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船舶浅水中流致偏转效应研究
【来源:】深圳站    【日期:】2016年05月26日   【点击数:】  【字体:

船舶浅水中流致偏转效应研究

陶杰锋1 卜仁祥2

(1. 深圳引航站,广东 深圳 518023; 2.大连海事大学航海学院, 辽宁 大连 116026

  要:浅水域流致船舶偏转效应是一个全新的课题。通过对船舶靠离泊操纵实例的分析,归纳出浅水域侧向来流导致船舶偏转的现象,探讨了船舶漂移和偏转的原因,定性分析了流致船舶偏转效应规律及影响因素,总结了有流浅水中各种典型船舶操纵情况下应用和预防偏转效应的措施,为大型船舶在有流港口进行靠离泊操纵提供参考。
 

关键词船舶; 操纵;浅水;流致偏转

中图分类号:U664.82       文献标识码:A           

Yawing Effect of Current on Ships in Shallow Water

Tao Jie-feng1 Bu Ren-xiang2

(1. Shenzhen Pilot Station, Shenzhen 518023 ,China;  2. Navigation College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

Abstract: To provide an introduction and a perspective to the subject, the effect of currents on ships yawing motion in shallow water is discussed for the first time. The yawing effect is induced from ship maneuvering practice. Kinematics and dynamics of ship in a vertical non-uniform flow are analyzed. The yawing patterns and factors are summarized. Advice is also given for safe and efficient ship handling in harbors.

Keywords: Ship; Maneuvering; Shallow water; Current; Yawing effect

 

0 引言*

船舶在浅水水域等受限水域进行操纵时,船舶的操纵性会发生很大的变化,尤其是在有流影响的情况下。探究在浅水水域流致船舶偏转的原因与规律,对于保证船舶操纵安全来说具有很强的现实意义。

在讨论具体船舶操纵的问题时,首先要考虑船体水动力及力矩的作用。一般研究外力对船舶运动的影响方法是:首先研究船舶在静水航行中的船体水动力,在此基础上,再进行各种外力影响的修正[1]。对于船舶在浅水中的操纵性变化,国内外的研究已比较成熟[1][2] ,但对浅水中流对船舶的影响研究较为少见。冯志德[3]针对船舶在受限水域操纵大幅度改向时确保船舶能较准确平稳的转至新航线上的问题探讨如何把握转向操纵时机、计算并监测回转角速度,利用该数据配合车舵进行转向,同时使用平行标绘法等交叉核对转向时的船位,为航海实际操纵转向提出建议。胡明明[4]根据大型船舶的操纵经验,浅水域的标准进行了强调,分析了大型船舶在浅水区域受到各种方面的影响,提供了浅水区域操纵大型船舶的性能与特性,为更加有效地提升大型船舶操纵性能、更好地实现大型船舶航运安全起到一定的参考和借鉴作用。

根据船舶操纵运动方程可知,均匀流只影响船舶的运动状态,而不产生水动力的变化,因此,在开阔水域,均匀流只会造成船舶的漂移,一般不会引起船舶的偏转,但笔者在操纵实践发现,在浅水中,即使是平面内均匀的流场也会引起船舶的受力变化,从而会导致船舶偏转,对于超大型深吃水船舶而言尤为明显

对浅水水域侧向来流引起船舶偏转效应的研究是一全新课题,至今航海论著上没有相关论述。本文根据船舶靠离泊实例的分析,探讨流致船舶偏转产生的原因,分析流致船舶偏转效应规律以及影响其大小的因素,总结相应的操纵经验措施,为大型船舶在有流影响的港口进行靠离泊操纵提供参考。

