浅水对船舶运动的影响

浅水对船舶运动的影响船舶在浅水中航行，会产生浅水效应。本文通过对浅水的界定和浅水水流特征的分析，运用数值和理论的方式得出浅水运动中横向阻力及转船力矩、船体下沉、船舶纵倾、推进器效率、舵效等的变化，并且给出部分变化的影响因素。最后，笔者又建议浅水中运动的注意事项。关键字：船舶，浅水效应，下沉，纵倾AbstractAshipnavigatinginshallowwaters,willproduceashallowwatereffect.Basedonthedefinitionofshallowwaterandshallowwatercharacteristicanalysis,usingnumericalandtheoreticalwaytodrawwatermovementinthelateralresistanceandtransshipmenttorque,sinking,shiphulllongitudinalinclination,propellerefficiency,efficiencyandotherchanges,andsomefactorsaffectingthechangeof.Finally,theauthorsuggeststoshallowwatersportsmattersneedingattention.Keywords:marine,shallowwatereffect,sinking,trimTOC\o"1-5"\h\z前言 ..1\o"CurrentDocument"1浅水区界定 1\o"CurrentDocument"2、浅水的水流特征 .2\o"CurrentDocument"2.1深水浅水对比 ..2\o"CurrentDocument"2.2浅水中运动水动力特点 ..3\o"CurrentDocument"3、浅水中船体附加质量 ...3\o"CurrentDocument"4、浅水效应 ..4\o"CurrentDocument"4.1船舶横向阻力的增加及转船力矩的加大 .4\o"CurrentDocument"4.2船体的下沉 .5\o"CurrentDocument"4.3船舶的纵倾变化 ..6船舶排水量及排水体积变化的影响 .6船舶的方形系数的影响 7舷外水密度变化的影响 7船速大小的影响 .7\o"CurrentDocument"4.4推进器效率骤减，船速可降30% ..7\o"CurrentDocument"4.5舵效降低，船舶旋回性变差 8\o"CurrentDocument"5、 浅水中船舶操纵注意事项 ...8\o"CurrentDocument"5.1浅水域中航行时注意吃水差的调整 .8\o"CurrentDocument"5.2浅水域中应备车航行，灵活机动地调节本船航速 ...8\o"CurrentDocument"5.3对浅水中船舶旋回性变差要有充分的认识 8\o"CurrentDocument"5.4注意浅水中的“跑舵”现象 .9\o"CurrentDocument"5.5注意浅水对冲程的影响 ..95.5.1停车冲程 ...95.5.2紧急停车冲程 .9\o"CurrentDocument"5.6浅水域中应重视自力操船的极限水深界限 ..9\o"CurrentDocument"结论 ..10致谢 ..11\o"CurrentDocument"参考文献 ..12船舶操纵是指按照驾驶者的意图保持或改变其运动状态的性能。操纵性通常包括以下三方面的内容：1、 航行稳定性：表示船舶在水平面内的运动受扰动而偏离平衡状态，当扰动完全消失后，能够保持其原有平衡状态的性能。2、 回转性：表示船舶在一定舵角作用下做圆弧运动的性能。3、 转首性：表示船舶应舵转首的性能。