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受限水域安全航行要素分析

作者:王勇

摘要

近期,長賜輪蘇伊士運河擱淺事故成為了全球航運的一個焦點,在業(yè)界普遍關(guān)注長賜輪將要面對的一系列巨額索賠的同時,船舶在受限水域內(nèi)的航行安全其實也是非常值得關(guān)注的一個問題。近年來,在全球各港口、河道、運河及海峽等受限水域發(fā)生的船舶擱淺、觸碰和碰撞案例屢見不鮮,這些案件往往帶來重大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的社會影響。船舶在受限水域內(nèi)航行,其操控性能下降,影響船舶航行穩(wěn)定性的外界因素增多,船舶周圍的安全物理空間減少,駕管人員的工作壓力增大,船員的疲勞程度增加,這些不利因素都極易導(dǎo)致航行事故的發(fā)生。隨著船舶的建造尺寸越來越大,速度越來越快,在受限水域的自然環(huán)境和通航環(huán)境不能輕易得以改善的情況下,船舶安全通行則是對駕管人員在船舶技術(shù)和管理上提出了更大挑戰(zhàn)。

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受限水域

通常情況下,受限水域指由于船舶的尺度和吃水與可航行水域的寬度和水深的關(guān)系,致使其不能自由進(jìn)行變向和變速等操作都受到嚴(yán)重限制的水域。諸如進(jìn)出港航道、狹水道、港口附近的分道通航帶和錨地、狹窄的海峽、運河、江河、大橋下通航區(qū)以及養(yǎng)殖區(qū)附近水域都可能成為船舶自由航行的受限水域。

除了上述從船舶操縱的角度對受限水域給予的一些基本的解釋外,業(yè)內(nèi)也有一些量化的參考標(biāo)準(zhǔn)。
1992年,世界水上運輸基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)會(PIANC)針對船舶的操縱性能,結(jié)合水深H和吃水D的比對值,對相對水深提出了一個劃定。當(dāng)H/D>3時,被視為深水區(qū);

當(dāng)1.5<H/D<3時,被視為中等水深區(qū);

當(dāng)1.2<H/D<1.5時,被視為淺水區(qū);

當(dāng)H/D<1.2時,則被視為非常淺的區(qū)域。

另外,根據(jù)荷蘭學(xué)者Hooft. J.P更早對船體前進(jìn)時受到阻力的影響來劃分,低速船當(dāng)H/D≤4,高速船當(dāng)H/D≤10時,即可作淺水域?qū)Υ?。從水流對船體橫向運動的影響來區(qū)分,以H/D≤2.5時可作淺水域?qū)ΥM瑫r,一般將吃水比為2.5數(shù)值作為對船舶前進(jìn)中的操縱性有影響的水深界限。當(dāng)H/D≤1.5時,則是對船舶操縱性有較明顯影響并能夠被駕駛?cè)藛T容易發(fā)現(xiàn)和感知的水深界定。
航道寬度對船舶的變向和旋回影響是最大的,考慮到船舶的觸碰和岸壁效應(yīng),通常以航道的有效寬度W與船長的比值來劃定。當(dāng)W/L≤2時,應(yīng)視為狹窄水域,則岸壁效應(yīng)可能會出現(xiàn);當(dāng)W/L≤1時,受限水域?qū)Υ暗牟倏v性影響明顯,駕駛?cè)藛T能容易發(fā)現(xiàn)和感知這種影響,這里所說的航道有效寬度往往是指航道內(nèi)的最小寬度,一般是在航道的底部,而不是平時駕駛員視力可見的水面上的寬度。
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船體下沉量增加

由于船舶運動和水流的影響,船體在水下的富裕水深減小的現(xiàn)象就是船體下沉。根據(jù)瑞士物理學(xué)家伯努利的定律,液體內(nèi)部的靜水壓力、重力壓力和流動壓力應(yīng)總體保持不變;流體的壓強(qiáng)與它的流速有關(guān),流速越大,壓強(qiáng)越?。环粗嗳?。其簡單原理是,當(dāng)船舶在行進(jìn)當(dāng)中,船頭推開的水將沿著船體兩側(cè)向后回流,來填充被船體排出的水的體積。在開闊的深水水域中,被船首推開的水量會向周圍水域無限傳遞開來,回填的水速度慢,水量相對少。但到了淺水或狹窄水域,船體周圍的水的流速增加了,壓力會降低,船體周圍的壓力差就導(dǎo)致了船體的下沉。同時受到淺水和航道狹窄岸壁阻擋作用力,船首和船體排開的水會快速回填至船體排開水的體積,回填的水流將產(chǎn)生能量,將帶動船體一起下沉。

