Плавание судна в узкостях и на мелководье

Вид материалаДокументы

Содержание


1.3. Влияние мелководья и узкостей на управляемость и инерционно-тормозные характеристики судов
L — длина судна, м. Расчеты показывают, что, например, для d
Sв значимо только на предельном мелководье и больших скоростях. Практически во всем диапазоне S
1.4. Просадка судов при плавании на мелководье, в каналах и реках
Н0 –– глубина в канале, не возмущенном проходом судна, м; Н
Определение запаса воды под корпусом судна при плавании в каналах и на мелководье.
НН — навигационная глубина, м; Н
Таблица 1.4 Поправка осадки судна на соленость воды
Угол крена от ветра (судно в грузу), град
Таблица 1.6 Динамический угол крена (судно в грузу), град
Таблица 1.7 Минимальный навигационный запас z1, м
Продолжение таблицы 1.7
Подобный материал:
1   2   3   4

^ 1.3. Влияние мелководья и узкостей на управляемость и инерционно-тормозные характеристики судов

Практикой установлено, что на мелководье по сравнению с глубо­кой водой резко ухудшается устойчивость судна на курсе, повышается рыскливость; заметно ухудшается и поворотливость судов, кроме того, на мелководье резко уменьшаются углы дрейфа, угловая скорость поворота и соответственно увеличивается радиус установившейся циркуляции при одинаковых углах перекладки руля. Исследования показали, что ухудшение поворотливости на мелко­водье носит закономерный характер. Для определения
радиуса уста­новившейся циркуляции на мелководье Rм может быть использована следующая зависимость:

, (1.8)

где R — радиус установившейся циркуляции на глубокой воде, м.

Увеличение радиуса циркуляции, рассчитанное по формуле (7.8), приведено на рис. 1.1.

Отношение угловой скорости поворота на мелководье м к угло­вой скорости на глубокой воде  оказалось весьма стабильным для судов различных типов (рис. 1.2).

Для определения среднеквадратической погрешности так­тического диаметра циркуляции Dт и выдвига l1 В. И. Нестеренко провел широ­ко­масш­таб­ный натурный эксперимент на среднетоннажном судне, выполненный на глубокой воде и на мелководье. Среднеквадратическая погрешность составила 5 %, что свидетельствует о применимости формулы для морских судов. Можно рекомендовать судоводителям морских судов применять кривые (см. рис. 1.2) для корректировки циркуляции на глубокой воде в условиях мелководья.







Рис. 1.1. Увеличение радиуса
циркуляции на мелководье Rм
по сравнению с радиусом
циркуляции на глубокой
воде R

Рис. 1.2. Влияние мелководья
на величину относительной
скорости поворота судна

Для расчета выдвига l1 на мелководье можно применить зави­симость

, (1.9)

где ^ L — длина судна, м.

Расчеты показывают, что, например, для d/Н = 0,9 увеличение выдвига на мелководье по отношению к выдвигу на глубокой воде составляет 62 %, а при d/Н = 0,5 — около 17 %.

Как видно из приведенного анализа, количественное изменение параметров циркуляции на мелководье по сравнению с глубокой во­дой может быть существенным, и судоводитель обязан не только учи­тывать это при плавании в стесненных условиях, но и проверить эти параметры для своего судна.

Эта информация необхо­дима и для разбора аварий, связанных со столкновением судов и посадкой на мель.

Уменьшение угла дрейфа на мелководье является благоприятным обстоятельством, поскольку оно позволяет увеличивать размеры судов для беспрепятственного прохождения лимитирующих поворотов. Снижение падения скорости на циркуляции в условиях мелководья объяс­няется резким уменьшением углов дрейфа.

При движении судна на мелководье основное влияние на его инер­ционно-тормозные характеристики оказывают три фактора: увеличе­ние сопротивления воды, увеличение присоединенных масс и моментов инерции, изменение коэффициента влияния корпуса на движитель.

Увеличение сопротивления воды приводит не только к уменьше­нию инерционности судна, но и к снижению его начальной (устано­вившейся) скорости при одинаковой частоте вращения винта.

Увеличение присоединенных масс и моментов инерции на мелко­водье увеличивает пропорционально инерционность судна и частично компенсирует влияние увеличения сопротивления воды. Кроме того, увеличение присоединенного момента оказывает стабилизирующее влияние на траекторию судна при свободном и активном тормо­жении.

При движении на мелководье коэффициент упора винта по срав­нению с глубокой водой увеличивается. Кроме того, на мелководье возникает необходимость снижения частоты вращения винта вследствие перегрузки двигателя.