吴秀恒船舶操纵性和耐波性1988船舶在深海航行时，着力解决以上三方面的运动问题，但船舶由深海进入浅海，运动就要受到限制，其运动性能也要考虑浅水的影响。浅水即水深受到限制，属于限制航道船舶操纵性的研究的范畴。上世纪60年代以前，船舶在限制航道中操纵性研究进展缓慢，不大引人注意。且这方面的研究大多局限于内河船舶，主要研究航行过程中阻力特性的变化。但是，随着船舶大型化的发展，通常的港口、运河等相对这些超大型船舶就都变为限制航道。近年来，航道中船舶密集度增加，碰撞、触底等航行安全事故不断出现，引起了人们对限制航道中操纵性研究的重视；十一五期间，国家加大基础设施投资，海岸工程，西部航道开发等工程的实施对浅水效应的掌握要求也在提高。浅水中船舶运动性能有其复杂性，是一种特殊的运动问题。该问题的复杂性首先源于边界条件的复杂，这种边界包括外边界和内边界。在内外边界间发生的流体运动和船舶的升沉及纵倾变化使得流体粘性的作用更加重要，且兴波问题更加复杂，从而使理论计算较为困难。另一方面，浅水船模试验与实船试验的资料证实，表达深沉作用的参数和雷诺数之间存在一定的规律，不完全遵循动力相似定律，船模与实船的剩余阻力并不相对应。到目前为止，船舶浅水航道流体动力特征的研究并不深入，在此领域的研究成果主要来自试验。本文通过建立流体动力方程，借鉴以往的实验数据，以理论实验双项结合法分析浅水对船舶运动的影响，为工作在海岸与靠港的船员提供浅水区安全操船的参考，也为海岸工程的设计施工提供注意事项，推进国家海洋海岸事业的发展。1.浅水区界定以前，由于船舶小、船速低，浅水效应现象的发生较少，人们就根据水深数值的大小简单的定义了浅水区，超过某一常量便认为是深水区，而小于此值时则认为是浅水区【1】。然而现在，随着船速的不断提高，船体的不断增大，浅水效应便常有发生，严重的甚至导致船舶毁损。所以人们不得不重新考虑浅水效应并进行深入的研究。于是，人们便想到了水深吃水比（h/d）这么一个相对概念。国际上也根据水深对于船舶操纵性的影响程度将水深划分为深水、中等水深、浅水（1.2<h/d<1.5）和超浅水【2】。虽然这里定义了水深吃水比小于1.5倍时才视为我们通常所指的浅水，但根据实际的操船经验来判断，当水深吃水比小于4倍时船舶的操纵性能就开始受到影响了，当水深吃水比接近2时则将产生明显的影响。所以在实际的操船中，当水深吃水比接近4倍时便要引起注意。具体到浅水影响，浅水影响有不同的表达参数。通常用几何参数水深吃水比h/T表达浅水阻塞程度，用运动参数水深傅氏数尺••:一匚崩表达浅水兴波条件，用相对吃水比△T/T与纵倾角变化.'•』表达升沉变化及纵倾变化。在浅水船舶性能研究中，根据椭圆坦谷波波速IG=愁*由半 th—-—■ I考虑I）时， 导出浅水条件的临界速度（或称极限速度）’"—G••—据云据此通常将航速分为亚临界速度区（v<匚）、临界速度区（v二匚）、超临界速度区（v>匚）。通常浅水船型问题更多地集中于亚临界速度区，即1-。的范围内。浅水影响的判别十分重要。通常认为，只要存在一定的相对水深h\T,浅水影响是始终存在的。此处提出的问题是在什么条件下浅水对船舶吃水及阻力的影响不能忽略而必须考虑。有学者提出两个观点：第一个观点是浅水影响不能仅用一个参数说明，第二个观点是仅用外边界条件而忽略内边界条件是不全面的【3】。文献【4】从兴波影响分析认为不论航速有多小，只要h\T<4;不论h\T多大，只要F\h>0.6,均将存在浅水影响;又从粘性影响分析认为只有h\T<3才存在浅水对粘性阻力的影响。文献【5】提出F\h<0.5时，可不计浅水影响，并列出泰勒关于最小水深的判别式，泰勒的判别式考虑了适用船体的方形系数及傅氏数范围。12届ITTC推荐实船试验不计浅水影响的最小水深计算式为，）3用和'>2,何*,取两者之较大值作为试航时的最小水深。