一种超大型船舶安全富裕水深的确定方法及系统与流程

本发明涉及船舶富裕水深计算领域，特别是涉及一种超大型船舶安全富裕水深的确定方法及系统。

背景技术：

随着国际贸易的迅猛发展，水路运输的日趋繁荣，水路运输交通流量的也在快速增长，水路运输交通组织的难度在逐步增加，水路的事故总量逐年增加，事故类型包括很多种，其中最主要的是碰撞事故，这给航运企业、交通海事部门以及相关航运辅助企业带来巨大损失。

富裕水深(underkeelclearance，ukc)是船舶在通过浅滩或在浅水水域航行时船底必须保留的水深余量，是防止船舶拖底、触底、搁浅和失控的基本要素。当船舶航行在浅水水域时，因其周围流场的变化，使船体下沉、纵倾变化和操纵性能变差，为了避免船舶拖底、触底、搁浅和失控等险情的发生，必须充分地考虑到船底与水底间的安全距离，即富裕水深值。

目前研究超大型船舶安全富裕水深的方法主要是基于经验取值，这种方法并未考虑船舶在航行中，尤其在浅水水域的动态吃水部分。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种超大型船舶安全富裕水深的确定方法及系统，不仅能够通过控制船舶下沉量避免船舶在航行中出现危险，而且能够提高超大型船舶的装载率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种超大型船舶安全富裕水深的确定方法，包括：

获取超大型船舶运行参数值；

根据所述超大型船舶运行参数值，得到流体压力；

根据所述流体压力，得到超大型船舶受到的下沉力和纵倾力矩；

通过速度势建立镜像模型；

根据所述速度势建立镜像模型，建立超大型船舶下沉量计算模型；

根据所述超大型船舶下沉量计算模型，确定半波升高度；

根据所述下沉力和所述纵倾力矩，得到吃水变化和纵倾变化；

根据所述吃水变化和所述纵倾变化，确定船体最大下沉量；

获取咸淡水差、横倾增加吃水和油水消耗减少吃水量；

根据所述咸淡水差、所述横倾增加吃水、所述油水消耗减少吃水量、所述半波升高度和所述船体最大下沉量，确定船舶安全富裕水深；

根据所述船舶安全富裕水深，控制超大型船舶的下沉量。

可选的，所述根据所述超大型船舶运行参数值，得到流体压力，具体包括：根据所述超大型船舶运行参数值采用公式得到流体压力；

其中，p为流体压力，ρ为流体密度，g为重力加速度，u为船舶航速，φx为任意一点扰动速度势，为扰动速度势梯度。

可选的，所述根据所述流体压力，得到超大型船舶受到的下沉力和纵倾力矩，具体包括：

根据所述流体压力采用公式得到超大型船舶受到的下沉力；

根据所述流体压力采用公式得到超大型船舶受到的纵倾力矩；

其中，为坐标原点至船体湿表面sb上任意一点的向量，为船体受到的沿三个坐标轴方向的力，为船体受到的绕三个坐标轴旋转的力矩，为船体湿表面单位内法向矢量。

可选的，所述根据所述超大型船舶下沉量计算模型，确定半波升高度，具体包括：

根据所述超大型船舶下沉量计算模型，计算波面升高度；

根据所述波面升高度，确定半波升高度。

可选的，所述根据所述下沉力和所述纵倾力矩，得到吃水变化和纵倾变化，具体包括：

根据所述下沉力和所述纵倾力矩采用公式得到吃水变化和纵倾变化；

其中，f30为船体静浮状态时的下沉力，m20为船体静浮状态时的纵倾力矩，f为第k次迭代的船体下沉力，m为第k次迭代的船体纵倾力矩，△t为吃水变化量，△t为纵倾变化量。

