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船舶淺水效應的研究
時(shí)間:2010年01月28日   作者:佚名  點(diǎn)擊次數:次 【字體:

摘 要:船舶由深水區航行至淺水區,船舶周?chē)鞯姆植?、水阻力、船速、吃水和操縱性等發(fā)生了一系列的變化。文章就此展開(kāi)分析和研究,供船舶駕駛員在淺水區操縱船舶參考。

關(guān)鍵詞:淺水效應 橫向阻力 轉船力矩 縱傾 舵效 旋回性 操縱

引言

我國的港口和內河航道普遍存在著(zhù)水深不足,致使船舶航行經(jīng)常出現淺水效應,造成船舶的周?chē)畧?chǎng)分布、水阻力、航速、吃水和操縱性等發(fā)生了一系列對船舶的安全操縱很不利的變化。所以筆者認為必須對船舶淺水效應展開(kāi)進(jìn)一步的分析和研究,以此給船舶駕駛員在淺水區安全操船提供參考。

1 船體周?chē)鞯淖兓八畨悍植?/SPAN>

航行于淺水區的船舶,其周?chē)乃髋c船體的相對運動(dòng),和深水區有很大的不同。在深水中航行時(shí),不論其船首或船尾部分水的流動(dòng)具有三維空間內流動(dòng)的特點(diǎn)。船首處斜向(既向兩側,又向下方)向后運動(dòng),并具有向下的明顯特點(diǎn);船尾處斜向(既由兩側向縱中剖面,又向上方)向后運動(dòng),并具有明顯向上的特點(diǎn),如圖1b所示。但在淺水中航行時(shí),船首或船尾部分水的流動(dòng)因空間受到限制,原三維空間內的流動(dòng)不得不變?yōu)橄騼蓚然蛴蓛蓚韧瑫r(shí)向內的二維平面式的流動(dòng),如圖1a所示。這樣,就產(chǎn)生了不同于深水域中的船體周?chē)畨悍植嫉男虑闆r,如圖2所示。

船舶淺水效應的研究

船舶淺水效應的研究

船舶淺水效應的研究

2 船舶橫向阻力的增加及轉船力矩的加大

3表示一艘低速駁船在淺水中航行時(shí)船底流速的變化情況。船體底部與河床之間形成狹窄的水道,導致船底的流速增大;并且由于水的粘性,在河床及船底均要形成邊界面,使過(guò)水斷面更加減小,船底的流速更加增加。這種由于水深受到限制使船體與水的相對速度較深水情況有所增大,其增加的速度稱(chēng)為回流速度。

回流速度的存在導致船底流速增加,壓力降低,從而使船體下沉,吃水增加,附加質(zhì)量及附加慣性較之深水有明顯增加。而且,由于船底和河床邊界層厚度均自船首向船尾逐漸增加,使船尾部過(guò)水斷面較船首處為小,因而流速增加更大,壓力下降更甚,故船尾下沉較船首大,產(chǎn)生尾傾現象。

回流速度的存在導致淺水船周?chē)牧魉俦壬钏?,且其舷側濕面積因船體下沉而增加,所以使摩擦阻力增大。同時(shí),因水流與船體的相對速度增大,壓力下降亦大, 故首尾壓力差將增大, 并且船尾與河床的間隙小,易于發(fā)生渦流。因此渦流阻力也要增大。所以船在淺水中航行時(shí)其粘性阻力將增加。

淺水中,橫向阻力的增加,轉船力矩的加大,對操縱有重大影響??坎床倏v中船受橫向來(lái)流,或靜水中作靠岸的橫向移動(dòng),船舶所受橫向阻力及轉船力矩的大小,隨著(zhù)水深的變淺,橫向阻力及轉船力矩會(huì )有成倍的增長(cháng)。

3 船體下沉與縱傾

船舶在淺水區航行中,由于周?chē)髁魉僮儎?dòng),沿舷側水流較首尾快,使船體周?chē)畨毫Πl(fā)生變化(見(jiàn)圖4) 。船首尾部高,中間低,船舶如果保持其排水量,為了取得新的均衡,就要靜止時(shí)多下沉一些。與此同時(shí),由于船體首尾線(xiàn)形的不同,也會(huì )引起縱傾的變化。

