內(nèi)河航道橫流對船舶航行的影響

黑龍江省航道局 黑龍江省哈爾濱市

摘要：為了更好的保證船舶自身的運行安全，采用水槽開展遙控自航船模實驗，同時在這一過程中業(yè)務對IV與V級航道橫向的流速限制范圍，在分析之后發(fā)現(xiàn)橫流對船舶航行速度的影響程度和對岸的航速主要呈反比，同時和橫流數(shù)值的大小以及區(qū)域的長度呈現(xiàn)出了正比的關(guān)系，此外，其和船型的大小也呈現(xiàn)出了反比的關(guān)系，駕駛員所處的航行位置以及航行經(jīng)驗也會對橫流及船舶運行的速度產(chǎn)生一定的影響，本文主要分析了內(nèi)河航道橫流對船舶航行的影響，以供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：航道工程；內(nèi)核航道；橫流；船模試驗

船舶航行的過程中會受到橫流的影響，比如船舶從此岸到彼岸橫穿水流，在經(jīng)過了河道交匯口與取排水口附近，在經(jīng)過交錯淺談的彎道時或者是穿越到流水水域進出閘等通航道口門區(qū)的位置，所以，橫流是船舶航行過程中可能會經(jīng)常出現(xiàn)的一種斷流的情況內(nèi)河航道的橫流通常也將船舶推到航線的位置之外，這樣也就會對船舶航行的安全產(chǎn)生非常重大的影響，因此，我們需要采取有效的措施積極的研究橫流對船舶航行速度的影響水平。

1、模型設(shè)計

1.1水槽設(shè)計

水槽的長度為40m，水槽的寬度為5m，其高度為0.22m，底坡的坡率為1.0‰，水槽觀察段的長度達到了9m，上游由矩形量水堰對水量進行全面的控制，下游主要是橫拉式的尾門對水位進行全面的控制，進出口段都設(shè)置了格墻和花墻，這樣就能十分有效的調(diào)整平順的水流，在順水流的方向，主槽的內(nèi)部設(shè)置6條航道中心線，各個航道與主槽邊的距離如圖1所示

圖1主槽系統(tǒng)

為了能夠更好的保證在寬水槽的內(nèi)部產(chǎn)生橫向水流，從水槽側(cè)向正交的支槽的位置對水流進行控制，同時在這一過程中側(cè)向支槽開口的寬度和主支槽的相對流量會對主槽橫流的范圍產(chǎn)生重大的影響，采用平面二維水流對其數(shù)學模型進行計算，將側(cè)槽的寬度也控制在一個相對比較合理的范圍當中，其寬度要控制在3m上下，如果船舶在主槽內(nèi)沿著不同的航線航行的時候，我們通?？梢酝ㄟ^不同的橫流區(qū)域，試驗測量系統(tǒng)的坐標原點通常在支槽進口上沿的位置。

1.2船模制作與運動性能校準

1.2.1船模的制作

船體通常采用的是玻璃鋼材料制作，對船體水線以下部分的尺寸精度進行全面的控制，對上層結(jié)構(gòu)的要盡量以簡單的方式來完成，這樣就能夠有效的減輕結(jié)構(gòu)的重量，將其應用在安裝設(shè)備和電池以及對應的配載上。螺旋槳是按照實船多葉圖和整塊的黃銅對其進行加工處理，首先采用的機床加工，再采用人工修正的方式來對其進行全面的制作，舵葉通常是按照實船舵葉圖進行設(shè)計，同時采用黃銅完成其制作。

1.2.2船模運動性能校準

在船模制作完成之后，還需要對船模進行適當?shù)男侍幚恚@樣也就使得船模和實船在凈水當中的排水量以及平面重心的位置等達到設(shè)計的要求。在船舶航行的過程中，為了更好的減少船舶運行過程中所產(chǎn)生的消耗，駕駛員一定要勻速直線航行，而在預定的航線上如果出現(xiàn)了其他的障礙物或者是其他航行的船舶，為了防止船舶間的碰撞，我們必須要適當?shù)母淖兒叫械乃俣然蛘呤呛叫械姆较?，所以在這樣的情況下，我們就需要對船舶航行過程中具體的操作性能進行適當?shù)母倪M。

