超巴拿马型集装箱船上的风荷载外文翻译资料

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超巴拿马型集装箱船上的风荷载

英格丽-文森特安徒生

摘要

一项关于调查集装箱配置对9000 TEU级集装箱船甲板上风力的影响通过一系列具有1:450规模模型的风洞试验已经开始进行。通过使用早期研究的分析来选择一系列适用于测试的加载条件。风洞试验在风洞天然形成的边界层进行。该调查主要测量纵向和横向力和横摆力矩，测量结果排除了风洞边界层和堵塞的影响。结果呈现为两种不同类型的无量纲系数。正如预期的那样，力和力矩取决于甲板上的集装箱配置。测试结果能够提供风力的大小如何受到给定的集装箱配置影响的大致想法。

关键词：风荷载；风力；风阻；集装箱堆放；集装箱船；风洞

1.介绍

集装箱船的燃油效率和性能由于经济和环保的考虑引发了越来越多的关注。人们进行大量投资以求提高集装箱船的燃油效率，哪怕只提高几个百分点。集装箱船在海上会遇到空气和风阻力，在港口和密闭的水道可能也会遇到风的不利影响。从燃料消耗来看，集装箱船在海上遭遇的阻力是最突出的。几乎没有任何措施被用来完成最小化风阻。风阻相对风速平方和方向和投影集装箱船的风挡区域成正比。不像大多数其他集装箱船类型，一个集装箱集装箱船具有与装载量显著不同的风挡区域条件，即在甲板上的集装箱的构造。

风洞调查风荷载如何依赖于在集装箱船的甲板上的集装箱配置被运载。这项调研由Andersson使用有19个不同的甲板配置的211 m型号集装箱船来完成。Blendermann做了10个集装箱配置的类似隧道的测试，其中随机两艘船总长度为198米和294米。其他关于更多集装箱船类型的调查也正在进行，例如Van Berlekom和Aage。本文所进行的实验在2007年进行，之后进行的一些同一主题的论文也已经出版，例如藤原等。

今天，集装箱船的规模也在增加，这和调查力和力矩如何依赖于集装箱配置在甲板上9000 TEU集装箱船也有一定关联。更重要的是集装箱船的服务速度近年来有所增加，造成相对风向靠近头风的方向和较高的相对风速。

本研究的目的是通过纯粹的实验方法，为集装箱船运营商提供直接适用的结果和提供发展基准价值新的计算方法。

论文的结构如下：首先介绍不同的风力影响集装箱船的方式，其次是标志惯例，协调系统，力和力矩的定义和无量纲系数。接着介绍物理模型，风力发电设备，风洞及其属性，测量过程。结果呈现为两种类型的无量纲系数，最后在得出结论之前讨论可能有的错误来源。

2. 方法

2.1. 坐标系

笛卡尔右手坐标系被应用在了在船上。坐标系中的轴起源于交点在L pp = 2之间的中心线和基线之间，轴的定义如下： x轴正向前。y轴对右舷是正的。z轴正向下。坐标系如图1所示。

作用于集装箱船的六个力和力矩是图2所示。他们是：

• 纵向力，x方向为正，这里定为X。
• 横向力，y方向为正，这里指定为Y。
• 垂直力，z方向为正，这里指定Z。x轴周围的力矩（导致滚动），滚到右舷时方向为正，这里指定为K。
• 关于z轴的力矩（引起偏航），弓向右舷移动时为正，这里指定为N。
• 关于y轴的力矩（导致高），弓向上移动时为正，这里指定为M。

在风洞试验中测量X，Y和N。K由于应变计的内部连接错误而不能被正确测量。

2.2. 船上风力

船上的风力一般在进行中增加集装箱船经历的阻力来影响集装箱船。

纵向力通常构成最大的一部分风阻抗。由于船相对风向的前进速度，从而使纵向力大多数情况与集装箱船的航向相反。

横向力引起偏航，漂移和偏离预期的轨迹，可以通过两种方式增加阻力。集装箱船的航向不符合航线的要求更大的阻力。相对于预期轨迹的漂移意味着舵角必须增加。增加方向舵角度也会引起阻力增加。其幅度相对于纵向力由Andersson和不同意这一观点的Van Berlekom进行讨论。跟据Andersson，同时也根据Van Berlekom的说法，从舵角增加引起的阻力起着微不足道的作用，它可以与纵向力具有相同的大小强风。根据Andersson的说法，由风引起的静态倾斜角度不会增加阻力。通常纵向力对于这一点是最重要的推进阻力。它在集装箱船总抵抗中所占的份额也由Van Berlekom和Aage讨论。根据Van Berlekom，波浪和风阻力是相同的大小。然而，Aage指出风阻力很少占总阻力的10％以上。普遍认为，立场波阻是构成总阻力中这两个的最大份额。显然，这个问题的答案在很大程度上取决于集装箱船正在运作的瞬时环境。

