彎曲河段通過大型船舶能力預報研究＊

黃 寅 劉明俊

（武漢理工大學航運學院 武漢 430063）

0 引 言

航道通過能力是反映航道適航程度的一項重要的性能指標，是編制航運規劃的重要依據，是決定整個水運交通系統發展的基礎．因此，為了使航道資源得到更有效的利用，使航道內船舶，特別是大型船舶航行更安全，同時為了便于海事部門及航道管理機構進行船舶安全航行管理與組織，合理掌握航道信息，科學制定航道建設、維護和發展規劃，便于航運公司等生產部門對船舶進行合理調度，因此，開展彎曲河段通過大型船舶的能力研究十分必要．

1 船舶通過彎曲河段所需航道寬度建模計算

在彎曲河段，由于彎道環流的作用，會形成不同強度的掃彎水，使航經彎道的船舶運動變得較為復雜．建模時對船舶過彎曲河段做如下假設：（1）把彎道近似看成一個圓環，流線、航跡線的邊沿中心線均看成同心圓弧；（2）船舶轉心沿著與航跡一致的圓形軌跡運動；（3）船舶運動是定常的，即船速、流速以及漂角均與時間無關．建模時，首先確定船舶在無風、無流影響情況下通過彎曲河段時所需的航道寬度B1，船舶在受流影響時產生的流致漂移量BL，船舶在受風影響時產生的風致漂移量BF．根據疊加原理，建立船舶在風流影響下過彎曲河段所需的航道寬度［1－2］．

1．1 船舶無風無流情況下過彎曲河段所需航道寬度

圖1為無風、無流影響情況下，船舶過彎曲河段所需航道寬度示意圖，圖中OA ＝R2＋b／2，R2＝R cosβ；R1＝船舶在無風無流的情況下通過彎曲河段所占航道寬度B的可用下式來計算1

式中：R為航道軸線曲率半徑，船舶航行時可看作是船舶重心航行軌跡圓半徑，m；b為船舶寬度，m；β為船舶旋回時漂角，（°）；AB為轉心至船尾的距離，m，根據船舶操縱理論轉心位置一般位于船舶重心前（1／5～1／3）L處，如果船舶重心在船中處，則AB 為（7／10～5／6）L，基于安全考慮取5L／6．則式（1）可表示為［3－5］B1＝R1－R2＋b／2＝

圖1 無風流情況下船舶（隊）通過彎曲河段所占航道寬度示意圖

1．2 船舶通過彎曲河段時的流致漂移量

船舶通過彎道時，在流的作用下產生的橫向漂移見圖2．縱軸Y平行于航道軸線，橫軸X垂直于各自航道軸線，將流速u分解到X方向和Y方向得

圖2 船舶通過彎曲河段流致漂移量示意圖

由于流速u在X 方向分量ux的存在，使得船隊過彎曲河段時會產生在X方向的漂移量，此漂移量為

下行：

式中：u為流速，m／s；θ為彎道中心角，（°）；V 為船速，m／s；φ為橫流角，（°）．橫流角φ是指橫流方向與航道軸線的夾角，對于某一具體彎曲河段而言，流向角φ值變化不大，可用下式估算

式中：B為航道寬度；C為與掛高有關的系數，五五分心時取0．5，四六分心時取0．4．

1．3 船舶通過彎曲河段時的風致漂移量

順直航段船舶航行時，風向角一直保持初始風向角，因此風致漂移量的計算公式為下行：

上行：

式中：K 為該系數，一般取0．038～0．041；Ba為船體水線以上受風面積，m2；Bw為船體水線以下受風面積，m2；va為風速，m／s；Vs為風中船速，m／s；S為航行距離，m；αf為初始風向角，（°）．

船舶通過彎道時，在風的作用下產生的橫向漂移如圖3所示，由于風向角 不再維持初始風向角而是在船舶過彎曲河段時沿程會不斷變化，因此計算風致漂移量時采用積分的方法，如圖4所示，那么船舶通過彎道時，風致漂移量可用下式計算．

下行：

1．4 船舶在受風流影響下通過彎曲河段時所需航道寬度

圖3 風致漂移量示意圖

圖4 風致漂移量微分計算示意圖

船舶在通過彎曲河段時由于受風流的作用，在受流影響時產生的流致漂移量為BL、船舶在受風影響時產生的風致漂移量為BF．根據疊加原理，船舶在風流影響下通過彎曲河段所需的航道寬度為

式中：d可取0．4B1．根據式（11），設船舶的長寬比為m，可以得到彎曲河段允許通過的最大船舶尺度和彎曲河段最小航道寬度的計算關系．

下行：

上行：

式中：Bmin為允許通過船舶的最小航道寬度；Lmax為允許通過船舶的最大船長．

2 彎曲河段通過能力預報

上文已經計算出彎曲河段允許通過的最大船舶尺度和彎曲河段最小航道寬度的計算關系，已知某一彎曲河段的航道最小寬度，利用式（12）和式（13）可得到該彎曲河段允許通過的不同長寬比的上下行船舶的最大長度Lmax，以集裝箱船為例，統計出船舶最大長度與噸位的統計數據，由MATLAB曲線擬合后得到集裝箱船長度與噸位關系曲線，見圖5．

圖5 集裝箱船長度與噸位關系曲線

由圖5可以得到彎曲河段允許通過最大集裝箱船的噸位，從而達到彎曲河段通過大型船舶能力的信息預報．

3 結束語

通過分析彎曲航道航寬、曲率半徑等與通航船舶尺度的關系，在充分考慮彎曲河段風流對船舶作用特點下，建立了船舶尺度與彎曲航段航道尺度的數學關系模型，通過給定彎道最小寬度計算出允許通過船舶的最大長度，利用船舶噸位與長度的統計數據得到允許通過最大船舶的噸位，實現了彎曲河段通過大型船舶信息的科學預報．

［1］劉明俊．航道與引航［M］．北京：人民交通出版社，2003．

［2］李 穎．內河航道通過能力研究及應用［D］．南京：河海大學環境科學與工程學院，2006．

［3］劉明俊，呂習道．船舶過彎道所需航寬建模［J］．武漢理工大學學報：交通科學工程版，2006，30（1）：178－179．

［4］徐婷婷．不同安全條件下的航道通過能力研究［D］．南京：河海大學港口海岸及近海工程系，2007．

［5］田 野．航道通過能力的研究與評定［D］．大連：大連海事大學航海學院，2002．