1问题的描述

船舶在有流浅水中航行,如果船首向与流向有一定交角,即有侧向来流时,船体将发生迎流偏转现象,对大型深吃水船舶而言,浅水域侧向来流致船舶偏转效应尤其明显。

1.1靠泊实例

以下是船舶在均匀流场中靠泊实例:某MAESK轮,该轮船长347米,吃水14.7米,船底富余水深约2米。靠泊深圳港西部港区妈湾7号泊位,当时退水约2kn,顶流靠泊(如图1所示)。在船艏离码头200米远时还保留有20°左右的入泊角,GPS航速1kn,此时发现船首明显地迎流左转。

图1.船舶偏顶流靠泊时迎流偏转

1.2离泊实例

以下是上述船舶在同样的环境中离泊实例:船舶计划向左掉头离泊出港(如下图2所示),同时有2艘拖轮进行协助操纵。

图2 船舶顶流离泊向左掉头出港时迎流偏转

 

为防止船舶在掉头过程中受流的影响漂移到妈湾电厂浅水域搁浅,所以船舶小角度离开码头后立即进车往上游行驶。当船舶有2kn的前进速度时,船舶产生了明显的迎流偏转现象,此时尽管前后各有一艘拖轮协助掉头,仍然难以克服迎流偏转效应,船舶几乎不产生旋转。后来船舶采用倒车将船停住,才恢复了正常的掉头。

1.3浅水流致偏转效应

通过以上实例可以总结出以下三个问题:(1)当有船舶前进速度时,存在一个力矩使船舶迎流偏转;(2)船舶的迎流偏转不是因为平面内的不均匀流场引起的;(3)迎流偏转的力矩大小和船舶前进速度等因素有关。

2浅水流致船舶偏转效应分析

在仅受均匀流影响情况下,船舶对地速度为船速与流速的矢量和,船体左右相对来流对称,也不会形成船体横向受力或力矩。由于浅水中的流场本质上是不均匀的,基于船舶对水运动的理论计算是不现实的。在缺少定量分析的实验条件下,本文换个角度对浅水中流致偏转效应的原因、规律以及影响因素进行定性分析。

2.1原因分析

根据流体力学常识可知,在浅水中,流场在垂向是不均匀的,底层流速远小于表层流速,极端情况下甚至会出现底层流流向与表层流相反的现象。

如图3所示,当船舶受垂向不均匀横流影响时,表层流会造成船舶相对于海底和底层水的横向漂移运动。由于船底的空间有限,船体的横向运动受阻,实际横向移动速度Vy小于表层流速的横向分量,大于底层流速的横向分量,这样在船舶两舷存在的表层相对来流方向和与底层相对来流方向相反,表层相对来流与底层相对来流均会导致船舶的横向受力,分别为标记为FF底层相对来流导致的横向受力F也可以看成是表层流所致船体横移造成的浅水阻力,相对水深越小,船底空间有限,F越大。FF方向近似相反,作用中心和大小则与流向、流速、水深以及船体的运动状态等多种因素有关。

根据船舶水动力特性,船舶航行时水动力中心接近运动前端[1]。船舶在前航中或后退中受浅水横流影响,表层相对来流与底层相对来流均来自正横之前或正横之后,FF方向近似相反,船舶偏转方向取决于FF的的大小和作用中心的相对关系。如果船舶受浅水斜向来流影响,且表层相对来流与底层相对来流分别来自正横之前和正横之后, FF方向近似相反,且作用中心分别处于船中前后,则可能导致明显的偏转现象。

 

图3 浅水中流速垂向不均匀导致船舶受力分析

 

2.2偏转规律分析

如前文分析,船舶在浅水中受横向来流影响,流速垂向不均匀会导致船舶的横向受力,因此船舶偏转方向取决于表层相对来流与底层相对来流横向力的共同作用结果。

在偏顶流靠泊时(如图4所示),表层相对来流与底层相对来流均来自正横之前,FF方向相反,表层流压力转船力矩使船舶向顺流方向旋转,浅水阻力转船力矩使船舶向迎流方向旋转,船舶偏转方向取决于FF的作用中心N、M的相对关系。一般情况下,受浅水中船体下沉和首倾影响,F的作用中心M更靠近船舶的运动前端,浅水阻力转船力矩大于水动力转船力矩,从而导致了船首向迎流方向旋转。

