《Ocean Engineering》：Hydrodynamic effects of ship passage in confined channels: A multi-parameter study
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内河航行对河岸侵蚀的水动力影响研究通过实验与数值模拟相结合的方法，分析船速、水深、渠道宽度和岸坡角度四个参数对水流与波浪的作用机制，发现极端条件会加剧表面凹陷、回流速度、波浪幅度及湍流 wakes 现象，导致河岸失稳。
P. Nieutin|C. Maubant|G. Pineau|M. Ba|D. Calluaud
Pprime研究所，法国国家科学研究中心（CNRS）- 波城大学 – ISAE-ENSMA，Hydée团队，86000，波城，法国
摘要
本研究探讨了内河航行对河岸的影响。采用了两种方法：在Pprime研究所的拖曳水池中进行实验测试，以及使用CFD软件StarCCM+进行数值模拟。这些方法能够详细分析船舶在受限水域通行时产生的流体动力学效应。实验中通过可调节的河岸模拟了多种航行场景，并利用立体粒子图像测速（Stereo-PIV）和立体折射技术测量了流速和水面高度。同时，还建立了一个基于SST k–ω湍流模型的数值模型，并对自由表面附近的网格进行了细化处理。该模型通过实验数据进行了验证。研究了四个关键参数：船舶速度、初始水深、河道宽度以及河岸坡度。每个参数都对流体流动特性有显著影响。极端条件（高速度、浅水深度、狭窄河道和倾斜河岸）会放大这些效应，表现为更严重的表面凹陷、更强的回流水流、更大的波浪、更湍流的尾流以及更陡的速度梯度，尤其是在河岸附近。本研究强调了控制航行条件以保护河岸的必要性。
引言
内河航运为货运物流提供了一种可持续的替代方案，尤其是在减少温室气体排放方面，相比公路运输具有优势。按吨计算，船舶排放的二氧化碳量远低于卡车（Calderón-Rivera等人，2024年；van Lier和Macharis，2014年）。然而，船舶在受限水域的航行会显著改变局部水流状况，并破坏河流生态平衡。其中最严重的影响之一是河岸侵蚀，这主要是由船舶产生的波浪和回流水流引起的（Duró等人，2020年）。这些流体动力负荷的特性和强度取决于多个因素，包括河道几何形状、水深、船舶速度和河岸结构（Kurdistani等人，2019年）。本研究的重点在于河岸而非船舶本身，尽管这一点非常重要，因为河岸是水道生态平衡的关键要素。河岸生态系统本身就很脆弱，极易受到船舶通航引起的流体动力干扰，因此需要特别加以保护。在受限水域中，航行产生的流体动力现象包括速度可与高水位时期相当的回流水流，以及与河岸相互作用的波浪，从而导致更严重的侵蚀。这些现象主要受河道特征（如宽度、深度和流量）以及船舶属性（吃水深度、速度和在河道中的位置）的影响。关于受限水域水流的现有文献仍然有限，尤其是在水流和波浪生成方面。本研究旨在加深我们对这些现象的理解。
计算流体动力学（CFD）的最新进展使得研究人员能够详细研究船舶产生的流场和自由表面效应。数值模型能够以高空间和时间分辨率捕捉船舶、水体和河道边界之间的复杂相互作用。与实验方法相比，CFD具有更大的灵活性和更低的成本，有助于系统分析浅水效应、靠近河岸的情况以及受限河道中的流动特性。经过验证的模型与以往研究中的实验数据高度吻合（Kochanowski和Kastens，2022年；Terziev等人，2022年；Yang等人，2022年；Yao等人，2024年），证明了其在预测力、压力分布和尾流特性方面的可靠性。
尽管如此，实验测量对于验证数值预测和提高模型可靠性仍然是不可或缺的。在受控条件下进行的物理实验提供了关于船舶诱导流体动力学的关键基准数据。高分辨率技术如粒子图像测速（PIV）能够实现对船体周围及边界附近三维速度场的时间分辨映射（Wu等人，2020年；Nieutin等人，2024年），而立体折射和立体视觉方法则可以精确重建自由表面高度和尾流轮廓（Gomit等人，2013年，2015年；Page等人，2024年）。这些方法共同提供了对船舶-河岸相互作用流动结构的详细理解。
本研究结合了实验和数值分析方法，研究了船舶在受限水域中引起的流体动力学现象。数值模拟使用Star-CCM+软件进行，同时还在Pprime研究所的拖曳水池中利用立体粒子图像测速和立体折射技术进行了补充实验。系统地改变了四个关键参数——船舶速度、水深、河道宽度和河岸坡度——以量化它们对波浪生成和流动特性的影响。目的是建立可靠的、经过交叉验证的数据，将这些参数与关键流体动力学效应（如波浪放大、回流水流和河岸附近的流动扰动）联系起来，这些效应会导致河岸不稳定和侵蚀。深入了解这些现象将有助于明确哪些流体动力相互作用是导致河岸退化的主因，并提出相应的解决方案。
实验和数值模拟细节
拖曳水池和船舶模型
为了精确控制测试条件，实验通道设计为矩形截面。实验在Pprime研究所的拖曳水池中进行。该设施的特点是具有光学观测窗口：观察窗口位于水池底部和一侧墙壁上，贯穿整个水池长度。水池长35米，宽1.5米。为了在保持低水位的同时保证视线清晰
受限水域中船舶周围的流体动力学现象
图8展示了参考案例中的尾流情况。河道宽度为1.0米，水深为0.1米，吃水深度为0.075米。阻塞比为0.156。船舶以0.6米/秒的速度被拖曳。基于湿面积计算的弗劳德数（Froude number）为0.65，属于亚临界尾流状态。主要波浪的深度（或如果无法清晰区分，则指水位凹陷处的最大深度）用A表示。
拖曳速度的影响
图11和图12展示了不同拖曳速度下船舶模型周围自由表面高度和纵向速度场的测量结果。即使在最低速度下（图11a），也能观察到船体周围自由表面的凹陷。这种凹陷的幅度随拖曳速度的增加而增大，这与Schijf的理论框架（Schijf，1949年）以及Delefortrie等人（2024年）的再研究结果一致。当拖曳速度为0.4米/秒时（图11b），凹陷程度约为
结论
本研究旨在量化内河航行对河岸的影响，特别关注生态系统的保护和可航行水道的可持续管理。为此，采用了两种互补的方法：在Pprime研究所的拖曳水池中进行实验测试，以及使用CFD软件StarCCM+进行数值模拟。这两种方法相结合，使得能够详细分析船舶通行时产生的流体动力学现象。
CRediT作者贡献声明
P. Nieutin：撰写初稿、可视化处理、方法论设计、数据分析、形式化分析。C. Maubant：方法论设计、数据验证、撰写及审稿编辑。G. Pineau：撰写初稿、指导工作。M. Ba：指导工作。D. Calluaud：撰写初稿、指导工作、方法论设计、资金筹集。
资金支持
本研究部分或全部由法国国家研究署（ANR）在项目ANR-23-CE51-0032-01的支持下进行，同时也得到了新阿基坦大区（Nouvelle Aquitaine）在项目AAPR2021-2020-12002110下的资助。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益和个人关系：CALLUAUD Damien表示获得了新阿基坦大区的财务支持。如果还有其他作者，他们声明自己没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
