風(fēng)、流條件對船舶航行影響數(shù)值仿真研究

徐錦波

摘 要：確保船舶進(jìn)出港航行安全，船舶駕引人員應(yīng)在進(jìn)出港航行期間充分考慮船舶自身因素以及進(jìn)出港航行環(huán)境因素對船舶航行安全的重要性，本文重點分析船舶進(jìn)出港航行期間受風(fēng)、流作用下影響程度，通過數(shù)值仿真計算得出風(fēng)、流影響程度提供給船舶駕引人員，對大型船舶進(jìn)出港安全航行起到借鑒作用。

關(guān)鍵詞：風(fēng);流;船舶航行;數(shù)值仿真

中圖分類號：U675.5+1? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）05-0122-03

1引言

據(jù)大眾網(wǎng)報道：東營海事處值班員在值班中發(fā)現(xiàn)，一艘名為A輪的油輪航行至東營港南港池航道3號航標(biāo)附近時突然偏離航道。此時海上風(fēng)力6-7級，涌浪較大。而南港池航道外側(cè)淺點較多，偏離航道船舶發(fā)生擱淺的幾率極高，一旦擱淺，受風(fēng)浪影響船舶極易翻沉，后果不堪設(shè)想。發(fā)現(xiàn)A輪偏離航道后，海事值班員立即通過甚高頻系統(tǒng)呼叫該船，提醒其已偏離正常航道，要求船舶立即采取緊急措施，調(diào)整航向，盡快返回航道。同時，值班員又調(diào)派海事執(zhí)法船“海巡0562”輪和一艘大馬力拖輪做好應(yīng)急準(zhǔn)備，防止突發(fā)事件發(fā)生。15時15分，在東營海事處的密切關(guān)注下，A輪安全返回航道，15時40分，該輪順利靠泊東營港南港池1號泊位。

據(jù)了解，A輪船長85米，載重噸2600噸，船籍港為舟山，本航次是該船首次到東營港作業(yè)。由于對港區(qū)通航環(huán)境不夠熟悉，船舶自錨地斜插進(jìn)入航道后未及時轉(zhuǎn)向，同時船舶主要受風(fēng)、流的影響最終導(dǎo)致偏離航道。

在海上，空氣的運動產(chǎn)生風(fēng)，海水的運動產(chǎn)生海流、潮汐和波浪等。水面船舶在海上航行時，其運動狀態(tài)無時不受到這些氣象、水文要素的影響。此外，在港灣水域，船舶運動狀態(tài)還受到水域環(huán)境的影響，如寬度受限的航道，水深受限制的淺水等。因此，船舶操縱的安全性不但涉及船舶操縱性能，而且還要考慮各種航行環(huán)境的影響。船舶駕引人員應(yīng)對這些影響進(jìn)行全面正確的預(yù)估，調(diào)整航行方法，以利于船舶安全航行。本文主要對風(fēng)、流的作用對船舶航行影響進(jìn)行數(shù)值仿真研究，給船舶駕引人員提供一個直觀有效的數(shù)據(jù)，具有一定的借鑒意義。

2風(fēng)對船舶航行的影響

風(fēng)是影響通航安全的一個重要因素，船舶在航經(jīng)橋區(qū)及其附近水域時，風(fēng)對其產(chǎn)生的影響主要包括：

2.1風(fēng)致偏轉(zhuǎn)

2.1.1前進(jìn)中受風(fēng)

對于航行中的船舶受正橫前來風(fēng)的作用時，其受風(fēng)偏轉(zhuǎn)主要由風(fēng)速、風(fēng)向、船速以及裝載狀況來共同決定。在空載（或壓載）航行中受正橫后來風(fēng)的作用時，船首呈現(xiàn)出極強(qiáng)的迎風(fēng)偏轉(zhuǎn)性。此外，在航行中受風(fēng)，且速度較高時，不論是前進(jìn)還是后退，其運動的前端在風(fēng)的作用下將轉(zhuǎn)向迎風(fēng)的方向，這種性質(zhì)稱為偏轉(zhuǎn)的迎風(fēng)性。迎風(fēng)性偏轉(zhuǎn)是風(fēng)致漂移的結(jié)果，因此，必須以具備一定風(fēng)速和一定的運動速度為條件。