2.3. 相对风

当空气从任何方向流过海洋表面时都会形成天然边界层。这意味着风表面的速度为零，随着高度的增加而增加。由集装箱船运动引起的当地风场不是具有边界层并且是均匀的，如图3所示。

上述部分集装箱船遇到的实际风场因此成为了风场和组合边界层和由船前进速度造成的均匀风场的结合体。通过加上集装箱船的风场和相对风矢量，得到如图4所示相关风向。

因此，所得到的风场取决于集装箱船的速度和相对于风向和自然风速行驶和方向。

相对风速的计算使用了集装箱船速度，风速和相对于船的风向：

相对风向为，相对于逆风顺风为零。Aage和Blendermann的观察表明快速的集装箱船在运行中主要遇到了从0°到50°的相对风向。

图1 坐标系定义

图2 力量和力矩的定义

图3 船造成的局部风场和海上自然风向。

图4 相对风向

2.4. 无量纲系数

测量的力和力矩被处理后形成了无量纲系数。这是为了使结果独立的风速和集装箱船尺寸，可以拥有两种不同方法。第一种方法使用集装箱船的预计区域。通过使用经历的流速U，空气的密度r和投影的前面和侧面区域的参考面积，纵向力X和横向力Y被制成了无量纲系数，分别为：

关于z轴的力矩N使用所有 的长度类似地制成了无量纲的系数：

如果上述方法的测量结果是是实用的用于不符合几何学特性的集装箱船。使用这些系数是有利的，因为它与其他测试结果进行比较更加谨慎，结果可以用于不完全相似的集装箱船到测试船。

另一种用于无量纲系数的方法使用了Lpp。如果同一艘集装箱船的不同配置被比较，这些系数非常的实用。

图5 满负荷的参考条件的船舶模型（01-01-02）和编号的海湾。100%甲板总载荷。

图6 甲板载荷风洞模型

2.5. 前人研究

以前两次对集装箱船风力的调查发现。Blendermann得出结论：集装箱配置影响风力。不均匀的码头高度增加风阻。根据Blendermann的一艘在甲板上随机堆放的集装箱的集装箱船与满载的集装箱船相比的实验：

vindtunnel中的速度曲线

图7 风洞平均速度热线测量。 参考模型尺度10米的高度相当于22.2毫米

风洞中的湍流强度

图8 湍流强度

雷诺数

图9时的雷诺数测量

• 纵向力显著升高。
• 较小的横摆力矩。
• 较小的滚动力矩。
• 较小的偏航力矩。

图10 配置01-01-04与甲板上的一层集装箱，全甲板负荷15.8%

图11 配置01-01-03三层甲板上的集装箱，全甲板负荷47.3%

图12 配置01-01-05五层甲板上的集装箱，全甲板负荷78.25%

另外在一艘在甲板上随机堆放的集装箱（集中在前部）的集装箱船与满载的集装箱船相比。甲板（上部结构的后部）具有显著降低的偏航从0°到50°相对风向的力矩。

图13 配置一层、三层和五层的集装箱在甲板上与满负荷状态对比

Andersson认为个人配置更为详细并且得出以下结论：

• 后甲板上的配置变化影响不大关于纵向力的大小。因此空船与只有船尾甲板载物的集装箱船之间的差异并不明显。
• 前甲板上的配置变化对纵向力的大小的很重要。
• 随机集装箱配置可以增加纵向力显著。大的不规则物比如许多空海港能够使码头的纵向力比起满载，相对风向为0°左右的参考船可以增加70-100％。
• 集装箱配置在前甲板上的精简对纵向力影响不大。
• 配置对横摆力矩的影响是非常大前面有集装箱的配置在甲板上没有集装箱是不利的（横摆力矩变大），相反的情况则来自后方的相对风。
• 船侧面对横向的影响力矩和滚动力矩大。
• 在前甲板满载和精简后甲板是19个测试中最有利的配置。

