受限水域影響下的船舶操縱案例輔助

受限水域的影響

一、受限水域影響的概況二、移動(dòng)阻力的增加及航行于淺水時(shí)的降速

三、航行中船體下沉與縱傾變化

四、淺水對(duì)操縱性的影響五、岸壁效應(yīng)與狹水道保向

六、淺水域航行時(shí)的富余水深受限水域是指對(duì)于所操縱的船舶而言水深較淺的水域和寬度較窄的水道。

一、受限水域影響的概況1.出現(xiàn)受限水域影響的水深及航道寬度2.淺水影響概要3.窄水影響概要

1．出現(xiàn)受限水域影響的水深及航道寬度1）水深

相對(duì)而言，因船有大小之分，故是否屬于淺水域應(yīng)依水深與船舶吃水之比H/d而定,H/d值，也稱為相對(duì)水深，在船舶操縱中是一個(gè)很重要的概念。根據(jù)霍夫特的研究可作如下界定。（1）從對(duì)船體前進(jìn)時(shí)阻力的影響來區(qū)分，低速船以H/d≤4，高速船以H/d≤10，即可作淺水域?qū)Υ?。?）從出現(xiàn)對(duì)船體橫向運(yùn)動(dòng)的影響來區(qū)分，以H/d≤2.5為界作淺水域?qū)Υ?；同時(shí)，該數(shù)值也可作為對(duì)船舶前進(jìn)中的操縱性有影響的水深界限。（3）對(duì)操縱性有較明顯影響，并達(dá)到易發(fā)現(xiàn)程度的水深則應(yīng)以H/d≤1.5來界定。

2）航道寬度從操船角度分析，通常認(rèn)為應(yīng)以航道有效寬度W與船長(zhǎng)之比而定。（1）考慮到出現(xiàn)岸壁效應(yīng)時(shí)，應(yīng)以W/L≤2來界定，作為窄水域?qū)Υ?。?）對(duì)操縱性有明顯影響，并達(dá)到易發(fā)現(xiàn)程度的航道寬度則應(yīng)以W/L≤1來界定。應(yīng)注意的是，上述航道寬度W是指航道的底部寬度，而非平均寬度和水面寬度。

2．淺水影響概要從船舶運(yùn)動(dòng)來看，由深水域駛?cè)霚\水域?qū)⒊霈F(xiàn)以下現(xiàn)象。

1）船舶阻力增大，船速降低；同轉(zhuǎn)速下船速較深水域?yàn)榈汀?/p>

2）船體中部低壓區(qū)向船尾擴(kuò)展，船體下沉，并伴隨縱傾變化。

3）船尾伴流增強(qiáng)，螺旋槳上下槳葉推力之差較深水明顯，因此將出現(xiàn)較深水更為明顯的船體振動(dòng)。

4）船舶在淺水域內(nèi)旋回時(shí)，因旋回阻矩增加，旋回性將變差，而航向穩(wěn)定性反而變好。

3．窄水影響概要當(dāng)船舶偏離航道中央而接近航道一側(cè)岸壁時(shí)，將出現(xiàn)偏航和偏轉(zhuǎn)效應(yīng)，即岸壁效應(yīng)。此效應(yīng)主要表現(xiàn)是：

l)船舶整體將被吸（壓）向岸壁（所謂岸吸作用）

2)船首將轉(zhuǎn)向航道中央（所謂岸推作用）

二、移動(dòng)阻力的增加及航行于淺水時(shí)的降速1．移動(dòng)阻力的增加

1）船舶的虛質(zhì)量及虛慣矩在深水中，船舶沿其前后方向的附加質(zhì)量?jī)H為船舶質(zhì)量的0.07～0.10倍；橫向附加質(zhì)量為船舶質(zhì)量的0.75～1.00倍；繞Z軸的附加慣矩則為船體慣矩的1.00倍左右。由圖可知，隨著相對(duì)水深變淺，船體越肥大，則附加質(zhì)量及附加慣矩比深水中增加的倍數(shù)越顯著。當(dāng)H/d＜2時(shí)這種增加即不容忽視，當(dāng)H/d＜1.5時(shí)，這種增加倍數(shù)將急劇增大。圖3一22淺水中船舶的附加質(zhì)量圖3一23淺水中船舶的附加慣矩圖3一24淺水域有岸壁影響時(shí)的橫向阻力系數(shù)3）航行于淺水時(shí)的降速