船模靜水航速的選擇及其率定為：參照目前內(nèi)河船舶的航行速度，試驗船模的靜水航速分別取2.5、3.0與3.5m·s-1；首先在靜水中檢驗并調(diào)整船模的直航穩(wěn)定性，然后按不同的數(shù)值，通過調(diào)整螺旋槳的轉(zhuǎn)速，使船模的車速達到設(shè)定值。船模操縱性參數(shù)效應修正：為保證自航船模與實船的水動力相似，實際中通常以重力相似為主進行設(shè)計制作，但船模受到的阻力往往比實船要大，為保證航速相似，須提高螺旋槳轉(zhuǎn)速，舵葉則處于較強的推進器尾流中，從而使船模的舵效較實船好，造成船模與實船的操縱性不相似，需進行尺度效應修正；因沒有實船操縱性驗證資料，現(xiàn)按類似船型和比尺船模的試驗結(jié)果進行修正，主要采用減小舵葉面積的方式進行處理，500、300t級船模尺度效應修正后的舵葉面積分別為原舵葉面積的85%、75%。

船模舵角的率定：通常35°的舵角使船舶具有最大轉(zhuǎn)船力矩，故本次試驗選取的最大舵角值為35°。通過調(diào)節(jié)船模的遙控器，使船模左、右最大舵角率定為35°。實際上船舶安全行駛時舵角不超過25°，使用了滿舵才安全通過，表明船舶已經(jīng)處于事故的臨界狀態(tài)。

2、測量設(shè)備與試驗條件

2.1 試驗測量設(shè)備

水位采用精度為±0.1mm的測針測量；垂線流速采用光電旋槳式流速儀測量；表面流場測量采用表面粒子實時圖像自動采集與處理；船模航行參數(shù)的測量通過視頻實時采集安置在船模船頭、船尾的粒子來分析航行過程中的船位，并計算出漂角、漂距、對岸航速等航行參數(shù)；舵角通過安裝在船模上的無線模塊，將舵角值同步實時傳輸?shù)酱＼浖?，繪制船模航態(tài)圖和航行參數(shù)變化圖；通過系統(tǒng)實時采集的船位進行實際位置擺放校核，其測量精度滿足試驗要求。

2.2 試驗條件

2.2.1 水流試驗條件

本文主要研究橫流大小和范圍與船舶航行參數(shù)間的關(guān)系，而橫流的大小和范圍又與主、支槽流量比和主槽流量有直接關(guān)系，因而試驗中水流的控制是首先調(diào)整主槽的縱向流速，再利用主、支槽流量比調(diào)整橫流的大小和范圍。主槽縱向流速的大小，因支流的匯入后沿程變化，上下游的流速大小不等，可按照船舶航行方向的流速進行控制，即船舶逆流上行時控制下游流速，船舶順流下行時控制上游流速，以受匯流口影響較小處的流速控制。試驗中的上下游縱向流速控制在0.5、1.0和1.5m·s-1（原型值）。

2.2.2 船模航行試驗條件

船模采用3種靜水航速、2種航行方式分別沿不同航線航行。車速1、2、3對應的靜水航速分別為2.5、3.0、3.5m·s-1；2種航行方式分別為操縱舵角保持航向與設(shè)定航線平行的航行方式與操縱舵角限制船舶在航路中航行的方式。

3、受力與流速分析

3.1 受力分析

船舶跨越橫流區(qū)時的受力主要有船舶自身的推力F、平行于船體的水流阻力R′y及船體側(cè)向的橫流作用力R′x。R′x可等效為作用于船舶重心的橫流力R″x和扭矩Myx。船舶在平面上的運動既有平動又有轉(zhuǎn)動，橫流作用力R′x促使船舶橫向漂移，當船體的前半部分與后半部分受到的橫流作用力不同時，橫流對船體產(chǎn)生的扭矩Myx使船舶轉(zhuǎn)動。作用于船體上的扭矩大小與沿船體上的橫流大小及其不均勻程度有關(guān)。當船舶受自身推力與水流作用力的合力作用而偏離航線方向時，船舶重心將偏離航線，此時需操縱舵角調(diào)整艏向角以保持船舶沿預定航線航行。

3.2 流速分析

船舶上下行過程中的流速見圖3，Vs為縱、橫向水流的合成速度，與船舶的車速V0合成后為船舶的對岸航速Vb，對岸航速可分解出垂直于船舶的橫向速度V′x，橫向水流速度Vx及垂直于船舶的橫向速度V′x，分別為

Vx=Vssin（θ）（1）

V′x=Vssin（θ±α）（2）

式中：θ為水流合成速度與設(shè)定航線之間夾角；“+”表示船舶下行，“-”表示船舶上行。

4、結(jié)語

在船舶航行的過程中會受到很多因素的影響，同時在這一過程中，在眾多的因素當中，內(nèi)河航道橫流就是非常重要的一個因素，它會對航行的速度以及航行的線路產(chǎn)生非常重大的影響，因此，在船舶航行的過程中，我們必須要對其予以高度的關(guān)注和重視。

參考文獻：

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