18届ITTC阻力委员会报告【6】指出航行于限制航道中船舶特性的改变取决于航道的边界条件，在各种情况下使用不少于两个参数说明是重要的，因为单个参数绝不能判定航道是否受限制。当h\T<4时船体绕流存在浅水影响;而当>0.7时对兴波阻力有影响。总结上述意见可认为，浅水影响的判别条件至少要用两个参数说明，既要用表达浅水阻塞程度的几何参数，又要用表达浅水兴波的运动参数，同时要考虑船型及船型系数的因素。2、浅水的水流特征:2.1深水浅水对比航行于浅水区的船舶，其周围的水流与船体的相对运动，和深水区有很大的不同。在深水中航行时,不论其船首或船尾部分水的流动具有三维空间内流动的特点。船首处斜向（既向两侧，又向下方向后运动，并具有向下的明显特点；船尾处斜向（既由两侧向纵中剖面，又向上方）向后运动，并具有明显向上的特点，如图1b所示。但在浅水中航行时船首或船尾部分水的流动因空间受到限制，原三维空间内的流动不得不变为向两侧或由两侧同时向内的二维平面式的流动，如图1a所示。这样，就产生了不同于深水域中的船体周围水压分布的新情况如图2所示。2.2浅水中运动水动力特点

浅水对操纵运动水动力有很大的影响，在相同的相对水流角下，侧向力及偏航力矩随水深吃水比H/d减小而增大，图3、图4示出了根岸丸模型试验结果:图4（图中图33、浅水中船体附加质量3、图4示出了根岸丸模型试验结果:图4（图中图3船型【7】，因此可以表达为:浅水中船舶使水流受到限制，增大了船体绕流的当地速度，因而大大增加了船体的附加质量和附加惯性矩。在浅水中附加质量及惯性矩增加比较稳定，很少依赖于船型【7】，因此可以表达为:式中和小分别为深水运动时的纵向、横向附加质量及绕Z轴的附加惯性矩。叫川*和小"分别为水深H的浅水运动时的纵向、横向附加质量及绕Z轴的附加惯性矩。图5、6、7示出了方形系数。•用）船的和―.随吃水水深比d/H的关系。

图6浅水对附加质量"、•的影响图5浅水对附加质量■的影响图7浅水对附加惯性矩的影响图6浅水对附加质量"、•的影响图5浅水对附加质量■的影响图7浅水对附加惯性矩的影响4、浅水效应:4.1船舶横向阻力的增加及转船力矩的加大图8表示一艘低速驳船在浅水中航行时船底流速的变化情况。船体底部与河床之间形成狭窄的水道，导致船底的流速增大；并且由于水的粘性,在河床及船底均要形成边界面，使过水断面更加减小，船底的流速更加增加。这种由于水深受到限制使船体与水的相对速度较深水情况有所增大，其增加的速度称为回流速度。回流速度的存在导致船底流速增加，压力降低从而使船体下沉，吃水增加，附加质量及附加惯性较之深水有明显增加。而且，由于船底和河床边界层厚度均自船首向船尾逐渐增加，使船尾部过水断面较船首处为小，因而流速增加更大，压力下降更甚故船尾下沉较船首大，产生尾倾现象。回流速度的存在导致浅水船周围的流速比深水船大，且其舷侧湿面积因船体下沉而增加，所以使摩擦阻力增大。同时，因水流与船体的相对速度增大压力下降亦大,故首尾压力差将增大，并且船尾与河床的间隙小，易于发生涡流。因此涡流阻力也要增大。所以船在浅水中航行时其粘性阻力将增加。浅水中横向阻力的增加，转船力矩的加大，对操纵有重大影响。靠泊操纵中船受横向来流，或静水中作靠岸的横向移动，船舶所受横向阻力及转船力矩的大小，随着水深的变浅，横向阻力及转船力矩会有成倍的增长。

