論流體力學在船舶操縱中的應用
還記得自己在學校學習操縱課時,對于什么情況下會出現(xiàn)船吸、船推、岸推、岸吸現(xiàn)象,靠的完全是自己的死記硬背,考試之前強記下,考完后腦子里又是一片漿糊了。工作以后,對這個現(xiàn)象還是半知不解,相信很多的航海同仁存在著和我同樣的困惑。下面我就簡單介紹下一個通俗易懂的方法。
記得學校里上流體力學第一節(jié)課的第一部分,老師拿兩張白紙,以差不多10cm的間距,平行拿在手中,然后往兩張紙中間吹氣,結果兩張紙就相互貼攏。解釋:兩張紙中間的氣流速度快,兩張紙中間的壓強比外側壓強小,從而產生由兩側向內的壓力。這就是流體力學的基本原理:流體(氣流和水流)速度越快的部位,壓強越小。相信大多數(shù)人都知道自來水龍頭放水(水龍頭出水不能太大)沖乒乓球的結果:乒乓球始終平衡在水柱的正下方;以上述原理解釋就是:當乒乓球向任何一側偏出時,另一側(水柱中心方向)的水流相對更大、更急,偏出側水流則小而緩;水柱中心方向壓強就小,就會產生推乒乓球向水柱中心側的壓力,推動乒乓球向水柱中心移動,使得乒乓球始終平衡在水柱的正下方。
還記得船舶錨鏈倉污水排放系統(tǒng)的結構嗎?在我印象中絕大多數(shù)船舶是通過消防水來提供排放動力的。如下圖所示:啟動消防泵后,再打開進、出水口控制閥,在單向截止閥的消防水一側由于水流急,形成了一定的真空,產生了一定的吸力,吸開單向截止閥,進一步吸出錨鏈污水,跟隨消防水一起排出舷外。消防水壓力越大,產生的吸力就越大。這套系統(tǒng)的運行方式,很好的印證了上述原理:流體(氣流和水流)速度越快的部位,壓強越小。
有個有趣的現(xiàn)象:航行中,前、后八字方向來風,駕駛臺除兩翼門打開外,其他門、窗都保持關閉狀態(tài),你會發(fā)現(xiàn)上風舷的門口在出風,而下風舷的門口則在進風。以上述原理解釋就是上風舷風速大,壓強小,下風舷氣流則較亂,產生了渦漩,壓強大,從而使得氣流從下風舷門進入駕駛臺內部。
“高速行進中的船舶,迎風偏轉。”
相信很多人都非常熟悉這句話,這句話是指:海上正常航行的船舶,流的影響不是很大的情況下,將舵放在正舵位置,艏向會自己偏轉到風的來向,即艏向去找風向。解釋:風在吹過船首后,由于艏部對風的切割,在下風舷形成了回風,回風即亂流、渦流,使得下風舷的壓強比上風舷大,形成推艏向上風舷的作用力;這是在船艏部風的作用力,至于船的舯艉部,風在經過艏部一段距離后相對比較順了,作用于兩舷的力的差別跟艏部的差別比起來已經是很小了,甚至可忽略不計了。還有大家更為熟悉的一種解釋:即一般船舶水線以上部分通常都是后部受風面積大(大多數(shù)船生活區(qū)都位于艉部),因此產生了推艉向下風舷(即推艏迎風)的作用力。相比較兩種解釋或兩種對作用力的分析,我認為第一種作用力(艏部作用力差)更為主要,是主要作用力。實際應用:過老鐵山水道右轉開往營口,北風5級,抵轉向點后,將舵角放正舵位置,船就會自己慢慢右轉,如果加上一定的右舵舵角,轉起來會更快,所以船舶駕駛人員要根據(jù)周圍通航環(huán)境選擇合適的舵角,留出更大的角度空間來把定;如果是左轉開往天津,叫個左舵5°,艏向可能會沒反應,需要用更大的舵角才能讓船艏向左轉。
長江口南水道北槽航道(長江口燈船至#D11、#D12浮筒),船舶駕駛人員都非常熟悉了,但你是否熟悉這一段的操舵特性呢?通常我們都是乘漲潮順水進口,即長興高潮前5~6小時進槽,此時此段航路潮流是南流(流向順時針轉),深水航道走向270°,配上一定的流壓角(以10°為例),艏向為280°,以10節(jié)的航速進口。流是從船的右前方來的,艏部對水流有切割,艏部左邊有回流、渦流形成,形成了推艏向右的作用力。如果此時有一定的右舷來風(即北風),那風流合一形成的作用力會更大。因此,水手操舵把定某個航向需要用一定的左舵,具體舵角和船速、車速、風向、風速有很大關系:船速越快,舵效越好,把定舵角就小;車速越快,舵效越好,把定舵角就小。這就是為什么這一段航程始終需要一定的左舵舵角來把定航向,5°、10°、15°、20°甚至更大舵角都是可能的。因此駕駛人員對這一航段航向的修正宜直接叫航向,而不是舵角,比如要左轉5°,如果叫左舵5,本船可能非但不左轉,反而出現(xiàn)右轉,除非你一直關注著把定舵角情況。