不同浅水状态下的浅水阻力增幅呈下降趋势，且越小，下降趋势处拐点的越大。

图7 ATB压载吃水，不同浅水状态的阻力增幅

3.2 驳船的阻力性能

针对驳船的深水阻力和浅水阻力开展模型试验，得到实尺度驳船的阻力结果见图 8。

图8 驳船设计吃水，不同水深状态的阻力预报结果

由于驳船与ATB船组的长度不同，驳船航行时候的为0.086～0.144。对于深水阻力和浅水阻力，在相同的航速下，驳船的阻力较ATB船组的阻力大，这主要是因为驳船尾部的结构布置对驳船的阻力性能造成了不利影响。

由图9比较得出，当=2.0时，驳船的浅水阻力增幅为44%～70%，当>0.4时，该增幅开始增加，且驳船的浅水效应比ATB的浅水效应明显。当=1.5时，驳船的浅水阻力增加比例随着的增加而持续增加，此时，驳船与ATB的浅水阻力增加比例近似。当=12时，驳船的浅水阻力增加比例随着的增加而持续增加，但该增加比例比ATB的浅水阻力增加比例小，驳船的浅水效应没有ATB的浅水效应明显。

图9 驳船设计吃水，不同浅水状态的阻力增幅

由图10可知，驳船在压载吃水状态下，浅水阻力的增幅明显减小，在不同水深时的阻力变化趋势较为近似。

图10 驳船压载吃水，不同水深状态的阻力预报结果

图11表明，不同下的浅水阻力增幅均随的增加而呈现下降趋势，其特点与ATB在压载状态下的浅水效应有区别。

图11 驳船压载吃水，不同浅水状态的阻力增幅

3.3 推船的阻力性能

推船由于长度较短，且航速较高，因此其更高。推船的深水阻力和浅水阻力试验的范围覆盖了0.152～0.305之间，对应的阻力结果见图12。

图12 推船设计吃水，不同水深状态的阻力预报结果

图12中，当小于02时，深水阻力和浅水阻力均近似线性增加，当大于0.2，阻力增加较快。

图13中，与ATB船组和驳船的浅水阻力增幅变化趋势不同，对于不同的，顶推船的浅水阻力增幅稳定在一定范围内不随着的增加而产生更加明显的浅水效应。当=27时，推船的浅水阻力增加比例从大约1倍降低至05倍。当=20时，推船的浅水阻力增加比例从约12倍变化至90。当=16时，顶推船的浅水阻力增加比例从1.7倍增加至约2.4倍。

图13 顶推船设计吃水，不同浅水状态的阻力增幅

综上，在<1的浅水水域中，ATB、驳船和顶推船的浅水阻力特点与典型船舶有所不同，其总阻力特点受和的双重影响。在设计吃水时，ATB和驳船浅水阻力呈现增长趋势，与典型船舶的浅水阻力特点近似；但顶推船高航速，即高的特点降低了水深的影响，使其浅水阻力增幅随增长并不迅速，且在较低时下降，与典型船舶不同。在压载吃水时，ATB和驳船均呈现平稳或者下降趋势，该特点同样与典型船舶不同，而水深则决定了浅水阻力增幅的大小，即水深越小，增幅越大。设计吃水时驳船的深水阻力和浅水阻力比ATB船组的大，这主要是因为驳船尾部的布置形式对其尾部流场产生不利影响，形成紊流。当驳船和推船组合成为ATB船组的时候，其尾部流场光顺，阻力降低。而在压载状态下，驳船的深水阻力和浅水阻力均小于ATB船组的阻力，装载状态的变化削弱了结构形式的影响。

4 结论

1)在小于1.5时ATB和驳船在设计吃水状态时的浅水阻力增幅较大，在工作状态时应当避免在较小水深处进行作业。

2)ATB和驳船的浅水阻力特性与常规船舶不同，在典型水深航行时，较小的下即开始产生明显的阻力增幅，因此在船舶设计阶段应适当增加功率储备。

3)和共同影响了ATB、驳船和顶推船的浅水阻力，在航行时应当着重关注水深和航速的影响，以避免浅水阻力增加带来的航行安全问题。