ОСОБЕННОСТИ УПРАВЛЕНИЯ СУДНОМ ПРИ ПЛАВАНИИ НА МЕЛКОВОДЬЕ И УЗКОСТЯХ Физическая сущность явлений, сопровождающих движение судна на мелководье.

​ОСОБЕННОСТИ УПРАВЛЕНИЯ СУДНОМ ПРИ ПЛАВАНИИ НА МЕЛКОВОДЬЕ И УЗКОСТЯХ

Maritime blog

​ОСОБЕННОСТИ УПРАВЛЕНИЯ СУДНОМ ПРИ ПЛАВАНИИ НА МЕЛКОВОДЬЕ И УЗКОСТЯХ

ОСОБЕННОСТИ УПРАВЛЕНИЯ СУДНОМ ПРИ ПЛАВАНИИ НА МЕЛКОВОДЬЕ И УЗКОСТЯХ

Физическая сущность явлений, сопровождающих движение судна на мелководье.


Известно, что полное сопротивление движению судна складывается из трех составляющих: сопротивления трения, формы и волнового сопротивления. Сопротивление трения зависит от смоченной поверхности корпуса и его шероховатости. Сопротивление формы зависит от обводов корпуса. Волновое сопротивление связано по своей природе с образованием судовых волн, возникающих при взаимодействии корпуса с окружающей его водой.


Судовые волны состоят из двух систем волн: у форштевня развивается носовая, а у ахтерштевня - кормовая системы волн. Каждая из них состоит из расходящихся и поперечных волн.


Расходящиеся волны имеют короткий фронт и располагаются уступом. Кормовые расходящиеся волны меньше носовых и на глубокой воде едва заметны. Поперечные волны располагаются фронтом поперек судна и не выходят за пределы расходящихся волн. Их высота убывает от носа к корме. Носовая волна начинается гребнем, расположенным сразу за форштевнем. Первая кормовая волна всегда начинается впадиной, захватывающей кормовую оконечность. Поэтому в носовой части судна давление будет больше, чем в кормовой. За счет разницы этих давлений и образуется волновое сопротивление. С выходом судна на мелководье и уменьшением запаса воды под килем изменяется система образования судовых волн, что сказывается на кодовых качествах судов, их осадке и управляемости. При этом быстро начинает возрастать волновое сопротивление. Объясняется это следующим. Из теории волн известно, что когда отношение глубины (Н) к длине волны (λ) мало, то скорость распространения волн с небольшой амплитудой имеет предел Vкр - критическая скорость. Судовые волны как раз и относятся к этой категории волн; скорость их распространения не может превышать критической:

Закономерность изменения волнового сопротивления от глубины принято ставить в зависимость от двух безразмерных величин:


• относительной скорости (число Фруда):

• относительной глубины: Н / Т (глубина/осадка).

Из графика видно, что при малых значениях относительной скорости характер роста волнового сопротивления на глубокой воде и на мелководье примерно одинаков. При достижении судном относительной скорости Fr = 0.6 и дальнейшем ее увеличении характер волнообразования начинает изменяться. Эти изменения начинают сказываться при глубинах:


По мере увеличения скорости судна угол растворения расходящихся волн начинает увеличиваться, а поперечные волны растут по высоте и длине. При достижении критической скорости поперечные волны сливаются с расходящимися и под углом 90 градусов к ДП образуется одиночная волна. Судно как бы толкает массы воды по ходу своего следования, сопротивление воды движению резко возрастает, скорость уменьшается (на 20-30% ). Этот процесс протекает тем интенсивнее, чем меньше относительная глубина, что объясняется увеличением сопротивления трения из-за уменьшения расстояния между корпусом судна и грунтом. Профиль одиночной волны приведен на рисунке.

Оценка необходимого запаса воды под килем.

Образование одиночной поперечной волны понижает уровень поверхности воды у бортов судна, что вызывает опускание корпуса относительно зеркала спокойной воды и увеличение дифферента на корму. В практике это явление называется просадкой. При движении судна околокритическими скоростями просадка может достигать 5-7% от средней осадки судна, что необходимо учитывать при проходе мелководных участков. На малых глубинах величина просадки еще более увеличивается из-за присасывания корпуса судна к грунту. Это вызвано тем, что уменьшается площадь сечения потока воды между днищем и грунтом. В соответствии с уравнением непрерывности жидкости (скорость течения жидкости обратно пропорциональна площади его сечения:

где U - скорости потока, W - площади его сечения) это приводит к увеличению скорости потока воды между днищем и грунтом.