Оценка влияния мелководья на инерционно-тормозные характе­ристики судна существенно зависит от того, при каких начальных ус­ловиях производить сравнение. Если сравнивать тормозные пути при одинаковых режимах движения, то тормозные пути на мелководье будут меньше аналогичных на глубокой воде на 20–30 %. Однако соотношение существенно изменится, если сравнивать тормозные пути при одинаковых начальных скоростях. Эксперименты, проведенные на средне­тоннажном судне, показали, что сокращение тормозного пути на глубине 8 м при маневре с полного маневренного хода на полный задний состав­ляет 33 %, однако это происходит в основном из-за снижения скорости на мелководье при том же режиме движения с 12,9 до 11,1 уз. Ре­альное сокращение тормозного пути со скорости 11,1 уз составило 4,4 %, т. е. логично, что более правильно сопоставлять для практи­ческих целей инерционно-тормозные свойства при одинаковых началь­ных скоростях на глубокой воде и мелководье.





Рис. 1.3. Относительное
изменение выбега судна S(V)
на мелководье
Результаты моделирования, подтвержденные натурными наблю­дениями, показывают, что выбег судна Sв при свободном торможении на мелководье всегда меньше, чем на глубокой воде. На рис. 1.3 при­ведены значения среднеквадратической погрешности Sв(V) = (Sв Sвм)/ Sв в зависимости от соотношения глубины и осадки H/d и числа Фруда по глубине FrH = V/. Как видно из рис. 1.3, ^ Sв значимо только на предельном мелководье и больших скоростях. Практически во всем диапазоне Sв  10 %, т. е. сопоставимо с точностью определения инерционно-тормозных характеристик согласно НШС.

При активном торможении на мелководье возможно как относи­тельное сокращение тормозного пути, так и его увеличение по сравнению с той же начальной скоростью на глубокой воде. На рис. 1.4 приве­дены Sт, при активном торможении на предельном мелководье Н/Т = 1,25 в зависимости от FrH и соотношения между упором винта на задний ход и сопротивлением воды в начале торможения k = Рз.х. Rн. При больших начальных скоростях, когда FrH  0,5 и k < 1÷1,2, тормозные пути сокращаются на 2–10 %. При торможении с малых начальных скоростей (Frн  0,4) реверсом при полном или среднем зад­нем ходе (k > 3) тор­мозные пути на предельном мелководье на 2–6 % больше, чем на глубокой воде. Однако абсолютное значение этого увеличения пренебрежимо мало и ниже точ­ности экспериментального определения Sт.




Рис. 7.4. Относительное изменение
тормозного пути судна на мелководье
Учитывая результаты моделирования и экспериментальных про­верок, можно признать нецелесообразным создание специальной до­полнительной информации по учету влияния мелководья па инерцион­но-тормозные характеристики судна. При плавании на мелководье следует использовать имеющуюся на судне основную информацию, ин­терполируя значение выбега и тормозного пути между соседними гра­фиками на фактическую скорость судна на мелководье. Для удобства интерполяции можно модернизировать вид основной информации, име­ющейся на судне в соответствии с требованиями ИМО и НШС. Ука­занные требования не определяют горизонтальное расстояние между соседними графиками. В обычной практике эти расстояния делают равными. Если расстояния между линиями движения судов сделать не равными, как это принято, а пропорциональными lnVн при сво­бодном торможении и пропорциональными при активном тормо­жении и оцифровать горизонтальную шкалу в узлах, то имеется воз­можность практически использования линейной интерполяции S(V) для всех проме­жуточных значений начальных скоростей.


^ 1.4. Просадка судов при плавании на мелководье,
в каналах и реках


При движении судов происходит изменение их положения на пла­ву по отношению к свободной поверхности и дну водоема. Существен­ное изменение посадки (просадки судна) наблюдается в условиях мелководья, в каналах, реках и других ограниченных по глубине акваториях.

Аналитический метод расчета посадки судна на ходу в условиях глубокой воды был разработан Ю. Н. Поповым. Удовлетворительное соответствие результатов теоретического расчета, основанного на ис­пользовании линейной теории волн, с экспериментом получается в том случае, если изменение средней осадки и угла дифферента рассматри­вается как сумма двух составляющих, одна из которых вызывается действием гидродинамической вертикальной силы или соответственно дифферентующего момента, а другая — перераспределением погру­женного объема из-за волнообразования. В этом случае:

, (1.10)

где d — изменение средней осадки судна на ходу, м;

 — угол дифферента судна на ходу, град;

dд — изменение средней осадки судна от действия гидродинамической вертикальной силы, м;

д — изменения угла дифферента под действием гидродинамического дифферентующего момента, град;

dв, в — соответственно изменение средней осадки и угла дифферента из-за волнооб­разования.

Расчеты просадки судов на мелководье, если брать за основу вы­ражения (7.10), чрезвычайно трудоемки.

При сравнительно малых докритических скоростях движения судна на мелководье, каналах, реках снижается роль собственного волно­образования судна. Перераспределение погруженного объема судна на ходу может быть приближенно объяснено изменением уровня сво­бодной поверхности воды из-за наличия стесненности фарватера.

