Управление судном в узостях и на мелководье

5.1. Влияние мелководья и стенок канала на поведение судна

Основные свойства жидкости.Корпус судна при движении испытывает со стороны обтекающей его воды воздействие гидродинамических сил, значение которых определяется характеристиками потока жидкости в каждой рассматриваемой точке - скоростью и направлением. Для оценки гидродинамических сил, воздействующих на корпус судна необходимо знать основные свойства жидкости.

В пределах тех давлений, которые возникают при обтекании корпуса, жидкость можно считать практически несжимаемой. Рассмотрим струю жидкости, протекающую через трубку тока с пере­менной площадью поперечных сечений, (рис.5.1,а): в сечении АА с пло­щадью w₁ скорость струи равна U₁, а в сечении ВВ площадью w₂ ско­рость равна U₂. Скорости частиц жидкости у боковой поверхности нап­равлены по касательной, т.е. жидкость не протекает через боковую по­верхность.

Поскольку жидкость несжимаема, то, очевидно, что объемы жидкости, протекающие через сечения АА и ВВ в любой момент времени равны, т.е.

или . (5.1)

Записанное выражение справедливо также для потока, состоящего из многих струй. Таким образом, отношение скоростей потока в двух произвольно выбранных сечениях обратно пропорционально площадям этих сечений.Выражение (5.1) называется урав-нением неразрывности.

Теперь рассмотрим аналогичную струю, текущую под постоянным на­пором, т.е. имеющую, установившееся движение. На элемент струи ААВВ действуют: сила тяжести и сила гидродинамического давления P₁, P₂ и силы давления соседних струй P_m, направленные перпендикулярно боко­вой поверхности рассматриваемой струи. Скорость жидкости в сечении АА равна U₁ , а в сечении ВВ –U₂.

Через некоторый промежуток времени t элемент струи ААВВ займет положение А'А'В'В'.

Рис.5.1. Распределение скоростей в воде

Как следует из уравнения неразрывности:

(5.2)

где V - объем жидкости, проходящий через сечение струи за проме­жуток времени t.

Кинетическая энергия жидкости в сечении АА будет , а в сечении ВВ - .

Приращение кинетической энергии будет:

(5.3)

Поскольку m=r×V=g×V/g (g - удельный вес; g – ускорение силы тяжести), получим:

. (5.4)

Приращение кинетической энергии равно работе всех сил, действующих на струю, т.е. DE = А, и работа А= А₁ + А₂ + А₃ , где: А₁ – работа сил тяжести, равная gV (Z₁ – Z₂); А₂ – работа гидродинамических давлений р₁ и р_2, равная V (р₁- р₂ ); А₃ – работа боковых гидродинамических давлений на струю потока р_m (А₃ =0, так как жидкость, по условию, не протекает через боковую поверхность).

Следовательно:

А= gV (Z₁ – Z₂) + V (р₁- р₂ ). (5.5)

С учетом формул (5.3.) и (5.4) получим:

= gV (Z₁ – Z₂) + V (р₁- р₂ ). (5.6)

После несложных преобразований, уравнение (5.6) примет вид:

(5.7)

Поскольку положение сечений трубки тока выбрано произвольно, то равенство (5.7) будет справедливо для любой пары сечений. С учетом этого окончательно можно записать:

Первый член уравнения дает высоту, на которую способна подняться жидкость, при гидростатическом давлении Р, и называется пьезометрической высотой. Второй член представляет собой высоту скоростного напора, а третий член – геометрическую высоту.

Полученное уравнение носит название уравнение Бернулли. Физический смысл этого уравнения для струи идеальной жидкости состоит в том, что оно выражает закон сохранения энергии текущей жидкости. Из него следует, что при постоянной высоте положения частиц жидкости (струя горизонтальна, Z = const) c уменьшением скорости давление в жидкости уменьшается. В приведенном формулой (5.8) виде, уравнение Бернулли выражает свойство «идеальной жидкости», которая не имеет вязкости. В реальной жидкости, за счет потерь на трение между частицами, сумма слагаемых в формуле (5.7) не остается постоянной. Она постепенно уменьшается в направлении течения по мере возрастания кинетической энергии на трение.

При обтекании движущегося судна поток воды в средней части его корпуса имеет большую скорость, чем на оконечностях. По этой причине в районе носа и кормы образуются зоны повышенного давления, а на миделе – пониженного. Благодаря такому распределению давлений образуются волны с гребнями у носовой и кормовой оконечностей и подошвой у миделя. Высота кормового гребня несколько меньше, чем носового. Это объясняется тем, что работающий винт, увеличивая скорость потока в районе кормы, вызывает уменьшение давления, по сравнению с носовой частью.

Если движение судна происходит на мелководье (в узости, канале), то характер волнообразования существенно изменяется, за счет близости дна моря и стенок канала или фарватера, что оказывает значительное влияние на управляемость судна. Кроме того, на мелководье

Существенно возрастает сопротивление воды, что приводит к потере скорости и наблюдается проседание судов – происходит увеличение осадки, возрастает присоединенная масса.