從深水域以船速駛?cè)霚\水域時(shí)，其船速的表達(dá)式為：圖中，為船中水線下橫剖面積的平方根與水深之比

為深水域船速的平方與水深和重力加速度之比。

圖3一25淺水域中的船舶降速率圖3一25淺水域中的船舶降速率

三、航行中船體下沉與縱傾（trim）變化

1．航行于深水域中的船體下沉與縱傾

1）與船型的關(guān)系

2）與船速的關(guān)系傅汝德數(shù)Fr=V/gL

Fr=0.06時(shí)開始下沉；

Fr<0.3,首尾均下沉，但首下沉大于尾下沉

Fr>0.3,尾下沉開始大于首下沉

Fr>0.6,尾傾增大，船舶開始上浮。圖3一28船舶在淺水域與深水域中航行時(shí)船體下沉的比較2．航行于淺水域中的船體下沉與縱傾成因：主要是由于淺窄航道的阻塞效應(yīng)，導(dǎo)致船舶相對(duì)于周圍附近海水的平均速度與船速值不相等，其差值稱為回流速度(排開流)，而引起水位下降，又由于船舶應(yīng)維持正浮狀態(tài)，船體就出現(xiàn)下沉。傅汝德數(shù)對(duì)首尾下沉量的影響亞臨界區(qū)臨界區(qū)超臨界區(qū)船體下沉量的變化與船速有關(guān)，一般船速用傅汝德數(shù)Fnh=V/gh

表示，稱為水深傅汝德數(shù)其變化的典型曲線見圖。一般將水深傅汝德數(shù)Fnh從0到首下沉量最大對(duì)應(yīng)的Fnh間，稱為亞臨界區(qū)

，而將從此到Fnh=1

間，稱為臨界區(qū)，而將Fnh>1間，稱為超臨界區(qū)。在亞臨界區(qū)，船舶近似平吃水下沉。通常，細(xì)長(zhǎng)型船會(huì)略有尾傾；對(duì)于豐滿型船，如油輪、內(nèi)河船，會(huì)略有首傾。在超臨界區(qū)，出現(xiàn)水位上升，因此，船舶上浮。隨著船速的增加，從亞臨界向超臨界區(qū)過渡不是突然地出現(xiàn)，而是慢慢過渡，所以，將該區(qū)稱為臨界區(qū)。在這個(gè)區(qū)中，船排開的水不能繞過船舶的橫截面，將有一部分迅速升起的在船的前部而成為首波，因此，導(dǎo)致船首上浮，船尾下沉，所以，會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的尾傾。

3．淺水域船首下沉量的估算1）塔克（Tuck）等人在對(duì)船型作適當(dāng)假定的條件下給出了求平均下沉量S和縱傾變化τ的公式：式中，CB為方形系數(shù)；

L、B、d分別為船長(zhǎng)、船寬和船舶吃水（m）；

L/B——船舶長(zhǎng)寬比；

Frh為水深的傅汝德數(shù)，；

H—水深（m）；2）霍夫特結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出了估算相對(duì)縱傾變化的公式式中，△為船舶排水量（m3）。3)美國(guó)Barrass對(duì)大型船下沉量計(jì)算公式：S為重心處平均下沉量，V為船速（kn)3）查曲線求取首尾下沉量法圖3一29求取首、尾下沉量曲線5）在有限寬淺航道中下沉量的計(jì)算Barrass的公式阻塞系數(shù)當(dāng)深度和寬度同時(shí)受到限制時(shí)，將同時(shí)發(fā)生淺水效應(yīng)和岸壁效應(yīng)，這兩種效應(yīng)相互疊加，使岸壁效應(yīng)和淺水效應(yīng)更加嚴(yán)重，這種效應(yīng)稱為阻塞效應(yīng)。阻塞效應(yīng)與船舶橫截面積和航道橫截面積之比有關(guān)。該比值越大，阻塞效應(yīng)越明顯。

