彎曲河段通過(guò)大型船舶能力預(yù)報(bào)研究＊

黃 寅 劉明俊

（武漢理工大學(xué)航運(yùn)學(xué)院 武漢 430063）

0 引 言

航道通過(guò)能力是反映航道適航程度的一項(xiàng)重要的性能指標(biāo)，是編制航運(yùn)規(guī)劃的重要依據(jù)，是決定整個(gè)水運(yùn)交通系統(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ)．因此，為了使航道資源得到更有效的利用，使航道內(nèi)船舶，特別是大型船舶航行更安全，同時(shí)為了便于海事部門及航道管理機(jī)構(gòu)進(jìn)行船舶安全航行管理與組織，合理掌握航道信息，科學(xué)制定航道建設(shè)、維護(hù)和發(fā)展規(guī)劃，便于航運(yùn)公司等生產(chǎn)部門對(duì)船舶進(jìn)行合理調(diào)度，因此，開展彎曲河段通過(guò)大型船舶的能力研究十分必要．

1 船舶通過(guò)彎曲河段所需航道寬度建模計(jì)算

在彎曲河段，由于彎道環(huán)流的作用，會(huì)形成不同強(qiáng)度的掃彎水，使航經(jīng)彎道的船舶運(yùn)動(dòng)變得較為復(fù)雜．建模時(shí)對(duì)船舶過(guò)彎曲河段做如下假設(shè)：（1）把彎道近似看成一個(gè)圓環(huán)，流線、航跡線的邊沿中心線均看成同心圓弧；（2）船舶轉(zhuǎn)心沿著與航跡一致的圓形軌跡運(yùn)動(dòng)；（3）船舶運(yùn)動(dòng)是定常的，即船速、流速以及漂角均與時(shí)間無(wú)關(guān)．建模時(shí)，首先確定船舶在無(wú)風(fēng)、無(wú)流影響情況下通過(guò)彎曲河段時(shí)所需的航道寬度B1，船舶在受流影響時(shí)產(chǎn)生的流致漂移量BL，船舶在受風(fēng)影響時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)致漂移量BF．根據(jù)疊加原理，建立船舶在風(fēng)流影響下過(guò)彎曲河段所需的航道寬度［1－2］．

1．1 船舶無(wú)風(fēng)無(wú)流情況下過(guò)彎曲河段所需航道寬度

圖1為無(wú)風(fēng)、無(wú)流影響情況下，船舶過(guò)彎曲河段所需航道寬度示意圖，圖中OA ＝R2＋b／2，R2＝R cosβ；R1＝船舶在無(wú)風(fēng)無(wú)流的情況下通過(guò)彎曲河段所占航道寬度B的可用下式來(lái)計(jì)算1

式中：R為航道軸線曲率半徑，船舶航行時(shí)可看作是船舶重心航行軌跡圓半徑，m；b為船舶寬度，m；β為船舶旋回時(shí)漂角，（°）；AB為轉(zhuǎn)心至船尾的距離，m，根據(jù)船舶操縱理論轉(zhuǎn)心位置一般位于船舶重心前（1／5～1／3）L處，如果船舶重心在船中處，則AB 為（7／10～5／6）L，基于安全考慮取5L／6．則式（1）可表示為［3－5］B1＝R1－R2＋b／2＝

圖1 無(wú)風(fēng)流情況下船舶（隊(duì)）通過(guò)彎曲河段所占航道寬度示意圖

1．2 船舶通過(guò)彎曲河段時(shí)的流致漂移量

船舶通過(guò)彎道時(shí)，在流的作用下產(chǎn)生的橫向漂移見圖2．縱軸Y平行于航道軸線，橫軸X垂直于各自航道軸線，將流速u分解到X方向和Y方向得

圖2 船舶通過(guò)彎曲河段流致漂移量示意圖

由于流速u在X 方向分量ux的存在，使得船隊(duì)過(guò)彎曲河段時(shí)會(huì)產(chǎn)生在X方向的漂移量，此漂移量為

下行：

式中：u為流速，m／s；θ為彎道中心角，（°）；V 為船速，m／s；φ為橫流角，（°）．橫流角φ是指橫流方向與航道軸線的夾角，對(duì)于某一具體彎曲河段而言，流向角φ值變化不大，可用下式估算