可选的，所述根据所述吃水变化和所述纵倾变化，确定船体最大下沉量，具体包括：

根据所述吃水变化和所述纵倾变化，确定船体平均下沉量；

根据所述船体平均下沉量采用smax＝lpp·(sm+0.5|t|)，得到船体最大下沉量；

其中，lpp为船长，t为纵倾，smax为船体最大下沉量，sm为船体平均下沉量。

可选的，所述根据所述咸淡水差、所述横倾增加吃水、所述油水消耗减少吃水量、所述半波升高度和所述船体最大下沉量，确定船舶安全富裕水深，具体包括：

根据所述咸淡水差、所述横倾增加吃水、所述油水消耗减少吃水量、所述半波升高度和所述船体最大下沉量采用公式确定船舶安全富裕水深；

其中，hukc为船舶安全富裕水深，δρ为咸淡水差，δb为横倾增加吃水，为半波升高度，δd为油水消耗减少吃水量，squat为船舶最大下沉量。

一种超大型船舶安全富裕水深的确定系统，包括：

第一获取模块，用于获取超大型船舶运行参数值；

流体压力确定模块，用于根据所述超大型船舶运行参数值，得到流体压力；

下沉力/纵倾力矩确定模块，用于根据所述流体压力，得到超大型船舶受到的下沉力和纵倾力矩；

镜像模型建立模块，用于通过速度势建立镜像模型；

下沉量计算模型建立模块，用于根据所述速度势建立镜像模型，建立超大型船舶下沉量计算模型；

半波升高度确定模块，用于根据所述超大型船舶下沉量计算模型，确定半波升高度；

吃水变化/纵倾变化确定模块，用于根据所述下沉力和所述纵倾力矩，得到吃水变化和纵倾变化；

船体最大下沉量确定模块，用于根据所述吃水变化和所述纵倾变化，确定船体最大下沉量；

第二获取模块，用于获取咸淡水差、横倾增加吃水和油水消耗减少吃水量；

船舶安全富裕水深确定模块，用于根据所述咸淡水差、所述横倾增加吃水、所述油水消耗减少吃水量、所述半波升高度和所述船体最大下沉量，确定船舶安全富裕水深；

装载率确定模块，用于根据所述船舶安全富裕水深，控制超大型船舶的下沉量。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明一种超大型船舶安全富裕水深的确定方法及系统。通过获取超大型船舶运行参数值；根据参数值，得到流体压力；根据流体压力，得到超大型船舶受到的下沉力和纵倾力矩；根据速度势建立镜像模型，建立超大型船舶下沉量计算模型；根据上述算模型，确定半波升高度；根据下沉力和纵倾力矩，得到吃水变化和纵倾变化；根据吃水变化和纵倾变化，确定船体最大下沉量；根据咸淡水差、横倾增加吃水、油水消耗减少吃水量、半波升高度和船体最大下沉量，确定船舶安全富裕水深；根据船舶安全富裕水深，确定超大型船舶的装载率。通过船舶安全富裕水深不仅能够通过控制船舶下沉量避免船舶在航行中出现危险，而且能够提高超大型船舶的装载率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明超大型船舶安全富裕水深的确定方法流程图；

图2为本发明富裕水深示意图；

图3为本发明船舶在浅水中航行示意图；

图4为本发明自由面、船体表面和岸壁表面关于水底的镜像示意图；

图5为本发明船体表面的网格划分示意图；

图6为本发明设计航速下船舶的自由面网格划分图；

图7为本发明超大型船舶安全富裕水深的确定系统结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种超大型船舶安全富裕水深的确定方法及系统，不仅能够通过控制船舶下沉量避免船舶在航行中出现危险，而且能够提高超大型船舶的装载率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明超大型船舶安全富裕水深的确定方法流程图。图2为本发明富裕水深示意图。图3为本发明船舶在浅水中航行示意图。图4为本发明自由面、船体表面和岸壁表面关于水底的镜像示意图。图5为本发明船体表面的网格划分示意图。图6为本发明设计航速下船舶的自由面网格划分图。如图1所示，一种超大型船舶安全富裕水深的确定方法包括：

步骤101：获取超大型船舶运行参数值；所述超大型船舶运行参数值包括船舶吃水量、水深、船速和环境因素，所述环境因素包括流体密度和风速。

步骤102：根据所述超大型船舶运行参数值，得到流体压力，具体包括：

根据所述超大型船舶运行参数值采用公式得到流体压力；

其中，p为流体压力，ρ为流体密度，g为重力加速度，u为船舶航速，φx为任意一点扰动速度势，为扰动速度势梯度。

考虑船舶以恒定航速u在浅水中匀速向前行驶。采用右手直角坐标系o-xyz，其中o-xy平面与静水面重合，x轴指向船首，y轴指向船体右舷，z轴垂直向下，h为水深，t为吃水。

