какие факторы влияют на величину просадки судна на мелководье
Просадка судна при плавании на мелководье
Для большинства судов, имеющих обычную конфигурацию корпуса (без носового бульба),характерно проседание с дифферентом на корму. Скоростное проседание с дифферентом на нос характерно для крупнотоннажных судов.
Результаты натурных испытаний показывают, что у судов с коэффициентом общей полноты Св > 0,8 проседание носовой оконечностью больше, чем кормовой. При движении судна околокритическими скоростями просадка может достигать 5 – 7% от средней осадки.
На малых глубинах величина просадки еще более увеличивается из-за присасывания корпуса судна к грунту.
Минимальная глубина, необходимая для безопасного плавания судна на мелководье (Нбез), определяется следующим выражением:
Нбез = dк + Δdк + Δdв + Δdкр + Z,
где dк – осадка судна кормой, м;
Δdк – просадка кормы судна, м;
Δdв – увеличение осадки на волнении, м;
Δdкр – увеличение осадки от крена судна, м;
Z – запас воды под килем, который должен составлять не менее 1 м.
Увеличение осадки судна при крене
Крупнотоннажные суда, имеющие полнообводные формы корпуса (Св > 0,7),при движении на мелководье проседают больше носом, чем кормой (рис. 5.8). Для определения скоростного проседания таких судов можно воспользоваться номограммой National Phisical Laboratory – NPL (рис.5.9) или таблицей.
Влияние мелководья на управляемость крупнотоннажного судна
Номограмма для определения просадки судна по методу NPL
Определение увеличения осадки судна от угла крена
ВВЕДЕНИЕ
Плавание на мелководье является одним из наиболее сложных условий, в которых оказывается судно в процессе эксплуатации. И сложность ситуации заключается не только в том, что малый запас воды под килем в данных условиях представляет собой реальную навигационную опасность, но и в том, что поведение судна на мелководье существенно отличается от поведения на глубокой воде.
К основным отличительным особенностям поведения судна на мелководье можно отнести ухудшение управляемости, увеличение тормозного пути, дополнительное проседание с изменением посадки и падение скорости при тех же энергетических затратах.
Еще более сложным управление судном становится при плавании на мелководье с ограниченной акваторией (проливы, каналы), где на поведение судна влияют как берега, так и другие суда.
Незнание или пренебрежение особенностями поведения судна на мелководье нередко приводит к аварии.
1. ВЛИЯНИЕ МЕЛКОВОДЬЯ НА ДВИЖУЩЕЕСЯ СУДНО
Понятие “ мелководье ” относительно. Влияние мелководья на поведение судна зависит не только от глубины моря, но и от габаритов судна и его скорости. Существуют различные эмпирические формулы для определения глубины, с которой начинает сказываться мелководье. Согласно одной из формул [1] влияние мелководья на поведение судна наблюдается на глубинах:
Другим критерием оценки влияния мелководья, связанным с изменением картины волнообразования, является “число Фруда” по глубине:
1.1. СКОРОСТНОЕ ПРОСЕДАНИЕ
Термин “ скоростное проседание ” обозначает разность между глубинами под килем движущегося судна и судна, не имеющего хода относительно воды.
Причиной скоростного проседания судна является следующий физический процесс, происходящий вокруг движущегося судна.
При рассмотрении движения судна относительно воды можно в равной степени говорить о движении воды относительно судна. Таким образом, частицы воды, встречающие на своем пути корпус судна, вынуждены его огибать вдоль бортов и днища (рис.1).
Поскольку вода обладает свойством неразрывности, то вытесняемые в стороны частицы воды, двигаясь по криволинейной траектории, за то же самое время должны пройти больший путь чем частицы, движущиеся по прямой. Следовательно, скорость частиц, огибающих судно, выше скорости частиц, движущихся по прямой. Кроме того, эти частицы, находившиеся в состоянии покоя относительно грунта, образуют поток, движущийся относительно грунта в направлении, встречном направлению движения судна.
Зависимость между скоростью потока жидкости и давлением жидкости на данном участке описывается уравнением Бернулли:
Из выражения (3) видно, что если на каком либо участке скорость движения жидкости увеличивается, то для сохранения равенства должно понизиться давление.
Следовательно, во время движения судна, чтобы выражение (3) сохранялось, вокруг судна происходит падение давления, а следовательно, и уровня воды (рис.2).
Это и является причиной скоростного проседания судна. Из выражения (3) видно, что чем больше скорость потока, движущегося вдоль корпуса судна, тем больше падает давление, и тем значительнее проседание судна.
Поле вызванных скоростей не симметрично относительно миделя, следовательно, не симметрично и поле давления воды вдоль движущегося судна (рис.2). В носовой части формируется поле повышенного давления за счет лобового сопротивления формы корпуса, замедляющего набегающий поток. В кормовой части замедление потока, огибающего судно, (а следовательно, и повышение давления) происходит за счет влияния “попутного потока”, движущегося вместе с судном. Однако, работа винта, создающего дополнительное разряжение воды у кормовой оконечности, существенно влияет на результирующую величину поля давлений.
Участки повышенного давления в носовой и кормовой оконечностях имеют разную природу и разные величины, зависящие от многих параметров погруженной части корпуса. Несимметричность поля давления вдоль корпуса приводит к тому, что скоростное проседание происходит с изменением дифферента судна. Для большинства судов, имеющих обычную конфигурацию корпуса (без носового бульба), характерно проседание с дифферентом на корму.
Скоростное проседание с дифферентом на нос характерно для крупнотоннажных судов. Результаты натурных испытаний показывают, что у судов с коэффициентом общей полноты С в > 0.8 проседание носовой оконечностью больше, чем кормовой.