船體下沉可能是平行下沉,還可能出現(xiàn)局部下沉的首傾或尾傾現(xiàn)象。實踐證明,當(dāng)船舶在平吃水時,當(dāng)方形系數(shù)等于0.7時,船體基本是平行下沉;當(dāng)方形系數(shù)大于0.7時,船舶首傾下沉;當(dāng)方形系數(shù)小于0.7時,船舶尾傾下沉。如果船舶在原始狀態(tài)就存在吃水差,則一般情況下船體下沉態(tài)勢將保持原來的首傾或尾傾。根據(jù)船體下沉量簡易計算公式得知,S=CB·V2/100(寬敞水域)或S=CB·V2/50(狹窄水域)。船體下沉量和船舶的方形系數(shù)和船速有關(guān),隨著船舶尺寸越來越大,速度越來越快,船舶的最大吃水越來越接近于港口航道的通航水深,船體下沉也愈發(fā)受到航運公司和船舶的關(guān)注。船舶在受限水域的船體下沉將直接影響到船舶的富余水深,并可能導(dǎo)致船舶擦底或擱淺事故的發(fā)生。
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船速下降

導(dǎo)致船速下降的主要原因是船舶的移動阻力增加、摩擦力增加以及興波阻力增大,當(dāng)船舶在水里移動后,船會帶動周圍的水一起發(fā)生位移,簡單說就是船首一直推著一部分水,而船體上也一直會附帶著一部分水移動,這就相當(dāng)于增加了船舶自身的重量。船舶開敞的深水區(qū),一般船速較快,水比較清潔雜質(zhì)少,而一旦船舶進(jìn)入窄而淺的受限水域后,出于港口規(guī)則或者安全考慮,船舶會主動降速,船舶不僅如深水中推著一部分水帶動一部分水,同時船舶自身質(zhì)量排開的水傳遞到較窄和淺的周圍后會迅速回返,使船舶首尾和左右兩舷的縱向和橫向附加質(zhì)量增加。

同時,在相同主機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)下,由于船體周圍空間受限,如果不考慮水流的變化差異,與船體接觸的水流速度在受限水域會增加,船舶航經(jīng)受限水域或帶起水底或岸邊的泥沙等雜質(zhì),這都會增加船體的摩檫力。另外,船舶在受限水域船體會下沉,型排水體積增加,這也是會增加摩擦力和附加阻力。越是方形系數(shù)大的船舶,船體在受限水域附加的質(zhì)量和摩擦大越大,船速下降的就越多。
船舶在水面上運動會推開周圍的水,帶動水的擾動,這就是形成興波的基本原理,擾動的水對船體的水平方向的反作用力就是興波阻力,由于船舶興波和興波阻力較為復(fù)雜不進(jìn)行展開討論,那么船舶在進(jìn)入窄淺水區(qū)后,興波阻力將增加,這也會導(dǎo)致船速的下降。

主機(jī)相同轉(zhuǎn)數(shù)下的船速下降,導(dǎo)致船舶的滑失增加多消耗一些燃油,但是對于船舶的舵效影響不大,但隨著船速的下降,船舶受風(fēng)和流的影響將增加,有可能被風(fēng)流壓向危險的區(qū)域或者使船舶失控。

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岸壁效應(yīng)

在受限制水域中,船舶的動態(tài)將受到航行區(qū)域的橫向限制,如河岸和碼頭墻壁的影響。這些限制將會影響船舶周圍水的流場和壓力場,從而影響作用在船體上的水動力和力矩。如果一艘船沿著具有恒定、對稱橫截面的航道中軸線航行,船舶將只受到阻力作用,不會受到任何側(cè)向力或偏航力矩。然而,如果一艘船是在偏心的路線上移動,或者如果航行區(qū)域是不對稱的,那么在船體周圍的水流將會引起一個不對稱的壓力場,從而產(chǎn)生一個側(cè)向力和一個偏航力矩。

一般情況下,相對于遠(yuǎn)岸的一側(cè),船舶周圍的水流速度在近岸的一側(cè)會加快,水壓會降低,水面有所下降,由此產(chǎn)生的力量將推船體向近岸側(cè),尤其以在船中后部明顯,這種現(xiàn)象常被稱為岸吸。同時船首在前進(jìn)過程中推開水在近岸側(cè)回返的快,將與推開的水量產(chǎn)生疊加產(chǎn)生超壓并形成轉(zhuǎn)船力矩,推著船首遠(yuǎn)離近岸向航道中心轉(zhuǎn)向。當(dāng)然如前所述,航道內(nèi)相對狹窄的岸壁也會增加船的阻力和船體下沉量。
根據(jù)國際船模拖曳水池會議(ITTC)的試驗結(jié)果,船舶與岸壁之間的距離越小其岸壁效應(yīng)越明顯,雖然理論上存在一個臨界值,但對船舶實操而已是沒有意義的;岸壁效應(yīng)與船速的平方成正比,船速越大,岸壁效應(yīng)越明顯;船舶富余水深的減小將會導(dǎo)致船岸相互作用的增大;此外,船舶螺旋槳的設(shè)計和岸壁的幾何形狀也會對船岸之間的岸壁效應(yīng)產(chǎn)生影響。
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船吸現(xiàn)象

