【CAE案例】通过船只对水面高程的影响分析
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。
图 1：TELEMAC-3D模型范围及测站分布（黑点为相邻测量点）
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：
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）
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）
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
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。
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：
不同船速下，船只对水位的影响
不同减速距离下，船只对水位的影响
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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
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
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。
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