記得剛上船那會,進出黃浦江時常聽到船長問操舵水手“現(xiàn)在什么舵”,那不是在問當時舵的位置,而是在問需要什么樣的舵角來把定航向,通常的回答是“大概左/右舵多少度”,船長會據(jù)此來決定下個轉向使用什么舵角;這在黃浦江航行時是經常碰到的,因黃浦江通航環(huán)境復雜,船長專注于前方,可能根本就沒時間、沒精力關注航向把定情況。對于上述情況,大家會提出這樣的疑問:風/流對船體的影響是整體的,不僅僅作用于艏部的;以右邊來流為例,在艏部形成了推艏向右的作用力,同樣在艉部也會形成推艉向右的作用力,抵消了艏部作用力的影響。對這個問題本人也困惑了很長時間,我的解釋是:在艏部,由于艏部對風/流的切割使得在其下風/流側形成了亂流、渦流,而在艉部顯然不存在此種切割;中后部左右兩側的相對流速是差不多的,也可說:相對于船的前進速度,風/流作用作用于兩舷的力的差別是可忽略不計的;有的只是風/流對整個船體的沖擊力,形成船體向下風/流的漂移(即風流壓)。
如果是漂航狀態(tài),船首向又會呈現(xiàn)一個怎樣的狀態(tài)呢?通常,是船舷迎風/流,接近正橫方向,且不會和風/流向呈直角走向,根據(jù)風/流、吃水、甲板貨箱及上層建筑情況不同而呈現(xiàn)不同夾角,但總體來說,船舷迎風/流的大趨勢是肯定的。
狹水道航行各種情況分析:
① 兩船同向平行航行,包括追越她船、被她船追越、駛過系泊船;各種情況如下圖所示。
② 兩船會遇,詳見下圖。
③ 岸吸、岸推及推船往河道中央。“推船往河道中央”說法不準確,應該說“推船往急流側”或者“推船向深水側”,但通常河道中央比河道兩側水更深,水流也更急。
如上述三組圖所示,歸根到底,其實都是在分析本船左右兩舷流速的差別,什么部位左右兩舷流速差別大了,就會形成緩流側向急流側的推力。
根據(jù)上述圖例分析,我們可以針對狹水道航行的各種情況,對本船的運動趨勢做出一定的預判,并提前采取相應的措施,防止緊迫局面的發(fā)生。就兩船的會遇、追越情況,她們所受的作用力是相互的、對等的,但會因兩船的大小、裝載情況不同而存在截然不同的反應;舉例來說:我司4250TEU的新字頭船航道里近距離追越一條一萬噸級的小船,大船通常是毫無反應,但那小船可能需要大舵角、加車才能把定航向。因此,我們不僅要考慮自身情況,還應設身處地的為她船考慮。
下沉量的產生;對于下沉量的產生原因是否可以這么解釋:航行時,船舶底部的水流速度相對于靜止時要快多了,因此航行時船舶底部的壓強相對于靜止時也小了,從而使得產生的浮力也變小了,且船速越快,流速也越快,壓強就減小的越多,因此下沉量也就越大;富裕水深越小,相同船速船底水流速度越快,下沉量就越大。
題外話:
現(xiàn)在很多家庭都有了轎車,而轎車的頂部大都是流線型的設計,而底部則是平的。按照上述理論,汽車快速行駛時,頂部的氣流快速通過,壓強就小,而底部會有亂流、渦流出現(xiàn)。從而產生向上的抬升力,導致輪胎的抓地力減小,操控性能變差,這就是為什么我們會感覺速度太快時車子會漂。這同時也解釋了為什么日系車、韓系車(自重輕)高速行駛時更容易感覺漂。理論上,只要速度足夠快,我們的轎車是能夠飛離地面的。飛機的機翼設計也是如此,上部流線型,下面則相對較平。同理,船舶螺旋槳背面會存在高壓氣泡(渦流增壓),在氣泡破裂時會沖擊槳葉表面,產生氣蝕破壞槳葉表面。
總結:
在實際操縱中,不一定每次都會出現(xiàn)自己所預判的結果的,因為船的運動還會受到其他多種因素如富裕水深、風向、風速、船速、車速、船舶水下型形、操舵人員的技能、之前的舵令、之前本船的轉頭趨勢等等多種因素影響的,跟船的裝載狀態(tài)(滿載或空載,通常空載艏部艏流面積小)也有很大關系;因此,我們應綜合考慮多方面條件(如風、流哪個因數(shù)的影響力更大)做出預判,萬一出現(xiàn)了背離,可進一步分析深層次的其他因素。有了對這一基本理論的理解,大家不需要絞盡腦汁去死記硬背什么時候回出現(xiàn)什么現(xiàn)象,只需簡單的綜合分析下,就能想到結果,提前采取相應的預防措施或提前做好相應的應急準備,為我們的航行安全提供更多的保障。
以上是本人近二十年航海經驗的總結,風/流對船體運動的影響是經過很多次驗證的,但狹水道航行的各種情況少有機會實際驗證,實際也就在服務于原中海集運一千箱小船時在廣州伶仃航道碰到過兩/三次。因此,有何不妥之處請指出,有任何不同見解歡迎來電討論。
本文來自:上遠船管第二中心
中遠海運發(fā)展股份有限公司船長 俞曉剛
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