假定流体为不可压理想流体，流动无旋，则存在扰动速度势在流场中满足laplace方程：

同时在流场边界上满足下列边界条件：

(1)在船体湿表面sb上：

式中：为船体湿表面单位内法向矢量。

(2)在岸壁湿表面sw上：

式中：为岸壁岸壁湿表面上指向流场外部的单位法向矢量。

(3)在水底z＝h上

φz＝0(4)

在自由面sf(z＝ζ(x,y))，综合自由面边界条件为：

其中ζ为自由面升高，g为重力加速度。

在无穷远处满足衰减条件：

式中：

辐射条件：φ应满足在船舶远前方无波的条件。

求解以上定解问题得到扰动速度势φ，便可根据bernoulli方程可得流场中的流体压力：

式中ρ为流体密度。

步骤103：根据所述流体压力，得到超大型船舶受到的下沉力和纵倾力矩，具体包括：

根据所述流体压力采用公式：

得到超大型船舶受到的下沉力。

根据所述流体压力采用公式：

得到超大型船舶受到的纵倾力矩。

其中，为坐标原点至船体湿表面sb上任意一点的向量，为船体受到的沿三个坐标轴方向的力，为船体受到的绕三个坐标轴旋转的力矩，为船体湿表面单位内法向矢量。

步骤104：通过速度势建立镜像模型。

采用一阶三维rankine源面元法求解以上边值问题。流场中任意一点p(x,y,z)的速度势φ可用边界上分布的rankine源来表达：

式中，s＝sf+sb+sw+sh+s∞表示流场的边界面；sf表示自由面；sb表示船体表面；sw表示岸壁表面；sh表示水底面；s∞表示无穷远处边界面；q为边界面s上的源点；σ(q)为q点的源强；r(p,q)为场点p和源点q之间的距离。

式(10)自动满足laplace方程和无穷远处s∞的扰动衰减条件。由于本发明仅考虑水底面为一水平面的情况，故可以采用镜像原理，原像和其关于水底的镜像具有相同的源分布。因此式(10)可以改写为：

式中：ss'＝sf+sb+sw+s'f+s'b+s'w，s'f、s'b和s'w分别为sf、sb和sw关于水底的镜像。

步骤105：根据所述速度势建立镜像模型，建立超大型船舶下沉量计算模型；

将船体表面、自由表面和岸壁表面分别离散为nb、nf和nw个面元，假定每个面元上的源强是一常量，并以面元的几何平均点为配置点。由式(11)可得流场中任意一点p(x,y,z)的速度势的离散形式：

式中：n＝nb+nf+nw，σi为第个面元i上的源强，si为第i个面元，si'为si关于水底的镜像，r'为源点q关于水底的镜像点q'到场点p的距离。

若令则式(12)可改写为：

将式(13)代入式(11)和(12)中，得到：

由于自由面条件是非线性的，而且须在未知的波面上满足，因此运用牛顿迭代法来满足以上条件。将式(15)和(7)改写为：

假设第k步迭代时，ζ和σi的近似值分别为z和ai，对式(16)和(17)在近似值处作一阶taylor展开，得到：

消去z得：

ζ和σi的近似值分别为z和ai，e^(k)为k次迭代后的场强，f^(k)为k次迭代后的下沉力，fz^(k)为波面升高度为z时且k次迭代后的下沉力，ez^(k)为波面升高度为z时且k次迭代后的场强。

步骤106：根据所述超大型船舶下沉量计算模型，确定半波升高度，具体包括：

根据所述超大型船舶下沉量计算模型，计算波面升高度。

根据所述波面升高度，确定半波升高度。

联立式(14)、(15)和(20)分别对应的船体上nb个、岸壁上nw个，以及自由面上nf个方程得到一个n阶的线性方程组。求解此方程组得到第k步迭代的n个未知源强。由式(18)求得本次迭代的波面升高为：

步骤107：根据所述下沉力和所述纵倾力矩，得到吃水变化和纵倾变化，具体包括：

根据所述下沉力和所述纵倾力矩采用公式得到吃水变化和纵倾变化；

其中，f30为船体静浮状态时的下沉力，m20为船体静浮状态时的纵倾力矩，f为第k次迭代的船体下沉力，m为第k次迭代的船体纵倾力矩，△t为吃水变化量，△t为纵倾变化量。