四、淺水對(duì)操縱性的影響

1．淺水對(duì)舵力的影響

2．淺水對(duì)旋回性、航向穩(wěn)定性的影響

3．淺水對(duì)停船性能的影響1．淺水對(duì)舵力的影響在淺水中航行，由于渦流和伴流的增強(qiáng)導(dǎo)致了舵力的降低，且水深吃水比越小，舵力下降得越多；然而，當(dāng)螺旋槳轉(zhuǎn)速仍保持定值，考慮到淺水域中因船速減低導(dǎo)致螺旋槳滑失比得以提高，提高了螺旋槳的排出流的速度，以及淺水域中舵的下緣距海底較近導(dǎo)致舵的整流作用得以加強(qiáng)等因素的影響，又使前述舵力降低得到了補(bǔ)償?？偟膩砜矗媪τ兴陆档陆挡淮?。2．淺水對(duì)旋回性、航向穩(wěn)定性的影響淺水域，船舶虛慣矩、旋回阻矩均有較大增加，其中旋回阻矩的增加較虛慣矩增加得更快。故淺水中船舶旋回性變差，航向穩(wěn)定性變好。圖3一30淺水中Z形試驗(yàn)超越角的變化圖3一31螺旋試驗(yàn)中航向不穩(wěn)定區(qū)域的變化圖3一32同航速等舵角條件下淺水域與深水域中旋回初徑的比較圖3一33DW27.8萬噸油輪旋回試驗(yàn)記錄

圖3一34淺水對(duì)加速旋回的影響

3．淺水對(duì)停船性能的影響船舶駛于淺水域時(shí)，因船體下沉、首傾、興波增強(qiáng)、二維流增速等原因，船體阻力將有所增加。另外，也由于螺旋槳推進(jìn)效率的某些降低，故總的看來沖程會(huì)有一定程度的減小。特別表現(xiàn)在剛停車后余速較高的一段時(shí)間內(nèi)，淺水阻力較大的特點(diǎn)將有利于較快降速減小沖程，當(dāng)降速至較低船速時(shí)，因?yàn)樯鲜鲎饔靡蛩氐臏p弱，減速情況趨緩，所以對(duì)減小沖程的作用也將減弱。

五、岸壁效應(yīng)與狹水道保向

1．岸壁效應(yīng)水道寬度受限時(shí)，當(dāng)船舶偏航接近水道岸壁，因船體兩舷所受水動(dòng)力不同，而出現(xiàn)的船舶整體吸向岸壁、船首轉(zhuǎn)向中央航道的現(xiàn)象稱為岸壁效應(yīng)。2.彈性(Cushion)效應(yīng)：船舶以一定橫向速度接近岸壁過程中，作用于船體上的水動(dòng)力隨離岸距離的減小而增加。

1）岸吸（suction、attraction）與岸吸力近岸壁航行時(shí)，船體被岸壁“吸攏”的現(xiàn)象稱為岸吸。其原因在于作用于船體而其方向指向岸壁的岸吸力。該力F可按下式估算：式中，F(xiàn)為岸吸力（N）；

