淺析船舶走錨后的漂移速度
發(fā)布日期:2010/2/1 點擊次數(shù):5574
摘 要： 由于港口泊位數(shù)的不足，致使船舶拋錨等待的幾率增加，加上時間延長，氣象變化，致使走錨幾率增加。走錨事故后對船舶運動的掌握和控制就顯得越來越重要。文章在分析走錨原因及走錨后船舶運動情況的基礎(chǔ)上提出了一個近似求取走錨船漂移穩(wěn)定速度的數(shù)學模型，并據(jù)此模型進行了特定船型的計算，列出計算結(jié)果，以期能對實踐有所指導。
關(guān)鍵詞： 走錨 錨泊力 風壓力 水動壓力 模型構(gòu)建
前言
船舶在進行檢疫、等泊位、候潮、錨地過駁或避風時，都要在港內(nèi)或港外的錨地拋錨。在特殊情況下，船舶也可能根據(jù)需要在一個較為生疏的水域錨泊。隨著國際貿(mào)易的發(fā)展，來往于各大洲之間的船舶開始向自動化，大型化發(fā)展，船舶數(shù)量不斷增加，這不但使世界港口的交通流密度增大，也增加了各港口錨地的負擔，使單位面積中的錨泊船增多，其中不乏危險品船、大噸位的油船和化學品船，而船舶在錨泊后由于受到風浪流等外力的作用，可能發(fā)生走錨、碰撞和擱淺事故。這其中最常見且后果最嚴重的當數(shù)走錨事故了。發(fā)生走錨后如果不能及時采取正確有效的控制措施，失控的走錨船將危及他船或水工建筑的安全，如果發(fā)生觸碰后果往往不堪設想。本文在錨泊船受力分析的基礎(chǔ)上，利用物理原理中的力矩平衡的原理對走錨后船舶的運動的穩(wěn)定速度及達到這一穩(wěn)定速度的時間進行了數(shù)學模型的構(gòu)建及探討，并對特定船型進行了計算，對走錨船在特定時間內(nèi)的運動范圍進行了界定。
1 錨泊船的受力分析
船舶在有風流情況下錨泊時，同時受到錨泊力，風壓力，流壓力及波浪的沖擊壓力等影響，下面分別進行描述。
1.1 錨泊力
錨泊力有兩部分組成，即錨的抓力和錨鏈的摩擦力，因此錨在海底的系留力決定于錨的重量、形狀以及錨鏈長度、重量、底質(zhì)，其大小可由下式求得：
Pr=Wa×λa+Wa×λa×L
式中：Pr—錨泊力；Wa—錨重；λa—錨抓力系數(shù)；Wc—鏈重；λc—鏈摩擦系數(shù)；L—錨鏈臥底部分長度。
錨泊力作用點在拋錨一舷船首錨鏈筒處，在錨泊船受風或流作用時該力沿錨鏈懸重線的切線指向上風或來流方向。
1.2 風動壓力
錨泊船所受風動壓力是指船體水線以上部分所受的空氣壓力。風動壓力是引起船舶偏蕩和走錨的首要因素。
風壓力的大小與風速風舷角受風面積和形狀有關(guān)，其值用下式計算：
Fa=1/2[ρa×Ca×Va2×(Aa×Cos2θ×+Ba×Sina2θ)]
式中：ρa—空氣密度(1.226kg/m3)；Ca—風動
壓力系數(shù)；Va—相對風速；θ—風舷角；Aa—水線上船體正面投影面積；Ba—水線上船體側(cè)面投影面積；Fa—風動壓力。
風動壓力作用中心位置A點至船首的距離a，受風舷角θ，船舶上層建筑形狀以及面積分布情況所影響，a的值可用巖井經(jīng)驗公式估算：
a/Lpp=0.291+0.0023θ
其作用方向，由模型試驗估算結(jié)果表明，除船首尾方向之外的來風，風動壓力作用方向均接近于船體正橫方向，風動壓力角還可用巖井經(jīng)驗公式計算：
a=〔1-0.15×(θ/90)-0.80×(1–θ/90)3〕×90
1.3 水動壓力
水動壓力的大小，流壓角，水動壓力作用中心均與漂角(相對流向)大小有關(guān)。因為流對水線下體作用力在正橫方向分力大，且對操船影響明顯，而在首尾方向分力較小，只取流壓力橫向分力，其大小可用下式估算：
YW=1/2ρW×Cwy×VW2×L×d
式中：ρW—水的密度(海水取1025kg/m3，淡水取1000kg/m3)；
Cwy—流壓力橫向分力系數(shù)；
VW—相對流速即船水間相對運動速度；
L—船長；
d—船舶吃水；
Yw—橫向流壓力。
流壓力與船舶首尾線的夾角稱為流壓角γ。流壓角在相對流角為20°～160°范圍內(nèi)一般為90°左右。
流壓力的作用點N的位置受相對流壓角β(即漂角)船體水線下側(cè)面積形狀及分布情況有所影響。當漂角為20°～160°范圍內(nèi)，aw/L大約在0.25～0.75之間。(為流壓力中心至船首的距離)且aw隨漂角的增大而增大。