浅水中的流场图8浅水中的流场图84.2船体的下沉船舶在浅水区航行中，由于周围水流流速变动，沿舷侧水流较首尾快，使船体周围水压力发生变化。船首尾部高，中间低，船舶如果保持其排水量，为了取得新的均衡，就上浮ft上浮fttOI下沉量要静止时多下沉些。 — '船舶从深水进入浅水后，由于三维水流变为二维水流，船体周围的流速相对加快，船体周围的压力分布比深水中有较大的变化，水深越浅，纵向压力分变化大，兴波也越大，船速越高，纵向压力分变化大，兴波也越大。则船体会加剧下沉。其实，即使在深水中航行的船，因船体周围压力分布发生的变化已形成船侧水位下降，其结果将导致船舶整体下沉，同时纵倾状态也随之改变。这种下沉改变的程度，随船型肥大!航速提高而变得越激烈。浅水中的船体下沉及纵倾变化，较之深水更为激烈，因而对船舶操纵影响较大,甚至产生船底擦碰海底的事故。这是船舶进入浅水区域必须充分考虑的问题。在商船速度范围内，浅水中低速时就出现船体下沉，随着船速的增高,下沉的增加率也很快首上浮时机较早。而且，越是水浅，达到最大首纵倾和开始变为尾纵倾所需要的船速越低。因此，当船舶通过浅水时,对船体下沉及纵倾现象必须引起重视，并应根据估计，求出剩余水深，以防船舶拖浅或搁浅。影响船体下沉量大小的因素很多，它随船舶的种类、船体在水下的肥瘦程度、航速、水深和所航水域的性质（开阔水域、受限水域、封闭水域）不同而变化，很难用公式计算出包含各种因素的船体下沉量。美国USArmycorpsofengineers推荐船舶在浅水航道中航行时船体下沉量的计算公式如下：船体下沉量二2xc„xV?7100(m)式中■为与船舶吃水相对应的方形系数;V船速,单位节(kn).为了方便使用上式，可参考表1查阅船舶在浅水航道中航行时的下沉量。表I船体下沉计算表 单位I英尺)X5ko6kn7knHkn9kn10kn11kn12kn13kn14kn1^kn050Q8L2L621273340475j64140灵a9L3LS2329A64451617.1&1(】60L0L4L92532A94857677.7&9(】位1.1L521273S4352611.2&496n701.1L12329Z74656661.8Q。IQ3n751.2L8243140496071&39611.1Q801.3L9263443526476&9m3ILSQR51.420273hLS5667&0941。9125Q9。1.321293848597.1&5IQ(111.6IA3a951.62231405(】617.5快0IQj126L4。10()].624324253667.99411.112.9148如果船舶在封闭水域航行，如运河河道中，船体下沉量将大于相应的表列数值。从公式中可看出，船速越高，越是肥大型船舶，船体下沉量越大。关于水深对下沉量的影响，一般认为，当水深小于7倍的吃水时,船体下沉开始察觉到，当水深小于2.5倍吃水时，船体下沉开始明显增加。随着船体下沉，船舶纵倾亦发生变化。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。下沉量与船速的平方成正比，当船舶航行于浅水区时，如果船舶首位波异常增高，则说明富余水深太小了，有触底危险，此时应果断降速或停车，以增大富余水深。4.3船舶的纵倾变化：在下沉运动中，又因首尾船壳的形状(船中附近比较肥胖，向首尾逐渐瘦削)不同，于是就产生了纵倾变化。4.3.1.船舶排水量及排水体积变化的影响船舶载重量越大，排水量越大，则船舶的纵倾变化就越大【8】。现在的船舶大小已经不是几十年前的小型船可以相比的。为了提高船舶营运的效益，船公司总是希望能够最大限度的利用船舶的载重量，于是在一个港口卸货后便会另外装上一批运往其他港口的货物，并且由于淡水、食物、燃油的补给，船舶的总载重量便会发生变化。在驶进和驶出港口时，随着载重量的不同，船舶的纵倾变化也不同。又现在的大多数港口的水深相对于大型船舶而言均可视为是浅水区。于是受浅水效应的影响，船舶排水体积的变化也将影响船舶纵倾的变化，这主要是船舶航经不同密度的水域时，由于船舶舷外水密度的改变而导致船舶出现上浮或下沉，由于船壳不同部位形状不同的原因，使得沉浮后的船体前后受力不一而出现了纵倾变化。船舶的方形系数的影响方形系数''=知百其中V是排水体积，B是船舶的型宽，L是船长，d是船舶的型吃水)对船舶纵倾的变化存在着较大的影响。