其中，aw是水线面的面积；xw是水线面形心的纵向坐标；为排水体积；为纵稳心高。其中iw为水线面关于漂心的纵向惯性矩。通常，xw的值近似为零，因此

步骤108：根据所述吃水变化和所述纵倾变化，确定船体最大下沉量，具体包括：

根据所述吃水变化和所述纵倾变化，确定船体平均下沉量。

根据所述船体平均下沉量采用smax＝lpp·(sm+0.5|t|)，得到船体最大下沉量。

其中，lpp为船长，t为纵倾，smax为船体最大下沉量，sm为船体平均下沉量。

步骤109：获取咸淡水差、横倾增加吃水和油水消耗减少吃水量，具体包括：

(1)计算咸淡水差

式中：δρ为咸淡水差，单位：m；δ为进入新水域前的排水量，单位：t；tpc为该排水量下标准海水密度时每厘米吃水吨数，单位：t/cm；ρ为标准海水密度，一般情况下，ρ＝1.025g/cm³；ρ1为新水域的水密度；ρ0为原水域的水密度。

(2)计算横倾增加吃水

船舶在水深有限的水深中航行时，要考虑横倾会增加吃水的因素。吃水增加量可按下式近似算出：

式中：δb为横倾增加吃水，单位：m；b为船宽，单位：m。

使用时，可列成下表备查。

表1不同横倾角时的吃水增加量

(3)确定油水消耗减少吃水量

根据实际实验中，将船放在静水中，根据需求，不断减少油水，来实际测量出减少的吃水量。

步骤110：根据所述咸淡水差、所述横倾增加吃水、所述油水消耗减少吃水量、所述半波升高度和所述船体最大下沉量，确定船舶安全富裕水深，具体包括：

根据所述咸淡水差、所述横倾增加吃水、所述油水消耗减少吃水量、所述半波升高度和所述船体最大下沉量采用公式确定船舶安全富裕水深。

其中，hukc为船舶安全富裕水深，δρ为咸淡水差，δb为横倾增加吃水，为半波升高度，δd为油水消耗减少吃水量，squat为船舶最大下沉量。

步骤111：根据所述船舶安全富裕水深，控制超大型船舶的下沉量。

本发明通过采集超大型船舶运行参数值，计算大型船舶船体湿表面面积，建立大型船舶下沉量数学模型，计算船舶下沉量；根据富裕水深的组成及影响因素，在船舶动态下沉量计算和综合测量的基础上，运用解析式、半经验公式的方法构建不同类型的超大型船舶在不同海况和不同装载条件下船舶安全富裕水深计算模型，根据船舶安全富裕水深计算模型确定船舶安全富裕水深。本发明不仅能够通过控制船舶下沉量避免船舶在航行中出现危险，而且能够提高超大型船舶的装载率。

图7为本发明超大型船舶安全富裕水深的确定系统结构图。如7所示，一种超大型船舶安全富裕水深的确定系统包括：

第一获取模块201，用于获取超大型船舶运行参数值。

流体压力确定模块202，用于根据所述超大型船舶运行参数值，得到流体压力。

下沉力/纵倾力矩确定模块203，用于根据所述流体压力，得到超大型船舶受到的下沉力和纵倾力矩。

镜像模型建立模块204，用于通过速度势建立镜像模型。

下沉量计算模型建立模块205，用于根据所述速度势建立镜像模型，建立超大型船舶下沉量计算模型。

半波升高度确定模块206，用于根据所述超大型船舶下沉量计算模型，确定半波升高度。

吃水变化/纵倾变化确定模块207，用于根据所述下沉力和所述纵倾力矩，得到吃水变化和纵倾变化。

船体最大下沉量确定模块208，用于根据所述吃水变化和所述纵倾变化，确定船体最大下沉量。

第二获取模块209，用于获取咸淡水差、横倾增加吃水和油水消耗减少吃水量。

船舶安全富裕水深确定模块210，用于根据所述咸淡水差、所述横倾增加吃水、所述油水消耗减少吃水量、所述半波升高度和所述船体最大下沉量，确定船舶安全富裕水深。

装载率确定模块211，用于根据所述船舶安全富裕水深，控制超大型船舶的下沉量。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。