当船舶顺流掉头靠泊,在船舶前进速度低于表层流速纵向分量时表层相对来流来自正横之后,而底层相对来流来自正横之前,F中心N处于船中后,而F的作用中心M在船中前,如图5,时M,G,N依次排列,表层流压力转船力矩和浅水阻力力转船力矩都促使船首向迎流方向偏转,这种情况下船首迎流偏转效应明显。

4和图5分别分析了有流港两种常见的靠泊情形,船舶在流的影响下都是船首迎流偏转。如果船舶有后退速度,尤其是顺流掉头靠泊时,浅水阻力作用中心M转移到船中后,浅水阻力转船力矩使船尾迎流方向偏转,而船首则会发生顺流偏转。

应当注意的是,船舶迎流偏转还是顺流偏转取决于船舶相对表层流和底层流的运动速度和方向,而不是对地运动速度。当船舶顺流操纵时,船速的不同可能导致不同的偏转方向,因此尤其应当注意船舶的运动速度与流速垂向分布之间的相对关系。

 

图4 船舶偏顶流靠泊时迎流偏转

图5 船舶顺流靠泊时船舶偏转情况

2.3影响因素分析

影响流致船舶偏转效应的大小因素可以根据该效应产生的原理来分析。该效应产生的根本原因是浅水中流场垂向不均匀,表层流导致船舶顺流漂移,而底层则存在与船舶漂移方向相反的浅水阻力,浅水阻力对船舶产生一个转船力矩使船舶产生偏转。
 

根据以上偏转原因和受力分析,可以总结出以下规律:

(1)船舶富余水深越小,导致浅水阻力越大,流致船舶偏转越明显;(2)船舶纵倾对船体水动力的作用中心影响较大,船舶首倾时浅水阻力的作用中心前移,因此会加剧船首迎流偏转的现象,尾倾时则相反;(3)流速以及流速垂向梯度越大,流致船舶偏转效应越明显;(4)船舶首向和流向交角越大,船体横向漂移速度越大,流致船舶偏转效应越明显;(5)相对斜顶流航行,船舶斜顺流低速航行时流致船舶迎流偏转效应明显;(6偏转效应取决于船体两侧受力的大小、方向和作用点,水动力随船速的增加而增大,但方向和作用点的变化是复杂的,因此,随船速的增加,偏转不一定趋于明显。在船舶斜顺流航行时,如果船对水前进速度小于表层流速但高于底层流速的情况下(纵向),表层水动力作用于船中后,底层水动力作用于船中前,船首迎流偏转明显。随船速提高,表层水动力作用中心前移,当船速高于表层流速时,表层水动力作用中心移到船中前,表层水动力与底层水动力都增大了,但偏转效应可能反而不明显。

3操纵预防措施

浅水水域操船,需要驾驶员具有较高的操纵水平,稍有不慎,有可能造成较大事故。根据浅水域流致船舶偏转产生的原理及影响大小的因素后,探讨一下如何利用和防范该现象对船舶操纵的影响。

3.1顶流靠泊

有流港口常见的靠泊形式是顶流靠泊(如图4所示),对大型深吃水船舶而言,在靠泊过程中船舶一般保持一个合适的靠泊角,在离码头较远时可以允许有较大的入泊角,便于船舶快速靠近码头,因为有流致偏转效应的存在,不必过分担心船尾不容易靠拢。相反,如果在靠泊过程中,如果入泊角较小,船首要配置大马力拖轮才能将保持一定的入泊角。一旦发现有我们不希望的船首迎流转动现象,船首拖轮要立即用大车压住船头;船尾不要急于用拖轮顶进。如果船首拖轮压不住船头,可以考虑倒车降低船速,这样船舶转心后移,流致偏转现象将会大大减弱,拖轮效果会大大增强。如果再内侧满舵进车,让船头先入泊的话,效果会好得多。