船舶淺水效應的研究

其實(shí),即使在深水中航行的船,因船體周?chē)鷫毫Ψ植及l(fā)生的變化已形成船側水位下降,其結果將導致船舶整體下沉,同時(shí)縱傾狀態(tài)也隨之改變。這種下沉改變的程度,隨船型肥大、航速提高而變得越激烈。淺水中的船體下沉及縱傾變化,較之深水更為激烈,因而對船舶操縱影響較大,甚至產(chǎn)生船底擦碰海底的事故。這是船舶進(jìn)入淺水區域必須充分考慮的問(wèn)題。在商船速度范圍內,淺水中低速時(shí)就出現船體下沉,隨著(zhù)船速的增高,下沉的增加率也很快,首上浮時(shí)機較早。而且,越是水淺,達到最大首縱傾和開(kāi)始變?yōu)槲部v傾所需要的船速越低。因此,當船舶通過(guò)淺水時(shí),對船體下沉及縱傾現象必須引起重視,并應根據估計,求出剩余水深,以防船舶拖淺或擱淺。

影響船體下沉量大小的因素很多,它隨船舶的種類(lèi)、船體在水下的肥瘦程度、航速、水深和所航水域的性質(zhì)(開(kāi)闊水域、受限水域、封閉水域)不同而變化,很難用公式計算出包含各種因素的船體下沉量。美國U.S Army corps ofengineers推薦船舶在淺水航道中航行時(shí)船體下沉量的計算公式如下:

船體下沉量=2×CB×V2/100(m)。

式中CB為與船舶吃水相對應的方形系數;

V:船速,單位節(kn)。

為了方便使用上式,可參考表1查閱船舶在淺水航道中航行時(shí)的下沉量。

1 船體下沉計算表 單位(英尺)

CB

V

5kn

6kn

7kn

8kn

9kn

10kn

11kn

12kn

13kn

14kn

15kn

0.50

O.55

O.60

O.65

O.70

O.75

O.80

O.85

O.90

O.95

1.00

O.8

O.9

1.O

1.1

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.6

1.2

1.3

1.4

1.5

1.7

1.8

1.9

2.O

2.1

2.2

2.4

1.6

1.8

1.9

2.1

2.3

2.4

2.6

2.7

2.9

3.1

3.2

2.1

2.3

2.5

2.7

2.9

3.1

3.4

3.6

3.8

4.O

4.2

2.7

2.9

3.2

3.5

3.7

4.0

4.3

1.5

4.8

5.O

5.3

3.3

3.6

3.9

4.3

4.6

4.9

5.2

5.6

5.9

6.2

6.6

4.O

4.4

4.8

5.2

5.6

6.O

6.4

6.7

7.1

7.5

7.9

4.7

5.2

5.7

6.1

6.6

7.1

7.6

8.0

8.5

9.0

9.4

5.5

6.1

6.7

7.2

7.8

8.3

8.9

9.4

10.O

10.5

11.1

6.4

7.1

7.7

8.4

9.0

9.6

10.3

10.9

11.6

12.6

12.9

7.4

8.1

8.9

9.6

10.3

11.1

11.8

12.5

13.3

14.0

14.8

如果船舶在封閉水域航行,如運河河道中,船體下沉量將大于相應的表列數值。從公式中可看出,船速越高,越是肥大型船舶,船體下沉量越大。關(guān)于水深對下沉量的影響,一般認為,當水深小于7倍的吃水時(shí),船體下沉開(kāi)始察覺(jué)到,當水深小于2. 5倍吃水時(shí),船體下沉開(kāi)始明顯增加。隨著(zhù)船體下沉,船舶縱傾亦發(fā)生變化。一般而言,超大型中低速船首下沉量大于尾下沉量,小型高速船尾下沉量大于首下沉量。下沉量與船速的平方成正比,當船舶航行于淺水區時(shí),如果船舶首位波異常增高,則說(shuō)明富余水深太小了,有觸底危險,此時(shí)應果斷降速或停車(chē),以增大富余水深。

4 推進(jìn)器效率驟減,船速可降30%

為了使船體水線(xiàn)以下部分的形狀符合流線(xiàn)型,以減少渦流分離而產(chǎn)生的壓差阻力,并加強對螺旋槳的供水、提高螺旋槳推進(jìn)效率,船尾水線(xiàn)以下靠近基線(xiàn)部分往往比較尖,并向上抬起,一般在船中處過(guò)水斷面最小,流速最高,隨著(zhù)向后過(guò)水斷面逐漸增大,至螺旋槳盤(pán)面或舵葉處增加到最大值,使流速逐漸降低。由于螺旋槳盤(pán)面處的進(jìn)速低,來(lái)流對槳葉的攻角變大,螺旋槳的旋轉阻力大,負載增加,故螺旋槳轉速下降。同時(shí),淺水使船行波泄水受限制,興波阻力變大;當航速與移動(dòng)水波波速相當時(shí),興波阻力最大,可以看到有一巨大橫浪隨船前進(jìn)。由于航行阻力大增,船速可降低30%。