图14配置01-04-01流线型船尾，满甲板载荷的91.9％

图15 配置02-1-4流线型的前后，满甲板载荷的83.1％

图16配置01-04-03流线型船首，满甲板载荷的91.1％

2.6. 集装箱配置

装载时需要考虑许多注意事项。船上的集装箱在甲板上被成堆放置。集装箱船上的一堆集装箱被称为码头。集装箱船可以装载所有的20，40和45英尺的集装箱，它们拥有相同宽度（8英尺）。所谓的高立方体集装箱高于标准的8.5英尺。必须放置冷藏集装箱于制冷电源处。含有危险品的集装箱有指定地点放置。除此之外，最重要的注意事项如下：

• 在海港时间是昂贵的，并且因此所述集装箱被装载为方便在沿途停靠的港口，以避免移动一个集装箱却装载另一个。
• 装载集装箱船时要考虑后部，修理和稳定性。
• 单个集装箱的重量决定了最大值堆叠的容许高度，以避免在海边集装箱破坏力。
• 桥上的视线必须是500米或2艘船长度较小者，即必须可以看到海面前500米的海面，这意味着在桥前面的集装箱可以堆放的高度。

图17流线型配置与满载荷条件相比

上述对集装箱装载的限制通常也需要配合装载的软件。

有时集装箱在板上丢失，这显然是一个有很多原因的缺点。船东有自己的内部集装箱堆放在最外层的高度规定。

因此，甲板上的集装箱堆叠并不是巧合，但结果可能很像巧合，同时从对大型甲板上的现实中的集装箱配置的研究，观察到不均匀的集装箱配置的广泛使用，可能会发生配置非常不均匀情况，与一个或多个完全空的舱相邻彼此或分布在甲板的长度上。集装箱配置对风力的影响很少。

集装箱船可以有无数种装载方法，起中国一些代表性的配置被选来做试验。由于时间问题，被选的配置数量有限。

图18配置01-02-01每隔一个托架，甲板满载荷的51.1％

对于测试，改变码头的高度比起改变各自堆叠方式要更简单。因此，大多数情况下，集装箱码头在整个船的宽度上都具有相同的高度。在这里考虑的集装箱船类型最大堆垛高度为七个集装箱。配置类型是在以下描述与预期的结果测试。配置的插图见于结果部分。在每个配置中投影区域和的高度和，的重心高度都被测量。在所有情况下，都要考虑视线的规定。

满载和空船：用于参考测量，在甲板上装满了集装箱，或者没有集装箱。

平均甲板负载：配置均匀负载为一，三或者五个集装箱

流线型：简化集装箱配置的效果被检验以求调查在简化桥梁前后的配置之间是否有差异。预计，如Andersson所述，衬里尾部在当船遇到前方的相对风时对纵向力具有最大的减小作用。

空托架：明显的倾向是有一些托架完全是空的，有时可能会有3-4个连续空的托架。Andersson得出结论，这些配置中的空船对纵向力的影响很大，预计随着增长而增加。空的托架数量预期的最坏情况是每两个托架都有个是空的。

图19与满载条件相比，每隔一个托架的配置为空

随机负载：大多数集装箱配置或多或少随机。显然有不同程度的“随机性”或集装箱配置中的“不均匀”，其示例已经在所选择的配置中被示例。不均匀程度被认为取决于它们之间的差异最高和最低的集装箱堆。高度越大差距越大，纵向力就越大。Andersson在后甲板上满载前甲板上的随机载荷可显著影响横摆力矩。

图20配置01-05-01，随机载入所有， 最高堆放高度七个集装箱，甲板满载载荷的68.9％

图21配置01-05-02，随机载荷，满载船尾，最高堆放高度七个集装箱，甲板满载载荷的77.8％

最外层码头堆叠高度降低：马士基航运减少最大堆栈高度在最外层的码头减少丢失集装箱的风险。预计这个主要是减少横向力，对纵向力只能有限制作用。

图22满载荷全船随机配置、船首和船尾的随机满载荷配置与全船满载荷相比。

2.7. 模型

该船的型号为1：450。只有在水线以上部分的集装箱船被建模。由于实际原因模型只有一个草稿是13米的设计草案。实际上，草案应该随着负荷的变化而变化，但是这在这种情况下不被认为是可行的或相关的。

这艘船的中心线是对称的。船有主要尺寸大致如下：

：340米

：320米

：45米

模型的最大长度受到风洞宽度的限制。该模型必须能够在风洞中转动180°，将模型的长度限制在75厘米左右，模型规模限制为1：450。

这个模型很简单，但细节程度不被认为会对结果产生负面影响。相反，对模型测试结果的影响程度很多细节将大于全尺寸，因为相对效

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