Увеличение скорости потока в свою очередь приводит в соответствии с уравнением Бернулли (при увеличении скорости движения жидкости на каком - либо участке потока гидродинамическое давление на этом участке уменьшается и наоборот:


где Р - гидродинамическое давление, γ- плотность воды, w- скорость потока, g- ускорение свободного падения ) к уменьшению гидродинамического давления, что приводит к появлению вертикальной силы, которая как бы прижимает корпус судна к грунту. Приближенно величину просадки можно определить из приложения 3 РШС-89. Более точно просадку средней части корпуса судна можно определить по следующей формуле

где к - коэффициент, зависящий от отношения длины судна (L) к его ширине (В)

С точки зрения безопасности необходимо знать проседание кормы, которое можно определить по следующей формуле:


где α - коэффициент, также зависящий от отношения длины судна к ширине:

Кроме явления просадки при плавании судна на мелководье необходимо учитывать увеличение осадки, возникающее при волнении:


где h – высота волны;


Крене:

где Θ - максимальный угол крена.

Кроме указанного выше, судно должно иметь некоторый запас воды под килем (Z), который для судна среднего тоннажа составляет от 0,6 до 1 метра в зависимости от характера грунта. Таким образом, минимальная глубина, необходимая для безопасного плавания судна на мелководье (Н без) определяется:

Нбез = Тк +ΔТк+ ΔТв+ ΔТкр+ Z ,

где Тк - осадка кормой.

Изменения инерционно-маневренных характеристик судна.

Вызванная идущим на мелководье судном одиночная волна изменяет гидродинамическое поле давлений окружающей судна воды. В носовой и кормовой оконечностях судна гидродинамическое давление будет выше среднего уровня, определяемого зеркалом спокойной воды, причем давление больше в носовой части, чем в кормовой. В районе бортов давление ниже среднего уровня. Поле гидродинамических давлений вокруг судна приведено на рисунке.


При ровном и плоском дне поле давлений симметрично относительно ДП и существенного влияния на управляемость не оказывает. Неровности дна искажают поле давлений, в результате чего судно становится рыскливым, нос стремится отклониться в сторону больших глубин или оттолкнуться от возвышенностей дна. В некоторых случаях отклонения бывают настолько стремительными, что удержать судно на курсе только перекладкой руля не удается. На мелководье ухудшается поворотливость. Объясняется это увеличением момента инерции судна относительно вертикальной оси за счет возрастания присоединенных масс воды. Увеличивается радиус циркуляции, а угол дрейфа уменьшается. Это тем заметнее, чем больше угол отворота. В отличие от поворотливости, возрастание присоединенных масс воды и, следовательно, увеличение инерционности судна компенсируется увеличением сопротивления движению и поэтому мало влияет на

тормозные пути судов. При одинаковой начальной скорости тормозной путь на мелководье и на глубокой воде отличаются незначительно.

Гидродинамическое взаимодействие расходящихся судов.

Приведенные выше явления, сопровождающие движение судна на мелководье необходимо учитывать во время расхождения судов вблизи друг друга. Когда начинается процесс образования одиночной волны, резко возрастает опасность столкновения из-за взаимодействия гидродинамических полей сближающихся судов. При сближении судов на контркурсах под влиянием областей повышенного давления носовые оконечности судов будут отталкиваться.

Когда форштевни разойдутся, массы воды устремляются в области пониженного давления увлекая за собой носовые оконечности. Это наиболее опасный момент расхождения и для предотвращения столкновений суда должны быть одержаны. Когда суда выходят на траверз друг друга они начинают притягиваться. Это объясняется следующим. Поскольку суда обладают определенными размерами, площадь сечения потока воды между внутренними бортами становится меньше чем со стороны внешних бортов. Это в соответствии с уравнением неразрывности жидкости приводит к увеличению скорости течения воды между внутренними бортами по сравнению с внешними. Увеличение скорости потока приводит в соответствии с уравнением Бернулли к уменьшению гидродинамического давления и возникновению силы притяжения. Далее все повторится в обратном порядке: кормовые оконечности устремятся в области пониженного давления, а после расхождения оттолкнутся.