2.1.2倒退中受風(fēng)

對于后退中船舶，風(fēng)從正橫前吹來，風(fēng)動力作用點在水動力作用點之前。在風(fēng)、水動力轉(zhuǎn)船力矩作用下，船尾迎風(fēng)偏轉(zhuǎn);風(fēng)從正橫后吹來，風(fēng)、水動力作用點均在重心點之后，而作用方向相反。

在實際操作中，由于后退中船尾部的線型特點，以及螺旋槳反轉(zhuǎn)時的高壓作用于船尾，使水動力作用點后移較多，即使風(fēng)從正橫后吹來，水動力作用點一般也在風(fēng)動力作用點之后而產(chǎn)生使船尾迎風(fēng)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)船力矩。此外，在風(fēng)動力作用下，向下風(fēng)漂移時，船尾受斜流影響，產(chǎn)生螺旋槳斜流效應(yīng)橫向力，而該力的轉(zhuǎn)船力矩方向恰與風(fēng)、水動力轉(zhuǎn)船力矩方向相同，使船尾迎風(fēng)偏轉(zhuǎn)。因此，出現(xiàn)“尾找風(fēng)”的現(xiàn)象。

2.2風(fēng)致漂移

船舶在航行中受風(fēng)時，將向下風(fēng)側(cè)產(chǎn)生漂移，若以保向為前提，其航跡與航向并不一致，斜航中的漂角即風(fēng)壓差的大小取決于航行中的漂移速度與其縱向運動速度。

航行中船舶受風(fēng)作用而產(chǎn)生的風(fēng)致漂移量可按下式計算：

式中：——系數(shù)，一般取0.038～0.041;

——船體水線上側(cè)受風(fēng)面積（m2）;

——船體水線下側(cè)面積（m2），，其中L為船長，d為滿載吃水;

——航行中的風(fēng)致漂移速度（m/s）;

——相對風(fēng)速（m/s）;

——漂移時間（s）。

控制船型船舶在工程水域1～8級風(fēng)和不同裝載條件下，船舶在滿載/空載情況下以不同航速航行時的風(fēng)致漂移速度分別如圖1和圖2所示。如圖所示，取風(fēng)中平均船速6～9kn條件下，滿載時10000DWT船舶在8級風(fēng)速下風(fēng)致漂移速度可達(dá)0.28m/s;在空載時，由于受風(fēng)面積增大，可達(dá)0.5m/s.船速越大時，漂移速度相對越慢;船速越小時，漂移速度則越快。

控制船型船舶在水域1～8級風(fēng)和不同裝載條件下，船舶在滿載/空載情況下以不同航速航行1倍船長時的風(fēng)致漂移距離分別如圖3和圖4所示。取風(fēng)中平均船速6～9kn條件下，航行1倍船長，滿載時10000DWT船舶在8級風(fēng)速下風(fēng)致漂移量可達(dá)10m以上;在空載時，由于受風(fēng)面積增大，風(fēng)致漂移量可達(dá)22m左右。

3水流條件對船舶航行的影響

船舶在航行過程中，受流的影響會產(chǎn)生流致漂移。流致漂移量可按下式計算：

式中：——流速（m/s），流速一般取0.2-2.0m/s;

——流壓角（°），流壓角一般取0～90°;

——漂移時間（s）。

其中：，S為船舶在航道中直線航行的長度，取船長的倍數(shù)，為航速，船舶航速6～12kn。

計算得到1倍船長漂移距離下船舶的漂移量參見圖5～圖8。計算結(jié)果表明，水域控制船型在平均船速6～12kn條件下，航行1倍船長距離時，10000DWT船舶在最大流速（2.0m/s）作用下的流致漂移量最大（橫流）可達(dá)50～95m左右;在平均流速0.3～0.5m/s條件下，流致漂移量最大（橫流）可達(dá)5～l5m左右。

參考文獻(xiàn)：

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