风、流条件对船舶航行影响数值仿真研究

徐锦波

摘 要：确保船舶进出港航行安全，船舶驾引人员应在进出港航行期间充分考虑船舶自身因素以及进出港航行环境因素对船舶航行安全的重要性，本文重点分析船舶进出港航行期间受风、流作用下影响程度，通过数值仿真计算得出风、流影响程度提供给船舶驾引人员，对大型船舶进出港安全航行起到借鉴作用。

关键词：风;流;船舶航行;数值仿真

中图分类号：U675.5+1          文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2021）05-0122-03

1引言

据大众网报道：东营海事处值班员在值班中发现，一艘名为A轮的油轮航行至东营港南港池航道3号航标附近时突然偏离航道。此时海上风力6-7级，涌浪较大。而南港池航道外侧浅点较多，偏离航道船舶发生搁浅的几率极高，一旦搁浅，受风浪影响船舶极易翻沉，后果不堪设想。发现A轮偏离航道后，海事值班员立即通过甚高频系统呼叫该船，提醒其已偏离正常航道，要求船舶立即采取紧急措施，调整航向，尽快返回航道。同时，值班员又调派海事执法船“海巡0562”轮和一艘大马力拖轮做好应急准备，防止突发事件发生。15时15分，在东营海事处的密切关注下，A轮安全返回航道，15时40分，该轮顺利靠泊东营港南港池1号泊位。

据了解，A轮船长85米，载重吨2600吨，船籍港为舟山，本航次是该船首次到东营港作业。由于对港区通航环境不够熟悉，船舶自锚地斜插进入航道后未及时转向，同时船舶主要受风、流的影响最终导致偏离航道。

在海上，空气的运动产生风，海水的运动产生海流、潮汐和波浪等。水面船舶在海上航行时，其运动状态无时不受到这些气象、水文要素的影响。此外，在港湾水域，船舶运动状态还受到水域环境的影响，如宽度受限的航道，水深受限制的浅水等。因此，船舶操纵的安全性不但涉及船舶操纵性能，而且还要考虑各种航行环境的影响。船舶驾引人员应对这些影响进行全面正确的预估，调整航行方法，以利于船舶安全航行。本文主要对风、流的作用对船舶航行影响进行数值仿真研究，给船舶驾引人员提供一个直观有效的数据，具有一定的借鉴意义。

2风对船舶航行的影响

风是影响通航安全的一个重要因素，船舶在航经桥区及其附近水域时，风对其产生的影响主要包括：

2.1风致偏转

2.1.1前进中受风

对于航行中的船舶受正横前来风的作用时，其受风偏转主要由风速、风向、船速以及装载状况来共同决定。在空载（或压载）航行中受正横后来风的作用时，船首呈现出极强的迎风偏转性。此外，在航行中受风，且速度较高时，不论是前进还是后退，其运动的前端在风的作用下将转向迎风的方向，这种性质称为偏转的迎风性。迎风性偏转是风致漂移的结果，因此，必须以具备一定风速和一定的运动速度为条件。

2.1.2倒退中受风

对于后退中船舶，风从正横前吹来，风动力作用点在水动力作用点之前。在风、水动力转船力矩作用下，船尾迎风偏转;风从正横后吹来，风、水动力作用点均在重心点之后，而作用方向相反。

在实际操作中，由于后退中船尾部的线型特点，以及螺旋桨反转时的高压作用于船尾，使水动力作用点后移较多，即使风从正横后吹来，水动力作用点一般也在风动力作用点之后而产生使船尾迎风转的转船力矩。此外，在风动力作用下，向下风漂移时，船尾受斜流影响，产生螺旋桨斜流效应横向力，而该力的转船力矩方向恰与风、水动力转船力矩方向相同，使船尾迎风偏转。因此，出现“尾找风”的现象。

2.2风致漂移

船舶在航行中受风时，将向下风侧产生漂移，若以保向为前提，其航迹与航向并不一致，斜航中的漂角即风压差的大小取决于航行中的漂移速度与其纵向运动速度。

航行中船舶受风作用而产生的风致漂移量可按下式计算：

式中：——系数，一般取0.038～0.041;

——船体水线上侧受风面积（m2）;

——船體水线下侧面积（m2），，其中L为船长，d为满载吃水;

——航行中的风致漂移速度（m/s）;

——相对风速（m/s）;

——漂移时间（s）。

控制船型船舶在工程水域1～8级风和不同装载条件下，船舶在满载/空载情况下以不同航速航行时的风致漂移速度分别如图1和图2所示。如图所示，取风中平均船速6～9kn条件下，满载时10000DWT船舶在8级风速下风致漂移速度可达0.28m/s;在空载时，由于受风面积增大，可达0.5m/s.船速越大时，漂移速度相对越慢;船速越小时，漂移速度则越快。

控制船型船舶在水域1～8级风和不同装载条件下，船舶在满载/空载情况下以不同航速航行1倍船长时的风致漂移距离分别如图3和图4所示。取风中平均船速6～9kn条件下，航行1倍船长，满载时10000DWT船舶在8级风速下风致漂移量可达10m以上;在空载时，由于受风面积增大，风致漂移量可达22m左右。

3水流条件对船舶航行的影响

船舶在航行过程中，受流的影响会产生流致漂移。流致漂移量可按下式计算：

式中：——流速（m/s），流速一般取0.2-2.0m/s;

——流压角（°），流压角一般取0～90°;

——漂移时间（s）。

其中：，S为船舶在航道中直线航行的长度，取船长的倍数，为航速，船舶航速6～12kn。

计算得到1倍船长漂移距离下船舶的漂移量参见图5～图8。计算结果表明，水域控制船型在平均船速6～12kn条件下，航行1倍船长距离时，10000DWT船舶在最大流速（2.0m/s）作用下的流致漂移量最大（横流）可达50～95m左右;在平均流速0.3～0.5m/s条件下，流致漂移量最大（横流）可达5～l5m左右。

参考文献：

[1] 孙凌丽.船舶运动的风浪影响建模与仿真研究[D].哈尔滨工程大学，2010.

[2] 李俭.超大型集装箱船舶受风作用下的操纵性研究[D].大连海事大学，2011.

[3] 王欢欢.随机风浪作用下游艇横摇稳性可靠度计算[D].集美大学，2017.