Такие же явления отталкивания и притягивания будут наблюдаться и при обгоне. Однако из-за более длительного взаимодействия гидродинамических полей опасность столкновения при обгоне выше. Для уменьшения явлений отталкивания и притягивания при расхождении скорость судов не должна превышать 0.5-0.6 от значений критической скорости, а расстояние между судами должно быть не менее тройной, а при обгоне не менее шестикратной ширины меньшего по размерам судна.

Движение судна в мелководном канале.

Движение судна в мелководном канале сопровождается теми же явлениями, что и на мелководье, но выраженными в более резкой форме. Из-за дополнительного стеснения фарватера интенсивность волнообразования, проседание и сопротивление движению нарастают быстрее, чем на неограниченном мелководном участке моря. Особенности движения судна в канале различаются в зависимости от скорости движения. При движении судна докритической скоростью, в сечении канала, стесненном корпусом, скорость течения жидкости между бортом судна и стенкой канала увеличивается и уровень ее поверхности понижается. При смещении с оси канала, обтекание корпуса становится несимметричным,

скорость потока воды между бортом и ближайшей стенкой увеличивается и возникает поперечная сила, которая притягивает судно к ближайшей стенке.


Явление притягивания особенно заметно при отходе судна от стенки канала. В начале движения, винт, работающий вперед, интенсивно засасывает воду со стороны носовой части судна. Поскольку приток воды со стороны ближайшего к стенке борта затруднен, уровень воды между бортом и ближайшей стенкой понижается и возникает сила, притягивающая судно к стенке канала.


Более сложными являются взаимодействие корпуса и стенок канала при движении судна околокритичекими скоростями.

С началом образования одиночной волны изменяется профиль поверхности воды, обтекающей корпус. При смещении с оси канала со стороны ближайшей стенки в носовой части судна уровень поверхности воды повышается и возникает избыгочное давление, отталкивающее скулу от ближайшей стенки. Одновременно ускоряется поток воды между бортом и ближайшей стенкой, достигая максимальной скорости в корме судна за счет винтовой струи, что приводит к понижению уровня воды и корма судна стремится притянуться к ближайшей стенке. Для компенсации возникающего момента и удержания судна на прямом курсе в этом случае необходимы несимметричные, смещенные в сторону ближайшей стенки канала перекладки руля. Во время прохода мимо расширений или ответвлений канала из-за нарушения симметричности обтекания корпуса носовая оконечность судна будет уклоняться в сторону расширений или ответвлений. При прохождении прямолинейных участков, поскольку профиль сечения канала редко бывает симметричным, нос судна будет уклоняться в сторону приглубого берега. Описанные выше явления существенно усиливаются при увеличении скорости судна, что приводит к его резким отклонениям от курса, которые иногда невозможно компенсировать только перекладкой руля. Первым признаком несоответствия скорости движения судна площади сечения канала является ярко выраженная крутая кормовая волна. Если не уменьшить скорость судна, то при неожиданном уменьшении площади сечения канала возрастет интенсивность процесса волнообразования, резко возрастет сопротивление движению и суднорезко потеряет скорость. Тогда кормовая волна нагонит судно и вызовет его отклонение в ту или иную сторону, т.е. судно потеряет управляемость.

Меры предосторожности при проходе мимо ошвартованных в канале судов.

При проходе мимо ошвартованных судов следует держаться оси канала. Уклоняться к противоположному берегу не следует, т.к. отталкивание носа от стенки канала может вызвать резкий поворот в сторону ошварованного судна. Скорость движения должна быть минимально возможной, а в некоторых случаях проходить мимо ошвартованных судов следует по инерции с остановленными машинами, чтобы уменьшить на них влияние судовых волн. При чрезмерной скорости судовые волны могут вызвать резкие продольные и поперечные перемещения ошвартованного судна, что может привести к обрыву швартовых и возникновению аварийной ситуации.

RSS
No comments yet. Be the first to add a comment!
Loading...

Subscriptions

All logbook
LOGBOOK from Aleksandr Makarov
LOGBOOK/Maritime industry
LOGBOOK/Maritime industry from Aleksandr Makarov