式中：B為航道寬度；C為與掛高有關(guān)的系數(shù)，五五分心時(shí)取0．5，四六分心時(shí)取0．4．

1．3 船舶通過(guò)彎曲河段時(shí)的風(fēng)致漂移量

順直航段船舶航行時(shí)，風(fēng)向角一直保持初始風(fēng)向角，因此風(fēng)致漂移量的計(jì)算公式為下行：

上行：

式中：K 為該系數(shù)，一般取0．038～0．041；Ba為船體水線以上受風(fēng)面積，m2；Bw為船體水線以下受風(fēng)面積，m2；va為風(fēng)速，m／s；Vs為風(fēng)中船速，m／s；S為航行距離，m；αf為初始風(fēng)向角，（°）．

船舶通過(guò)彎道時(shí)，在風(fēng)的作用下產(chǎn)生的橫向漂移如圖3所示，由于風(fēng)向角 不再維持初始風(fēng)向角而是在船舶過(guò)彎曲河段時(shí)沿程會(huì)不斷變化，因此計(jì)算風(fēng)致漂移量時(shí)采用積分的方法，如圖4所示，那么船舶通過(guò)彎道時(shí)，風(fēng)致漂移量可用下式計(jì)算．

下行：

1．4 船舶在受風(fēng)流影響下通過(guò)彎曲河段時(shí)所需航道寬度

圖3 風(fēng)致漂移量示意圖

圖4 風(fēng)致漂移量微分計(jì)算示意圖

船舶在通過(guò)彎曲河段時(shí)由于受風(fēng)流的作用，在受流影響時(shí)產(chǎn)生的流致漂移量為BL、船舶在受風(fēng)影響時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)致漂移量為BF．根據(jù)疊加原理，船舶在風(fēng)流影響下通過(guò)彎曲河段所需的航道寬度為

式中：d可取0．4B1．根據(jù)式（11），設(shè)船舶的長(zhǎng)寬比為m，可以得到彎曲河段允許通過(guò)的最大船舶尺度和彎曲河段最小航道寬度的計(jì)算關(guān)系．

下行：

上行：

式中：Bmin為允許通過(guò)船舶的最小航道寬度；Lmax為允許通過(guò)船舶的最大船長(zhǎng)．

2 彎曲河段通過(guò)能力預(yù)報(bào)

上文已經(jīng)計(jì)算出彎曲河段允許通過(guò)的最大船舶尺度和彎曲河段最小航道寬度的計(jì)算關(guān)系，已知某一彎曲河段的航道最小寬度，利用式（12）和式（13）可得到該彎曲河段允許通過(guò)的不同長(zhǎng)寬比的上下行船舶的最大長(zhǎng)度Lmax，以集裝箱船為例，統(tǒng)計(jì)出船舶最大長(zhǎng)度與噸位的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，由MATLAB曲線擬合后得到集裝箱船長(zhǎng)度與噸位關(guān)系曲線，見圖5．

圖5 集裝箱船長(zhǎng)度與噸位關(guān)系曲線

由圖5可以得到彎曲河段允許通過(guò)最大集裝箱船的噸位，從而達(dá)到彎曲河段通過(guò)大型船舶能力的信息預(yù)報(bào)．

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析彎曲航道航寬、曲率半徑等與通航船舶尺度的關(guān)系，在充分考慮彎曲河段風(fēng)流對(duì)船舶作用特點(diǎn)下，建立了船舶尺度與彎曲航段航道尺度的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，通過(guò)給定彎道最小寬度計(jì)算出允許通過(guò)船舶的最大長(zhǎng)度，利用船舶噸位與長(zhǎng)度的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得到允許通過(guò)最大船舶的噸位，實(shí)現(xiàn)了彎曲河段通過(guò)大型船舶信息的科學(xué)預(yù)報(bào)．

［1］劉明俊．航道與引航［M］．北京：人民交通出版社，2003．

［2］李 穎．內(nèi)河航道通過(guò)能力研究及應(yīng)用［D］．南京：河海大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，2006．

［3］劉明俊，呂習(xí)道．船舶過(guò)彎道所需航寬建模［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)工程版，2006，30（1）：178－179．

［4］徐婷婷．不同安全條件下的航道通過(guò)能力研究［D］．南京：河海大學(xué)港口海岸及近海工程系，2007．

［5］田 野．航道通過(guò)能力的研究與評(píng)定［D］．大連：大連海事大學(xué)航海學(xué)院，2002．