5.2. Потеря скорости на мелководье

При переходе судна с глубокой воды на мелководье сопротивление воды возрастает, а скорость снижается, при неизменной подаче топлива на двигатель. Это увеличение происходит за счет изменения системы волн, образующихся при движении корпуса.

Обычно, при движении на глубокой воде, образуется носовая и кормовая система расходящихся волн, имеющих угол раствора с ДП равный примерно 18⁰ - 20⁰ . На мелководье указанный угол раствора увеличивается, достигая в каналах значения около 90⁰. Влияние мелководья на скорость движения судна начинает сказываться при глубине, определяемой по формуле:

Н £ 4× Т_ср + (5.9)

где: Н – глубина моря; Т_ср – средняя осадка; V – скорость судна; g – ускорение силы тяжести.

Для сравнительной оценки влияния мелководья на судно вводят модифицированный коэффициент – число Фруда по глубине Fr_H , значение которого определяют по формуле:

(5.10)

При числах Фруда, меньших 0.3, влияние мелководья практически несущественно при любых значениях отношения глубины к осадке Н/Т. Сопротивление становится максимальным, когда число Фруда приближается к единице, когда формируется мощная одиночная поперечная носовая волна.

Скорость судна, при которой сопротивление воды максимально, называется критической скоростью на мелководье. Ее значение определяется по формуле:

(5.11)

При дальнейшем увеличении скорости, большей чем критическая, сопротивление несколько уменьшается. Потерю скорости на мелководье, при плавании в зоне докритических скоростей можно приближенно рассчитать по формуле:

. (5.12)

где DV% - потеря скорости, выраженная в процентах, к скорости на глубокой воде (DV%= ).

При расчетах по формуле (5.12) потеря скорости должна получаться со знаком “минус”. Если при расчетах получается знак “плюс”, то потерю скорости следует считать равной нулю. Обычно плавание транспортных судов на мелководье происходит, как правило, в зоне докритических скоростей.

5.3. Особенности поведения судов при плавании на мелководье и в каналах.

Мелководье существенно влияет на маневренные характеристики судна и его управляемость. При движении судна постоянным курсом на мелководье с ровным рельефом дна повышается его устойчивость на курсе. При выполнении поворотов угловая скорость меньше, чем на глубокой воде, а сила инерции судна возрастает, за счет увеличения присоединенной массы воды. По этой причине радиус поворота увеличивается.

Несмотря на то, что сопротивление воды увеличивается на мелководье, а также происходит падение скорости, но из-за возрастания силы инерции, тормозные пути судна почти не изменяются. Влияние мелководья проявляется значительно при числах Фруда по глубине более Fr_н > 0.5. Оно становится особенно заметным при соотношении осадки к глубине менее двух (Н/Т < 2).

При плавании на мелководье с неровным рельефом дна, из-за наличия зоны повышенного давления в районе носа, он отталкивается от возвышенных участков дна и уклоняется в сторону больших глубин, а корма наоборот стремится приблизиться к подводному препятствию. Подобное явление наблюдается также и в канале. При приближении судна к одной из бровок или стенок канала нос судна отталкивается от этой стенки в сторону середины канала, а корма стремится приблизиться к бровке. В таком случае после отталкивания носа, приходится перекладывать руль в сторону ближайшей бровки для того, чтобы отвести от нее корму и предотвратить разворот судна поперек канала. Если в канале имеется ответвление, то при приближении к нему, нос уваливается в его сторону. Для компенсации этого воздействия приходится своевременно перекладывать руль в сторону, противоположную ответвлению.

При расхождении в узости со встречными судами необходимо учитывать гидродинамическое взаимодействие между судами, в результате которого носовые части отталкиваются. Когда суда окажутся на траверзе друг друга, наблюдается взаимное присасывание, за счет зон пониженного давления в средней части.

При обгоне взаимодействие гидродинамических полей судов продолжается гораздо дольше. По этой причине траверзное расстояние между судами рекомендуется увеличивать, если позволяет навигационная обстановка, настолько, чтобы существенно уменьшить влияние судов друг на друга.

Особо следует отметить особенности управления судном в узости, при наличии течения. При действии течения на судно, его траектория относительно грунта существенно искажается. По этой причине необходимо заранее рассчитать точку начала поворота и курс до и после его завершения, с таким расчетом, чтобы путь судна не вышел за пределы судоходной части фарватера. При этом необходимо учитывать отклонения в направлении течения при следовании в излучинах рек и у мысов.

Кроме того особенности управления проявляются в зависимости от направления движения – по течению или против него. При плавании по течению судном управлять сложнее, из-за того, что приходится уменьшать обороты двигателя, для движения с докритической скоростью относительно грунта. За счет этого также падает эффективность руля, из-за малой скорости набрасываемой струи от винта.

При плавании против течения можно поддерживать сравнительно высокие обороты двигателя при сохранении небольшой скорости относительно грунта. Руль при этом обладает повышенной эффективностью. Однако следует иметь ввиду, что скорость судна относительно воды велика, поэтому отклонение ДП даже на небольшой угол от направления действия течения, наблюдается быстрое боковое перемещение судна, что может привести к посадке на мель у берега реки.