试想一下，当船舶处在某一固定水域时，即假设水密度不变，那么船舶的厘米吃水吨数将是一个定值，则船舶将出现平行下沉，也就不会出现所谓的船舶纵倾变化了。然而事实上，考虑了到船舶的操纵性能，方形系数为1的船舶很少，几乎是没有，当然除了一些专用的水上浮箱外。反之，船舶的方形系数也不是越小越好，假定船舶的方形系数接近于0，即船舶吃水d很浅，排水体积V很小，但水线面面积Aw很大，则相当于一块很薄的铁板漂浮于水面，这样，不但无需考虑船体的纵倾问题，更不要说船舶的经营效益了。由于船壳的形状基本上都是由下向上逐渐展开变大的，所以其方形系数是随着吃水的增加会缓慢的变大。对于油船，其方形系数较大，水下船体较肥大，于是在浅水域船体下沉后，其纵倾变化并不是很大；反之，对于一些高速船，特别是高速集装箱船，方形系数较小，水下形状随吃水增加变化较大，纵倾变化也更为明显。据研究表明，利用Huuska(1976)公式所对应的船型在h/d=1.2的条件下，其计算结果表明方形系数对下沉量影响较大，总体上表现为方形系数越大，航行船舶的下沉量就越大，至于纵倾变化则取决于水线面下船壳的形状【9】。舷外水密度变化的影响船舶会经过不同的水域，于是在航行的过程中，船舶舷外的水密度便会经常发生变化。水密度的改变必然导致船舶平均吃水的改变。假定船舶从海水进入淡水，密度变小，由于排水量不变，则排水体积必然增大，于是船舶下沉，吃水增加；反之，船舶从淡水进入海水，则船舶上浮，吃水减少。又船体水线面上船首方向和船尾方向面积分布是不同的，存在差异，则船体在上浮或下沉时将引起船舶吃水差的改变，即纵倾变化。特别是当船舶从海水进入淡水时，如果忽视舷外水密度的变化，船体下沉后有可能触底甚至搁浅进而危及船舶的安全。4.3.4.船速大小的影响在浅水区航行时，随着船速的提高，船体下沉量增加，船舶的纵倾变化更为显著【10】。在浅水区中，高速航行时船体周围水流相对船体的流速更大，使得原来二维流动的水流流速进一步提高，船体周围水压力改变，船体下沉，然后船体和河床之间的过水断面变得更加小，船体下沉和纵倾变化加剧。总之，浅水中航行的船舶其纵倾变化是跟多个因素有关的，而现代船舶的大型化发展是其产生的根本原因。船舶排水量的增加，使得相对水深减小，浅水效应加剧。4.4推进器效率骤减，船速可降30%为了使船体水线以下部分的形状符合流线型，以减少涡流分离而产生的压差阻力,并加强对螺旋桨的供水，提高螺旋桨推进效率，船尾水线以下靠近基线部分往往比较尖，并向上抬起，一般在船中处过水断面最小，流速最高，随着向后过水断面逐渐增大，全螺旋桨盘面或舵叶处增加到最大值，使流速逐渐降低。由于螺旋桨盘面处的进速低，来流对桨叶的攻角变大,螺旋桨的旋转阻力大，负载增加,故螺旋桨转速下降。同时，浅水使船行波泄水受限制，兴波阻力变大；当航速与移动水波波速相当时，兴波阻力最大,可以看到有一巨大横浪随船前进。由于航行阻力大增，船速可降低30%。4.5舵效降低，船舶旋回性变差船舶在浅水航行，因船速下降,船底过水断面减小，排出流流向紊乱,伴流的作用加强船尾高压区作用，这些都损及了舵力，使舵效降低。另外，当船舶沿浅区边缘行驶时，船舷两侧的水深往往不一样。由于船首高压产生向前推进的波浪受河底的反射较深水一侧要强得多，因而在船首靠近浅水一侧的压力升高较深水一侧大，使船首两侧产生指向深水一侧的压力差，迫使船首向深水一侧转动，这一现象俗称“跑舵”在实践中，当发现跑舵时，操舵者不应用反舵将舵压死，这将有利于船舶回到深水中，防止发生搁浅。在浅水中用舵时，其回转角速度明显降低。根据模型试验表明，当水深吃水比h/T=2时，回转角速度降低为深水的85%左右;当h/T=1.25时,回转角速度为深水的50%左右。