Приращение осадки судна при движении по мелководью в общем случае объясняется уменьшением гидростатического давления воды под днищем корпуса судна. Это уменьшение является следствием уве­личения скорости обтекания днища водой из-за стесненности потока, понижения уровня воды у бортов, а также условий волнообразования у движущегося судна. Работающие гребные винты также влияют на просадку судна.

Вопросом приращения осадки при движении судна в стесненных условиях занимались многие российские и зарубежные исследователи. В результате теоретических и экспериментальных исследований разра­ботано большое количество методов и эмпирических зависимостей для определения просадки судна в различных условиях плавания и конст­руктивных особенностей судов. Наиболее общее решение имеет так на­зываемый классический метод. Этот метод основывается на непосред­ственном применении закона Бернулли и закона неразрывности жид­кости. Модифицируя уравнение Бернулли и принимая во внимание, что величину давления р можно выразить высотой водяного столба над условным уровнем Н, уравнение Бернулли примет вид

, (1.11)

где Н — глубина, м;

U — скорость потока воды, омывающего судно, называемая скоростью встречного потока, м/с;

g — ускорение свободного падения, м/с2.

При сравнительно малых докритических скоростях движения сни­жается роль собственного волнообразования судна, и, как указывалось выше, перераспределение погруженного объема судна на ходу может быть приближенно объяс­нено изменением свободной поверхности воды из-за наличия стеснен­ности фарватера.

Рассмотрим случай движения судна в канале. Движение его в соответствии с уравнением Бернулли приводит к увеличению скорости движения воды вдоль корпуса судна, а это приводит к понижению зеркальной поверхности воды (глубины Н).

Для этого случая можно написать

, (1.12)

где ^ Н0 –– глубина в канале, не возмущенном проходом судна, м;

Нх — глубина в канале в момент прохода судна, измеренная посредине длины судна, м;

V — скорость судна, м/с.

После преобразования, обозначив получаем величину понижения зеркальной поверхности воды (просадку судна):

. (1.13)

^ Определение запаса воды под корпусом судна при плавании в каналах и на мелководье. Величина клиренса K (глубина под килем) должна быть не менее суммы навигационных запасов:



или

, (1.14)

где ^ НН — навигационная глубина, м;

НН — поправка глубины на отклонение уровня воды (положительна, когда уровень выше ординара), м;

d — осадка (наибольшая) судна в воде стандартной плотности ( = 1025 кг/м3), м;

d — поправка осадки судна на соленость воды (табл. 1.4), м;

а — поправка на обледенение судна, м (учитывается в каждом конкретном случае);

z0 — запас на крен судна, м;

z1 — минимальный навигационный запас, м;

z2 — волновой запас, м;

z3 — скоростной запас, м.

, (1.15)

где В — ширина судна, м;

 — угол крена от ветра (табл. 7.5), град;

д — динамический угол крена (табл. 7.6), град.

^ Таблица 1.4

Поправка осадки судна на соленость воды

Плотность воды, кг/м3

Соленость, ‰

d, м

Плотность воды, кг/м3

Соленость, ‰

d, м

1025

32

0,000d

1010

13

0,012d

1020

26

0,004d

1005

7

0,016d

1015

20

0,008d

1000

0

0,020d


Таблица 1.5

^ Угол крена от ветра (судно в грузу), град

Тип судна

Скорость расчетного ветра, м/с

9

13

16

19

22

Универсальное, лихтеровоз,
газовоз, паром



1

1

1

2

Контейнеровоз

1

2

3

4

5

Пассажирское

1

3

4

6

8


^ Таблица 1.6

Динамический угол крена (судно в грузу), град

Тип судна

V, уз

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Универсальное, лесовоз,

контейнеровоз

1

1

2

2

3

4

5

6

7

Лихтеровоз, пассажирское,

паром, газовоз







1

1

1

1

2

2

Танкер, комбинированное













1

1

1


^ Таблица 1.7

Минимальный навигационный запас z1, м

Вид грунта в слое 0,5 м

На входе в порты
на входном и
внешнем рейдах

На всех прочих участках
внутренней
акватории

Ил

0,04d

0,03d

Наносный плотный (заиленный,

ракушка, гравий)

0,05d

0,04d

^ Продолжение таблицы 1.7

Вид грунта в слое 0,5 м

На входе в порты
на входном и
внешнем рейдах

На всех прочих участках
внутренней
акватории

Слежавшийся плотный (песок, глина, суспесь, суглинки, галька)

0,06d

0,05d

Скальный (валуны, оцементированные породы – песчаники,
известняк и др.)

0,07d

0,06d


При движении на прямом курсе (на прямолинейных участках канала) принимается д = 0.

Для определения волнового запаса z2 в зависимости от чисел Фруда (рис. 1.5) по графикам (рис. 1.6) находится отношение (h3% — высота волны с 3%-й обеспеченностью). На графиках нанесены кривые для курсовых углов волнения от 0° до 90°, а по оси абсцисс берется отношение .