船舶在靠離泊時的水動力因素研究

董明遠(yuǎn)

（天津港引航中心，天津 300456）

1 前言

船舶在靠離泊作業(yè)中安全是排在首位的。能夠?qū)侩x泊過程產(chǎn)生的影響因素有很多，其中包括本船的操作性能、引航員的操縱、船長對港口碼頭情況的熟悉程度、海流、海浪、風(fēng)壓、拖輪與車舵錨以及航儀器等等，在船舶靠離泊過程中，各種因素都在不斷變化，船只操作者要能夠及時對環(huán)境改變做出反應(yīng)。

2 天津港及潮汐概況

天津港位于渤海灣西岸（38°59′31″N/117°42′44″E），居于海河水系出?？?，是我國最大人工港口，港口水域總面積200km2，全長40余海里。碼頭泊位主要由東疆港區(qū)、南疆港區(qū)、北疆港區(qū)、臨港港區(qū)、南港港區(qū)五大部分組成，共計約150個泊位。天津港潮汐屬于不正規(guī)半日潮，有潮汐周日不等現(xiàn)象，在潮高周日不等方面不明顯，在潮時不等方面比較顯著。

因現(xiàn)階段最常用的靠泊方法是“頂流靠泊”法，所以本文就針對此方法來進(jìn)行闡述。

3 頂流靠泊作業(yè)中的水動力因素

頂流靠泊作業(yè)中，船舶本身會因為水動力作用而產(chǎn)生船體偏離原始航向的情況，而船舶引航員會因為這種原因而駕駛船舶以非正常角度靠泊，這樣會導(dǎo)致船體本身外舷受到海流沖擊，進(jìn)而導(dǎo)致一些船體偏轉(zhuǎn)問題無法得到解決。

3.1 水動力轉(zhuǎn)船力矩分析

水動力的定義是指：船舶在靜止或運動過程中與船體環(huán)繞的水體產(chǎn)生相對運動時，船舶本身承受的來自水體施加的力。如果船只處于靜止?fàn)顟B(tài)，水面以下部分的船身會存在漂角值為β，此時船體會受到均勻的海流沖擊；如果水體處于靜止?fàn)顟B(tài)，那么船體在以某一舷角β用與海水流動速度相同的速度運動時，水面以下的船身部分就會受到水動力作用并且存在對應(yīng)的轉(zhuǎn)船力矩。

3.2 船體受力圖解

3.2.1 針對中小型船只

如圖1所示，該類型船舶通過自力進(jìn)行靠泊作業(yè)，存在海流影響、沒有風(fēng)壓、在正舵、橫移，現(xiàn)假設(shè)海流流速為勻速，船只航行的速度為VG，VG=船體本身速度VS與海流流速VC的合速度，同設(shè)在正舵不受到任何其他力的影響，在這種前提條件下，船體本身受到來自海流沖擊的速度VW等于VS，沖擊力的方向與船頭互反，此時船只不會發(fā)生偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

圖1 無風(fēng)壓、有海流時中小型船舶自力靠泊作業(yè)過程

如圖2所示，該類型船只通過自力進(jìn)行靠泊作業(yè)，橫向內(nèi)舷存在風(fēng)壓、存在海流影響、有進(jìn)車、存在內(nèi)舷舵、保持船身朝向進(jìn)行斜角運動。

圖2 橫向前側(cè)內(nèi)舷來風(fēng)、有海流時中小型船舶自力靠泊作業(yè)過程(VS為無風(fēng)、正舵條件下的船速；VS’為實際船速)

3.2.2 針對大中型船只

如圖3所示，該類型船只在進(jìn)行靠泊作業(yè)時需要拖船來進(jìn)行協(xié)助作業(yè)，條件為不存在風(fēng)壓、存在海流影響、存在正舵、船頭沒有發(fā)生偏轉(zhuǎn)、船體重心處于橫移狀態(tài)。拖船對船體本身施加的推力會加快船體橫移速度，海流流速為VC，船只相對地面移動速度為VG，二者合速度為船舶海流相對運動速度VW，速度與船頭線H存在夾角β，該情況下船體內(nèi)側(cè)舷會受到海流沖刷影響，從而存在水動力FW，水動力致使船體發(fā)生偏轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)船力矩NW，拖船推力Nt跟NW相互抵消從而使得船體本身不會發(fā)生轉(zhuǎn)向，可以做到橫向無偏轉(zhuǎn)靠泊。

圖3 不存在風(fēng)壓、存在海流時大中型船舶借助拖船進(jìn)行靠泊作業(yè)

