Плавание судов на мелководье и в районах со стесненными условиями

2.1. Сопротивление воды движению судна

Движущая сила СЭУ уравновешивается силами сопротивления окружающей среды: воды и воздуха. Сила сопротивления обусловлена выводом из равновесия частиц среды и сообщения им некоторой энергии. Величина этой силы зависит от физических свойств среды, - прежде всего плотности и вязкости.

Представляя судно неподвижным и обтекаемым потоком жидкости, определяются силы давления, возникающие вокруг корпуса судна. Согласно законов гидродинамики общее сопротивление:

(2.1)

- вязкостное сопротивление и волновое сопротивление. В свою очередь:

(2.2)

- сопротивление трения

- сопротивление формы

Волновое сопротивление зависит от числа Фруда. Вокруг корпуса судна возникает завихрение потоков создающее позади корпуса зону турбулентных возмущений – «спутную» струю, как продолжение тонкого пограничного слоя присоединенной жидкости [6;7;17;24;26;28;29].

Под действием сил тяжести вокруг корпуса возникает система судовых волн, которые также создают давление на поверхности корпуса. Резкое изменение скорости жидкости (идущие со скоростью судна) поперек пограничного слоя вызывает касательное напряжение на поверхности тела. Гидродинамические силы и касательное напряжение можно свести в равнодействующую Q:

Рис. 2.1. Гидродинамические силы сопротивления и поддержания.

R-сопротивление воды относительно корпуса судна;

Q_у- гидродинамическая сила поддержания, определяющая момент дифферента.

2.2. Влияние условий плавания на сопротивление

Судно на ограниченных глубинах и особенно в узкостях испытывает влияние гидродинамических сил в большой степени чем на глубокой воде. Исследования показали, что изменение давления вокруг корпуса судна за счет изменения скорости потока жидкости на мелководье носит следующий характер:

Рис. 2.2.Давление вокруг корпуса судна

Таким образом, в носовой части расположена область повышенного давления, в средней части давление падает, а к корме снова повышается, но меньше чем в носовой части.

Рис. 2.3. Системы волнообразования вокруг движущегося судна

Частицы жидкости, выведены из равновесия под действием сил тяжести или инерции, начинают колебаться, образуя носовую и кормовую группу волн. В каждой группе волны 2-х системы: расходящиеся и поперечные волны.

Расходящиеся волны отклонены от ДП на угол =18-20. Поперечные волны имеют угол =36-40

На глубокой воде и в открытом пространстве эти волны незаметны, а в узкости и на мелководье характер их изменяется, вызывая рост сопротивления воды, проседание корпуса, увеличение дифферента на корму и ухудшение управляемости.

Влияние мелководья начинает проявляться на глубинах.

(2.3)

H - глубина моря, м.

V - скорость судна м/c, 0.514 V узлы.

d_СР - средняя осадка судна в состоянии покоя, м

g=9,81 м/с²

Влияние глубины зависит от числа Фруда по глубине.

- число Фруда (2.4)

Рис.2.4. Преобразование системы волн

При числе Фруда 0,3-0,4 волнообразование аналогично глубокой воде. С уменьшением глубины при постоянной скорости или увеличении скорости при постоянной глубине число Фруда растет и при его значениях 0,7-0,8 угол раствора расходящихся волн увеличивается и происходит формирование поперечных волн в носовой и кормовой части [26;28]. Изменение сопровождается увеличением волнового сопротивления и сопротивления трения, из-за этого уменьшается скорость и проседает корпус судна.

При F_r =1 угол между линиями расходящихся волн и ДП- возрастает до 90, создается мощная носовая волна, которую судно как бы толкает перед собой, располагаясь на заднем ее склоне.

Рис. 2.5. Волны при критической скорости.

Скорость называется критической. При плавании в узкостях к влиянию мелководья прибавляется воздействие берегов, боковых откосов или стенок канала [6;24]. В этих условиях влияние мелководья проявляется еще больше. Носовая волна выдвигается как бы вперед, а кормовая сдвигается назад и их высоты увеличиваются. Значение V_кр учитываются при ограничении скорости в каналах согласно местным правилам плавания отраженных в постановлениях по конкретным портам.