进入浅水后，由于舵产生的初始旋回力矩减少，船体旋回阻矩的增大，使旋回性指数变小，旋回性能下降。在浅水的旋回直径，要比深水中大。根据试验，当水深吃水比(/)=1.4时,回转直径约为深水中的1.5倍;当水深吃水比(h/T)>4时，则无多大影响。故船舶进人浅水后，虽然用了舵或加大舵角，船头往往是迟迟不肯转动，一旦转动了又难以稳住。5.浅水中船舶操纵注意事项5.1浅水域中航行时注意吃水差的调整船舶航行时会出现船体下沉的现象，相对水深H/d越小，首尾下沉量越大。根据有关资料，浅水中航行，船速较低时船体就开始下沉，当傅汝德系数Fn<0.6时，首下沉量大于尾下沉量。大型船舶吃水大，进出港或过浅滩时受实际水深的制约，往往需要通过调节吃水差，尽可能保持平吃水，以满足最大装货量的需要。但此时若将船舶调整为平吃水，处于无纵倾的状态，航行时将会出现首倾。船舶是否具有适当的吃水差，不但对浅水域航行有实际意义，同时对船舶操纵有积极作用。在浅水域、狭窄航道和复杂航区航行时，船舶是否具有良好的航向稳定性和应舵性是首要的。船舶如保持适当的尾倾，可获得较好的航向稳定性和应舵性；若船舶产生了首倾，虽然提高了旋回性，但航向稳定性却变差。5.2浅水域中应备车航行，灵活机动地调节本船航速船舶备车后，主机输出功率通常为最大持续输出功率的50%〜60%，同时便于操纵人员用车，实施船舶机动操纵，能够较好地适应浅水域中船舶云集、交通环境复杂多变的情况，也可避免出现主机过负荷运转的情况。主机较为老旧的船舶更是如此。当相对水深H/d接近1.1，甚至更小时，称为极浅水域。驶往极浅水域的船舶，尤其是大吨位、长尺度的船舶，必须对本船在极浅水域中航行时出现的船体下沉和纵倾变化确实做到心中有数。为了减少纵倾和下沉的增加量，适当的时候采取减速措施是非常必要的，万不可为了赶潮水过浅滩而造成高速擦浅和触底，酿成搁浅事故。5.3对浅水中船舶旋回性变差要有充分的认识浅水中旋回初径DT变大。大型船舶在浅水中，旋回阻尼力矩增大，而舵力转船力矩却减小，所以旋回初径DT增大。采取大舵角旋回制动或蛇航制动效果变差。由于船舶在浅水域中旋回性变差，制动降速的效果因漂角减小而变差。所以，大型重载船舶在浅水域中上下引航员时应该及早减车控速，不能把希望过多地寄托在大舵角旋回制动减速上，以避免紧迫局面的发生。加车增加舵效，减小旋回圈。为了尽量减少船舶掉头或旋回所需水域，许多船长和引航员往往采用加车旋回的操船方法。这就是在船舶掉头或旋回之前，首先尽量降低船速，而在操船掉头和旋回时，则尽可能采用较高的螺旋桨转速，利用增大滑失比以提高舵力的方法。5.4注意浅水中的“跑舵”现象船首自动向某一舷侧偏转的现象，称为“跑舵”。船舶在浅水边缘行驶，船首向两侧排水前进，在首部形成高压区，由于两侧的水深条件不同，排向外侧的深水一侧的水能自由扩散，但浅水一侧水面涌高，产生了一个附加压力，使两侧的反作用力不等，其作用点在重心之前，构成偏转力矩，推动船首向深水侧偏转。因此，浅水一侧水深越小，“跑舵”现象越明显。在实际操船时，当发现跑舵时，操舵者不应将舵压死，跑舵将有利于船舶回到深水中，防止搁浅。5.5注意浅水对冲程的影响5.5.1停车冲程浅水行船由于船体周围压力变化剧烈，造成船体下沉，纵倾增加，兴波增大，二维流速增加，从而增大了船体所受到的阻力。同时，由于推进效率降低，总的来看，会使船舶在浅水中的冲程有一定程度减小，特别表现在刚停车后余速较高的一段时间内，因浅水阻力增大得比较显著，对降低速度，减少冲程起重要作用；当降速至较低船速时，因上述作用因素的减弱，减速情况趋缓，对减小冲程的作用也将减小。5.5.2紧急停车冲程在紧急停车冲程方面（即紧急停车），应该说浅水的影响还是比较显著的。根据某艘20万吨油轮的模拟资料，在不同的相对水深条件下，紧急停车冲程随水深变浅而减小的情况，如表2所示。该表列数据中，以H/d=3的紧急停车冲程（