風、流條件對船舶航行影響數值仿真研究

徐錦波

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

關鍵詞：風;流;船舶航行;數值仿真

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

1引言

據大眾網報道：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號航標附近時突然偏離航道。此時海上風力6-7級，涌浪較大。而南港池航道外側淺點較多，偏離航道船舶發(fā)生擱淺的幾率極高，一旦擱淺，受風浪影響船舶極易翻沉，后果不堪設想。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，調整航向，盡快返回航道。同時，值班員又調派海事執(zhí)法船“海巡0562”輪和一艘大馬力拖輪做好應急準備，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，船舶自錨地斜插進入航道后未及時轉向，同時船舶主要受風、流的影響最終導致偏離航道。

在海上，空氣的運動產生風，海水的運動產生海流、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。船舶駕引人員應對這些影響進行全面正確的預估，調整航行方法，以利于船舶安全航行。本文主要對風、流的作用對船舶航行影響進行數值仿真研究，給船舶駕引人員提供一個直觀有效的數據，具有一定的借鑒意義。

2風對船舶航行的影響

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

2.1風致偏轉

2.1.1前進中受風

對于航行中的船舶受正橫前來風的作用時，其受風偏轉主要由風速、風向、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的作用時，船首呈現(xiàn)出極強的迎風偏轉性。此外，在航行中受風，且速度較高時，不論是前進還是后退，其運動的前端在風的作用下將轉向迎風的方向，這種性質稱為偏轉的迎風性。迎風性偏轉是風致漂移的結果，因此，必須以具備一定風速和一定的運動速度為條件。

2.1.2倒退中受風

對于后退中船舶，風從正橫前吹來，風動力作用點在水動力作用點之前。在風、水動力轉船力矩作用下，船尾迎風偏轉;風從正橫后吹來，風、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，以及螺旋槳反轉時的高壓作用于船尾，使水動力作用點后移較多，即使風從正橫后吹來，水動力作用點一般也在風動力作用點之后而產生使船尾迎風轉的轉船力矩。此外，在風動力作用下，向下風漂移時，船尾受斜流影響，產生螺旋槳斜流效應橫向力，而該力的轉船力矩方向恰與風、水動力轉船力矩方向相同，使船尾迎風偏轉。因此，出現(xiàn)“尾找風”的現(xiàn)象。

2.2風致漂移

船舶在航行中受風時，將向下風側產生漂移，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。

航行中船舶受風作用而產生的風致漂移量可按下式計算：

式中：——系數，一般取0.038～0.041;

——船體水線上側受風面積（m2）;

——船體水線下側面積（m2），，其中L為船長，d為滿載吃水;

——航行中的風致漂移速度（m/s）;

——相對風速（m/s）;

——漂移時間（s）。

控制船型船舶在工程水域1～8級風和不同裝載條件下，船舶在滿載/空載情況下以不同航速航行時的風致漂移速度分別如圖1和圖2所示。如圖所示，取風中平均船速6～9kn條件下，滿載時10000DWT船舶在8級風速下風致漂移速度可達0.28m/s;在空載時，由于受風面積增大，可達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倍船長時的風致漂移距離分別如圖3和圖4所示。取風中平均船速6～9kn條件下，航行1倍船長，滿載時10000DWT船舶在8級風速下風致漂移量可達10m以上;在空載時，由于受風面積增大，風致漂移量可達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，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5～l5m左右。

參考文獻：

[1] 孫凌麗.船舶運動的風浪影響建模與仿真研究[D].哈爾濱工程大學，2010.

[2] 李儉.超大型集裝箱船舶受風作用下的操縱性研究[D].大連海事大學，2011.

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