如圖4所示，該類型船只為重載船，該種船在進(jìn)行靠泊作業(yè)過程中需要借助拖船的推力來進(jìn)行，環(huán)境條件為不存在風(fēng)壓、存在海流影響、船頭本身朝向內(nèi)側(cè)，重心橫向移動。

圖4 不存在風(fēng)壓、存在海流時大中型重載船舶借助拖船進(jìn)行靠泊作業(yè)

圖5

操縱實例：

“中華榮耀”（292×45×18.32）計劃2021年6月19日，1800左靠G26，潮汐情況1534 141㎝ 2242 78㎝在進(jìn)港過程中處于漲水，文中提到天津港漲水流速平均0.8節(jié)最大能達(dá)到1.8節(jié)，漲水流向西北。東北風(fēng)3～4級1730在錨位起錨，起錨初始階段由于船速較慢，風(fēng)流壓差角達(dá)到20°。所以起錨初始階段應(yīng)該充分預(yù)估船舶受流壓影響所導(dǎo)致的飄移并及時用車加速，減小流對大船影響。1815在主航道上線，主航道航行過程中也需考慮到風(fēng)流對船舶影響，切勿疏忽大意使船舶始終航行在主航道的中線上，在航行至泊位5海里時開始逐級減速，到達(dá)S15外擋時航速控制在6節(jié)，距泊位1海里時速度控制節(jié)并帶好拖輪并讓船尾正中拖輪放纜協(xié)助減速。當(dāng)航行至G30段外擋時航速2.5節(jié)并用舵向右開始轉(zhuǎn)向，由于漲潮階段當(dāng)大船開始向右開始轉(zhuǎn)向后右船尾會吃流，在舵力和水動力的作用下船首會加速向右偏轉(zhuǎn)，此時應(yīng)果斷施加左舵，減小大船的轉(zhuǎn)速率，如果舵效不明顯應(yīng)該果斷加車增加舵力并用船頭拖輪加以頂推來抑制大船向右偏轉(zhuǎn)，依據(jù)自身經(jīng)驗始終使船舶向右的轉(zhuǎn)速率在5～7。由于主航道和泊位夾角約為80°，當(dāng)船舶轉(zhuǎn)順以后要格外關(guān)注大船進(jìn)速和船舶受流的影響向碼頭的橫移速度。

3.2.3 總結(jié)歸納

依上述四種情況，下面闡述幾點。

（1）當(dāng)船舶進(jìn)行頂流正角度靠泊作業(yè)時，船體本身并不一定是外側(cè)舷承受海流沖擊，一般海流沖擊的點位會因為舷角β改變而變化，β受船體本身在運動過程中受風(fēng)壓、拖船推力、舵力以及本身車力等綜合作用的影響。船舶在進(jìn)行實際頂流靠泊作業(yè)過程時，倘若船型為中小型，那么在船舶通過自力進(jìn)行頂流靠泊作業(yè)時，外側(cè)舷受力的情況比較普遍，如果是大中型船只，那么在拖船的協(xié)助頂流靠泊作業(yè)過程中內(nèi)側(cè)受力的情況會更多。

（2）船只因為存在承受海流沖擊力的位置不同，而會產(chǎn)生不同的轉(zhuǎn)船力矩，在受力分析過程中，要確保受力是產(chǎn)生向內(nèi)轉(zhuǎn)向還是向外轉(zhuǎn)向。海水與船體的相對運動速度為VW，VW與船只運動速度VS的數(shù)值是相同的，但是方向相反，這點要著重注意。

（3）根據(jù)圖3、圖4可以了解到，大中型船舶在頂流靠泊作業(yè)過程中，船頭一定會存在受力而發(fā)生向內(nèi)或向外轉(zhuǎn)向的情況，在這種情況下，即使大中型船與中小型船的承受海流沖擊點位相同，也會存在船體受力情況與轉(zhuǎn)向速度不同的狀態(tài)，該種情況大多數(shù)時間發(fā)生在船舶靠泊作業(yè)過程中轉(zhuǎn)向到某個特定靠泊角度。

4 結(jié)語

業(yè)內(nèi)分析船舶靠泊作業(yè)過程中的水動力因素時，會認(rèn)為對船頭轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制，目的是為了確定靠泊角與船體橫移距離之間的聯(lián)系，從而可以通過利用水動力的轉(zhuǎn)向改變角對其船頭轉(zhuǎn)向情況做出合理分析。在港口碼頭中，靠離泊是非常重要的船舶作業(yè)，也是船舶引航員必備的能力之一，更是企業(yè)建造船只時考慮的重要因素。頂流靠泊作為船舶靠離過程中最容易受水動力因素影響的作業(yè)之一，所以一定要嚴(yán)格控制角度，才能夠保證靠泊安全。