5 舵效降低,船舶旋回性變差

船舶在淺水航行,因船速下降,船底過(guò)水斷面減小,排出流流向紊亂,伴流的作用加強船尾高壓區作用,這些都損及了舵力,使舵效降低。另外,當船舶沿淺區邊緣行駛時(shí),船舷兩側的水深往往不一樣。由于船首高壓產(chǎn)生向前推進(jìn)的波浪受河底的反射較深水一側要強得多,因而在船首靠近淺水一側的壓力升高較深水一側大,使船首兩側產(chǎn)生指向深水一側的壓力差,迫使船首向深水一側轉動(dòng),這一現象俗稱(chēng)“跑舵”。在實(shí)踐中,當發(fā)現跑舵時(shí),操舵者不應用反舵將舵壓死,這將有利于船舶回到深水中,防止發(fā)生擱淺。

在淺水中用舵時(shí),其回轉角速度明顯降低。根據模型試驗表明,當水深吃水比h/T=2時(shí),回轉角速度降低為深水的85%左右;當h/T=1.25時(shí),回轉角速度為深水的50%左右。

進(jìn)入淺水后,由于舵產(chǎn)生的初始旋回力矩減少,船體旋回阻矩的增大,使旋回性指數變小,旋回性能下降。在淺水的旋回直徑,要比深水中大。根據試驗,當水深吃水比(h/T)=1.4時(shí),回轉直徑約為深水中的1.5倍;當水深吃水比(h/T)>4時(shí),則無(wú)多大影響。故船舶進(jìn)人淺水后,雖然用了舵或加大舵角,船頭往往是遲遲不肯轉動(dòng),一旦轉動(dòng)了又難以穩住。

6 淺水區安全操船的措施

6. 1 減速行駛船舶在淺水區航行,在主機功率不變的情況下,因阻力增加,船速會(huì )降低。若要保持原來(lái)船速,則要增加主機功率,但這對于提高航速毫無(wú)意義,不但浪費了燃料,而且加大了主機磨耗。減速行速,不但可以減少阻力,而且可以節約燃料,保護機器。另一方面,船舶進(jìn)入淺水區會(huì )增大吃水,船速越高,吃水增值就越大。降低船速,可減少吃水增值,防止增加碰擦河底的危險。

6. 2 測深這是駛入淺水區后的一種必要措施,用以探測航路,使船行駛于最深位置以保持一定的富余水深。

6. 3 設法提高舵效為克服在淺水區行駛時(shí)舵效差的不利影響,在操作上應注意,用舵要提前轉舵,及早回舵,使用的舵角應較大。

6. 4 備錨為防止在駛過(guò)淺水區時(shí),因舵效低和跑舵等原因而出現倒頭、失控等危險局面,可事先通知備錨,供必要時(shí)使用。

6. 5 保持船舶具有適當的尾縱傾由于一般運輸船在航行中,動(dòng)吃水增值都是首部的較大,因此,宜在開(kāi)航前就使船具有適當的尾縱傾。

6. 6 注意船舶之間的會(huì )讓由于淺水區航道淺、窄、彎、多變,水流情況復雜,給船舶航行及會(huì )讓帶來(lái)了較大的困難,故做好船舶會(huì )讓就更加重要了。船員要謹慎操作,嚴格遵守有關(guān)規章制度及內河避碰規則,加強了望,隨時(shí)作好避讓。

結束語(yǔ)

船舶航行于淺水區的情況是十分復雜的,如果船舶駕駛員不熟悉船舶淺水效應或不能及時(shí)處理各種可能出現的情況,那么船舶隨時(shí)都有擱淺或坐灘的可能。故要預防或減少船舶擱淺事故,必須加強船員的技術(shù)培訓,不斷提高其技術(shù)素質(zhì),加強安全意識,提高船員遵章守紀的自覺(jué)性及對安全航行的認識。

作者:招定友  來(lái)源:天津航海

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