2 走錨原因分析
走錨是指錨抓力不夠，當船身受到外力的總和大于錨和鏈的錨泊力，即使船舶發(fā)生位移，稱為走錨。可見，可能引起走錨的原因很多，底質(zhì)不佳，錨的重量不夠，錨鏈過短或絞纏，風浪增大以及偏蕩等。本文所討論的主要是由于錨的穩(wěn)定性不佳，因而使錨在外力的影響下而拖動，發(fā)生以錨干為軸的橫向自轉(zhuǎn)，進而使錨爪出土，錨抓力消失，而使錨泊力大為減小所造成的走錨。
對于霍爾錨在正常狀態(tài)下的抓力系數(shù)為4～5而在走錨時此值為0.75～1.5，同時臥底鏈的抓力系數(shù)在泥質(zhì)底質(zhì)上也由1.0下降為0.5�？梢娮咤^時錨泊力有了大幅的減小，但若底質(zhì)狀況和鏈長不變，該力可近似的視為一個常力。
3 走錨后船舶的運動
走錨后船舶的運動取決于風流的大小和方向，當然與錨拖力的大小及方向亦有密切的關(guān)系，但在錨地底質(zhì)和錨型及出鏈長度已確定的情況下，錨的牽引力可作為一個定值來處理，因此，船舶所受的風動壓力和流動壓力是造成走錨后船舶運動形態(tài)變化的主要因素。
假定船舶在偏蕩到φ=θ(φ為風鏈角，θ為風舷角)后某一時刻走錨，那么在錨泊力、風動壓力、水動壓力三個力的作用下，船舶會經(jīng)歷一個先加速向下風方向漂移，同時由于“尾找風”現(xiàn)象使船體發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這樣運動一段時間后，當相對流速增加到一定程度后，流壓力產(chǎn)生的流壓力轉(zhuǎn)船力矩，風壓力產(chǎn)生的風動力轉(zhuǎn)船力矩及錨的牽引力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)船力矩的合力矩趨近于零，這時船舶繼續(xù)偏轉(zhuǎn)的趨勢被抑制，船舶便以這個狀態(tài)開始近于勻速的向下風方向漂移。這里的分析是為以下模型的建立提供了指導。
4 模型構(gòu)建
4.1 條件限定
這里首先提供一個定常風向和近于靜水流速的錨地環(huán)境且該錨地底質(zhì)均勻，水深恒定，且水深與吃水比大于7，同時亦不考慮波浪對船舶走錨后運動的影響。在以上特定的環(huán)境下，某船在錨泊中偏蕩到φ=θ稍后時刻走錨，開始如前述的一系列運動。
4.2 參數(shù)確定
MW為水動力轉(zhuǎn)船力矩，Ma為風動力轉(zhuǎn)船力矩，Mr為錨泊力轉(zhuǎn)船力矩，lr為錨泊力的力臂，Cmw為水動力轉(zhuǎn)船系數(shù)，Cma為風動力轉(zhuǎn)船系數(shù)。
4.3 模型建立
按照以上分析，由力矩平衡理論可以建立一個走錨后船舶做近于勻速運動時的運動方程，如下：
由以上方程組可解出對水漂移的穩(wěn)定速度：
在此我們還可以得到從船舶走錨到達到穩(wěn)定速度的大致時間和距離。
經(jīng)對10萬噸級油輪用上述方程進行計算，其最終的漂移速度在0.2kn以上，可見其一旦走錨將帶來極大的危害。
5 模型分析
在此，我們可以講船舶走錨后分為兩個運動階段，即風力因素占主導地位的變加速運動階段，和各種因素的作用基本平衡的近似勻速運動階段(其中沒有考慮錨鏈的拉緊和松弛造成的速度變化)。
我們可以將第一階段視為船舶運動的不穩(wěn)定階段，第二階段作為走錨運動的穩(wěn)定階段�？梢姡绻白咤^后，能夠在不穩(wěn)定階段恢復對船舶的控制是十分重要同時也是十分困難的，而當船舶進入走錨后的穩(wěn)定階段，人們就可以通過較容易的控制措施對船舶進行重新控制，且這時船舶的漂移方向也基本得到確定。
由上所述，可以將船舶由開始走錨至到達穩(wěn)定速度的這一段距離，定為錨泊船之間的緩沖距離。這樣就可以針對不同船型和天氣及水流狀況確定出更科學合理的錨地規(guī)劃，也可以節(jié)約錨地水域資源。
6 結(jié)束語
由于船舶走錨后的運動受到多種因素的影響。不僅有風流等自然變化的外力，還與船型、船況、船員配備及熟練程度有很大關(guān)系，因此要精確描述有相當?shù)睦щy，本文通過對船舶走錨后的運動方程進行分析，得出了走錨船舶的穩(wěn)定漂移速度，對實踐有一定的指導意義
作者：劉廣寶 來源：天津航海