W為水密度，為104.5kgsec2/m4；

L為船舶水線長(zhǎng)度（m）；

d為船舶吃水（m）；

CF為H/d=1.4時(shí)的岸吸力系數(shù)；

Vs為船舶速度（m/s）；

α為水深修正系數(shù)。

2）岸推（repulsion）與岸推力矩與岸吸產(chǎn)生的同時(shí)，船首轉(zhuǎn)向中央航道而“離岸”的現(xiàn)象稱為岸推。其原因在于岸推力矩的作用，該力矩可按下式估算：3）岸壁效應(yīng)相關(guān)因素實(shí)船操縱和模型試驗(yàn)均表明，岸壁效應(yīng)與下列因素有關(guān)：（1）距岸越近、偏離中心航道越遠(yuǎn)岸壁效應(yīng)越明顯。但距離很小時(shí)，首搖力矩可能會(huì)減小。（2）水道寬度越窄，岸壁效應(yīng)越激烈。（3）水深越淺、岸壁效應(yīng)越明顯;當(dāng)h/d達(dá)到某一臨界值，在1.1～1.25之間時(shí)，船舶將發(fā)生“岸吸”現(xiàn)象；當(dāng)h/d小于上述數(shù)值范圍時(shí)，船舶將發(fā)生“岸推”現(xiàn)象，且岸推力矩顯著增大。

。（4）船速越高，岸壁效應(yīng)越激烈,橫向力和首搖力矩大致與前進(jìn)速度的平方成正比。特別在淺水中，船速的影響更加明顯。。（5）船型越肥大，岸壁效應(yīng)越明顯。(6)螺旋槳的作用：右舷螺旋槳正車時(shí)，船尾將發(fā)生“岸吸”；在h/d較小，螺旋槳轉(zhuǎn)速為0時(shí)，“岸吸”可能會(huì)變成“岸推”。(7)岸壁的幾何形狀的影響：岸壁的坡度、淹沒率、穿透率等幾何參數(shù)(如圖3-3-4所示對(duì)岸壁效應(yīng)影響較大。

2．狹水道岸壁效應(yīng)的影響與保向

1）越近岸壁航行時(shí)，岸壁效應(yīng)越激烈，越難以保向,平均壓舵角高達(dá)5°以上仍不足以保向，應(yīng)引起操船者重視，需盡可能使船舶的近岸距離增大，或降低船速，以保持船舶直航。

2）水道寬度越小岸壁效應(yīng)越激烈，保向越困難

3）船速越高越激烈

4）水深越淺越激烈

5）船型越肥大越激烈，保向越困難，要求保向舵角越大

六、淺水域航行時(shí)的富余水深

富余水深可由下式求出：富余水深＝海圖水深+當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)爻备撸办o止時(shí)的吃水

1．確定富余水深應(yīng)考慮的主要因素1）船體下沉和縱傾變化，淺水域尤應(yīng)注意首沉量。

2）船體在波浪中的搖蕩，包括橫搖、縱搖及垂蕩造成的實(shí)際吃水的可能變化。其下沉量可分別近似求得如下：橫搖時(shí)的吃水增量：縱搖時(shí)的吃水增量：3）圖標(biāo)水深精度。按照國(guó)際測(cè)深標(biāo)準(zhǔn)，海圖的圖標(biāo)水深可能有如下等級(jí)的誤差：水深范圍：20m以下；允許誤差0.3m

水深范圍：20～100m；允許誤差1.0m4）主機(jī)冷卻水進(jìn)口，如使用船底的海水進(jìn)口時(shí)，至少需有冷卻水進(jìn)口直徑1.5～2倍的船底富余水深。5）為安全操船而確保必要的操縱性所需的富余水深。6)其它方面海水與淡水的影響假設(shè)為船舶可安全通過航道的最小水深，根據(jù)研究表明，可表示為

其中，d為船舶靜止時(shí)的吃水；△h為水深的誤差，包括海況、氣象等條件的變化引起的水深變化及海圖的水深誤差等；h1

為船舶在靜水中運(yùn)動(dòng)時(shí)引起的吃水變化；h2

為海浪引起船舶搖蕩而產(chǎn)生的吃水變化；h3

為維持船舶有足夠的操縱能力應(yīng)保有的水深余量；h4

為操縱負(fù)荷的不穩(wěn)定和操船引起縱傾和橫傾而使吃水的變化h5

為海水、淡水比重變化而引起的吃水的變化。2.富余水深的確定經(jīng)驗(yàn)估算法歐洲引水協(xié)會(huì)（EMPA），對(duì)進(jìn)出鹿特丹、安特衛(wèi)普港的船舶建議采用如下的富余水深：外海水道港外水道港內(nèi)