При выходе судна на мелководье скоростное проседание увеличивается в сравнении с проседанием на глубокой воде. Причин тому несколько. Одной из причин является меняющаяся картина волнообразования (рис.3). В общем случае движущееся судно образует две системы волн: поперечную, распространяющуюся перпендикулярно диаметральной плоскости судна, и систему волн, образующую сектор (рис.3, а).
Другой причиной дополнительного проседания судна на мелководье является малый запас воды под килем. Как уже говорилось, частицы воды, огибающие корпус, движутся с большей скоростью, образуя поле вызванных скоростей (встречный поток). Если поле вызванных скоростей достигает грунта, то там возникает пограничный слой, где силы трения притормаживают встречный поток воды (рис. 4).
Но для того, чтобы то же количество воды успевало проходить под днищем, скорость потока увеличивается. А увеличение скорости потока под днищем приводит к дополнительному падению давления в этом районе, что и приводит к дополнительному проседанию корпуса.
При движении судна на мелководье с ограниченной акваторией (в узкости) на поле вызванных скоростей оказывают влияние не только дно, но и стенки канала. В результате этого воздействия перепады поля давлений вокруг судна имеют большую амплитуду, чем в условиях неограниченной акватории. Дополнительное падение давления приводит к дополнительному проседанию.
Для расчета скоростного проседания судна на мелководье существует целый ряд эмпирических формул, дающих порой существенно отличающиеся результаты. Рассмотрим лишь некоторые из этих формул.
1.1.1. Формулы института гидрологии и гидротехники АН СССР для среднетоннажных судов (формулы Г.И.Сухомела)
Проседание средней части судна находится из выражения:
Плавание судна в узкостях и на мелководье (стр. 2 )
 | Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 |
Влияние мелководья начинает заметно сказываться при переходе за скорости, равные 0,6Vкp, когда высота и длина создающихся при движении судна поперечных волн начинают резко возрастать. По мере увеличения скорости увеличивается и угол, составляемый гребнями волн с ДП судна. При скорости V ³ 0,75Vкp поперечные и расходящиеся волны совмещаются в одну общую поперечную волну, достигающую наибольших размеров при скорости V = (0,9÷1,0) 
и имеющую вид поперечного вала, движущегося вместе с судном несколько впереди форштевня. В кормовой части судна несколько впереди ахтерштевня также создаются поперечные волны, которые распространяются далеко по обе стороны от судна. Вместе с ростом волнообразования растет и сопротивление воды движению судна, перегружается двигатель, возрастает расход топлива, повышается износ двигателя. Поэтому увеличивать скорость судна до значений, больших 0,80Vкр, нецелесообразно. Скорость судов в канале назначается в пределах 4–12 уз, однако она не должна превышать величины 0,9Vкр.
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 wм к угловой скорости на глубокой воде w¥ оказалось весьма стабильным для судов различных типов (рис. 1.2).
Для определения среднеквадратической погрешности тактического диаметра циркуляции Dт и выдвига l1 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 dSв(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, dSв значимо только на предельном мелководье и больших скоростях. Практически во всем диапазоне dSв £ 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 dSт, 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 ³ 0,5 и 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.
, (1.10)
где Dd — изменение средней осадки судна на ходу, м;
y — угол дифферента судна на ходу, град;
Ddд — изменение средней осадки судна от действия гидродинамической вертикальной силы, м;
Dyд — изменения угла дифферента под действием гидродинамического дифферентующего момента, град;
Ddв, Dyв — 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)
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:
, (1.14)
где НН — навигационная глубина, м;
DНН — поправка глубины на отклонение уровня воды (положительна, когда уровень выше ординара), м;
d — осадка (наибольшая) судна в воде стандартной плотности (r = 1025 кг/м3), м;
Dd — 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;
q — угол крена от ветра (табл. 7.5), град;
qд — динамический угол крена (табл. 7.6), град.
Поправка осадки судна на соленость воды
ПРОСАДКА СУДНА ПРИ ПЛАВАНИИ НА МЕЛКОВОДЬЕ
(СКОРОСТНОЕ ПРОСЕДАНИЕ)
Образование одиночной поперечной волны понижает уровень поверхности воды у бортов судна, что вызывает опускание корпуса относительно уровня спокойной воды и увеличение дифферента. Это явление называется просадкой.
Для большинства судов, имеющих обычную конфигурацию корпуса (без носового бульба), характерно проседание с дифферентом на корму. Скоростное проседание с дифферентом на нос характерно для крупнотоннажных судов. Результаты натурных испытаний показывают, что у судов с коэффициентом общей полноты Св ≥ 0.8 проседание носовой оконечностью больше, чем кормовой.
Рис. 5.6. Влияние мелководья на управляемость крупнотоннажного судна
Минимальная глубина, необходимая для безопасного плавания судна на мелководье (Нбез), определяется следующим выражением:
где Тк – осадка судна кормой, м;
ΔТк – просадка кормы судна, м;
ΔТв – увеличение осадки на волнении, м;
ΔТкр – увеличение осадки от крена судна, м;
Z – запас воды под килем, который должен составлять не менее 1 м.
Рис. 5.7. Увеличение осадки судна при крене
Крупнотоннажные суда, имеющие полнообводные формы корпуса (Св ≥ 0.8), при движении на мелководье проседают больше носом, чем кормой. Для определения скоростного проседания таких судов можно воспользоваться номограммой NPL (National Phisical Laboratory).
Для характеристики формы обводов корпуса различных судов служат так называемые коэффициенты полноты. Они не дают полного представления о форме корпуса, но позволяют численно оценить главные ее особенности.
Основными безразмерными коэффициентами полноты формы подводного объема корпуса судна являются:
δ= V/(L×B×T)
Таблица для определения увеличения осадки судна от угла крена
Рис. 5.8. Номограмма для определения просадки судна по методу NPL