3.2顺流掉头靠泊

顺流进港,掉头靠泊(如图5所示),有些引航员习惯做法是船舶航行到泊位对开水域后倒车将船停住(对地),再用拖轮协助掉头。其实这时船舶有对水后退的速度,船舶水动力中心后移,流致船舶偏转效应将阻碍船舶的旋转,船舶掉头更困难。理想的做法应该是将船舶倒车到GPS速度介于表层流和底层流流速之间时停车(根据回旋水域的实际情况),然后用拖轮协助转向。因为这时底层流转船力矩和表层流转船力矩叠加,流致船舶偏转效应有利于掉头,使掉头更容易。

3.3顶流离泊掉头

船舶顶流离泊掉头出港,但船尾下方水域受限的情形,非常典型的泊位有深圳西部大铲湾港区1号泊位(如图6所示)及妈湾7号位。为了防止在掉头过程中船舶被整体推向下方浅水区搁浅,船舶应该在船首清爽后立即进车开往上流水域。这个过程中因为受浅水域流致船舶偏转效应的影响,拖轮效果非常差,甚至有可能逆向偏转,但船舶和码头的横距迅速增大。当船位到达上流方向足够距离后,再开倒车将船停住甚至略有退速,这时候流致偏转效应的不利影响基本消除,甚至有可能有助于转向,拖轮的效果得到有效发挥。

图6 退水离泊DCW1泊位掉头出港

3.4顺流尾离掉头

船舶顺流尾离泊掉头出港,船首前方水域受限的情形,典型的泊位有深圳大铲湾港区5号泊位(如图7所示)。同样,为了防止掉头过程中船体被推向北面的浅水区,要求船尾一旦清爽后立即开倒车,将船舶倒到安全地带,该过程中因为流致偏转效应的存在,导致船尾迎流偏转。一旦船舶后退到安全位置后,应该适时进车,使船舶对水后退速度降低或略有前进速度,减小流致偏转的不利影响,同时使拖轮效果增加,这样掉头既安全又迅速。

图7 涨水掉头离泊DCW5

 

4 结论

本文根据操纵实践中发现的浅水中流致船舶偏转效应问题,探讨了流致船舶偏转效应现象产生的原因,分析了船舶偏转规律及影响该效应大小的因素,总结了实际操纵中利用和预防流致偏转效应的措施。因为这是一个全新的课题,因此弄清楚该效应对船舶的影响,对有流港口大型船舶的靠离泊操纵有非常现实的指导意义。

本文对浅水中流致船舶偏转效应的分析是定性的、初步的,旨在提出问题,下一步的研究工作是针对船体水动力的理论实验定量研究。

参考文献:

[1] 洪碧光,《船舶操纵》,大连海事大学出版社,2008.

[2]        沈定安,刘洪梅. 大型船舶浅水操纵特性[J].船舶力学,2009,13(05):727-733.

[3] 冯志德. 浅谈船舶在受限水域改向操纵要领[J]. 中国水运,2014,14(06):23-24.

[4]        胡明明. 浅谈大型船舶浅水区域操纵性能特性[J]. 黑龙江科学,2014,05(08):233.

 

 

 

 

 

修改说明:

(1)根据审稿意见,删除了2.1节“表层流速V与船速的矢量和为V合1,底层流速V与船速的矢量和为V合2”的分析方法以及与之相关的图4,而采用“表层相对来流和底层相对来流”导致的横向力作用中心的相对关系分析偏转原因以及偏转规律;

(2)根据审稿意见,补充分析了第2.2节FF的作用中心N、M的相对关系及斜顶流时的偏转规律;

(3根据审稿意见,第2.3节补充分析了船舶纵倾对浅水流致偏转的影响;

(4)删除图4,调整图号;

(5)部分语句文字修改。


 

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