根據(jù)伯努利原理,流體的壓強(qiáng)與它的流速有關(guān),流速越大,壓強(qiáng)越小。當(dāng)兩艘船近距離并列行駛時,兩船間水流速度加快,壓力降低;同時兩船外舷的流速較慢,水壓力相對較高,船舶的左右兩舷形成壓力差,推動船舶互相靠攏。船吸現(xiàn)象在船舶的對遇、追越和交叉相遇中均會發(fā)生,航行的船舶近距離駛過靠泊船也會發(fā)生船吸現(xiàn)象。

兩船在近距離會遇,剛接觸期間,船首排開的水流互相疊加形成高壓區(qū),推開兩船的船首向外。隨著兩船逐漸接近,兩船中部的低壓區(qū)越發(fā)明顯,這時會引起并行的兩船靠攏和偏轉(zhuǎn),也最容易發(fā)生碰撞事故。
由于追越局面下兩船的作用時間長,船吸現(xiàn)象更加明顯。追越船接觸到被追越船船尾的瞬間,由于兩船內(nèi)外部壓力差導(dǎo)致追越船船首向被追越船偏轉(zhuǎn),同時被追越船船尾也向追越船偏轉(zhuǎn),此時容易導(dǎo)致船舶碰撞;隨著兩船的逐漸靠近,船中部形成低壓區(qū),兩船橫距越來越近,被追越船船首向追越船偏轉(zhuǎn),也容易產(chǎn)生碰撞。船吸現(xiàn)象對排水量相對小的和船速相對慢的船影響更大。
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操舵影響

船舶在受限水域航行,由于螺旋槳渦流和伴流的增強(qiáng)導(dǎo)致舵力的降低,且船底下富余水深越小,舵力下降得越大。在螺旋槳轉(zhuǎn)速保持不變的情況下,由于船速的降低而導(dǎo)致螺旋槳滑失增加,螺旋槳的排出流的速度增加,以及淺水域中舵的下緣距海底較近導(dǎo)致舵的整流作用得以加強(qiáng)等因素的影響,又使前述舵力降低得到了補(bǔ)償??偟膩砜?,舵力下降不大。雖然舵力下降不大,但是船舶的旋回性有所下降,這說明船舶需要使用更大的舵角來實現(xiàn)變向,但是受限水域留給船舶的安全空間有限,使用大舵角變向需要船舶回舵更及時更敏銳。

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疲勞和壓力

全球很多船舶必經(jīng)的受限水域往往是位置非常重要,距離非常長的河道和運河,諸如我國的長江、珠江和閩江,美國的密西西比河,南美的巴拉那河,歐洲的易北河,日本的瀨戶內(nèi)海,蘇伊士運河和巴拿馬運河等,甚至有些港口的進(jìn)港航道也要幾十甚至上百海里。船舶在這些河道或航道內(nèi)航行,需要經(jīng)歷幾個航行班才能完成整個進(jìn)出港航程。船員在此期間,需要不間斷地值班、瞭望、操車、操舵、備車、備錨等。由于航道有效水深和寬度的限制,留給駕駛?cè)藛T操控船舶的安全余量不大,任何一個航行命令執(zhí)行不及時或不到位,船舶都可能隨即發(fā)生航行事故。船舶駕管人員操船責(zé)任重大,精神高度緊張,在接連幾個小時的高強(qiáng)度和高壓力的工作下,人員容易產(chǎn)生疲勞,進(jìn)而導(dǎo)致體力下降,精力不集中,此時船員會出現(xiàn)指令錯誤,口令回復(fù)慢,應(yīng)舵不及時,把定不迅速,艏向不穩(wěn)定,操反舵,誤操車鐘等現(xiàn)象,甚至導(dǎo)致船舶航行事故的發(fā)生。

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總結(jié)建議

船舶在受限水域主要受到周圍水流和水量的變化對船舶的影響,致使船舶的阻力增大,船速降低;船體中部低壓區(qū)向船尾擴(kuò)展產(chǎn)生船體下沉,并伴生縱傾變化;船尾伴流增強(qiáng),螺旋槳上下槳葉推力之差較深水明顯,還將產(chǎn)生更為明顯的船體振動;船舶在淺水域內(nèi)旋回阻矩增加,旋回性將變差,舵力有所下降;當(dāng)船舶由于風(fēng)流影響或操舵把定一旦沒有航行在航道中心線上,還將出現(xiàn)偏航和偏轉(zhuǎn)的岸壁效應(yīng),船首偏向航道中央,船體和尾部將被吸向岸壁。良好地理解上述影響船舶在受限水域安全航行的外界要素產(chǎn)生原理,能有效幫助船舶駕管人員做好船舶受限水域的航行計劃,有效地控制船位和船速,預(yù)留好富余水深,合理安排船舶值班人員,從而妥善執(zhí)行公司在受限水域航行安全管理要求,確保船舶在受限水域內(nèi)的航行萬無一失。



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