浅析船舶走锚后的漂移速度

发布日期:2010/2/1 点击次数:5056

摘　要：　由于港口泊位数的不足，致使船舶抛锚等待的几率增加，加上时间延长，气象变化，致使走锚几率增加。走锚事故后对船舶运动的掌握和控制就显得越来越重要。文章在分析走锚原因及走锚后船舶运动情况的基础上提出了一个近似求取走锚船漂移稳定速度的数学模型，并据此模型进行了特定船型的计算，列出计算结果，以期能对实践有所指导。

关键词：　走锚　锚泊力　风压力　水动压力　模型构建

前言

船舶在进行检疫、等泊位、候潮、锚地过驳或避风时，都要在港内或港外的锚地抛锚。在特殊情况下，船舶也可能根据需要在一个较为生疏的水域锚泊。随着国际贸易的发展，来往于各大洲之间的船舶开始向自动化，大型化发展，船舶数量不断增加，这不但使世界港口的交通流密度增大，也增加了各港口锚地的负担，使单位面积中的锚泊船增多，其中不乏危险品船、大吨位的油船和化学品船，而船舶在锚泊后由于受到风浪流等外力的作用，可能发生走锚、碰撞和搁浅事故。这其中最常见且后果最严重的当数走锚事故了。发生走锚后如果不能及时采取正确有效的控制措施，失控的走锚船将危及他船或水工建筑的安全，如果发生触碰后果往往不堪设想。本文在锚泊船受力分析的基础上，利用物理原理中的力矩平衡的原理对走锚后船舶的运动的稳定速度及达到这一稳定速度的时间进行了数学模型的构建及探讨，并对特定船型进行了计算，对走锚船在特定时间内的运动范围进行了界定。

1　锚泊船的受力分析

船舶在有风流情况下锚泊时，同时受到锚泊力，风压力，流压力及波浪的冲击压力等影响，下面分别进行描述。

1.1　锚泊力

锚泊力有两部分组成，即锚的抓力和锚链的摩擦力，因此锚在海底的系留力决定于锚的重量、形状以及锚链长度、重量、底质，其大小可由下式求得：

Pr=Wa×λa+Wa×λa×L

式中：Pr—锚泊力；Wa—锚重；λa—锚抓力系数；Wc—链重；λc—链摩擦系数；L—锚链卧底部分长度。

锚泊力作用点在抛锚一舷船首锚链筒处，在锚泊船受风或流作用时该力沿锚链悬重线的切线指向上风或来流方向。

1.2　风动压力

锚泊船所受风动压力是指船体水线以上部分所受的空气压力。风动压力是引起船舶偏荡和走锚的首要因素。

风压力的大小与风速风舷角受风面积和形状有关，其值用下式计算：

Fa=1/2[ρa×Ca×Va2×(Aa×Cos2θ×+Ba×Sina2θ)]

式中：ρa—空气密度(1.226kg/m3)；Ca—风动

压力系数；Va—相对风速；θ—风舷角；Aa—水线上船体正面投影面积；Ba—水线上船体侧面投影面积；Fa—风动压力。

风动压力作用中心位置A点至船首的距离a，受风舷角θ，船舶上层建筑形状以及面积分布情况所影响，a的值可用岩井经验公式估算：

a/Lpp=0.291+0.0023θ

其作用方向，由模型试验估算结果表明，除船首尾方向之外的来风，风动压力作用方向均接近于船体正横方向，风动压力角还可用岩井经验公式计算：

a=〔1-0.15×(θ/90)-0.80×(1–θ/90)3〕×90

1.3　水动压力

水动压力的大小，流压角，水动压力作用中心均与漂角(相对流向)大小有关。因为流对水线下体作用力在正横方向分力大，且对操船影响明显，而在首尾方向分力较小，只取流压力横向分力，其大小可用下式估算：

YW=1/2ρW×Cwy×VW2×L×d

式中：ρW—水的密度(海水取1025kg/m3，淡水取1000kg/m3)；

Cwy—流压力横向分力系数；

VW—相对流速即船水间相对运动速度；

L—船长；

d—船舶吃水；

Yw—横向流压力。

流压力与船舶首尾线的夹角称为流压角γ。流压角在相对流角为20°～160°范围内一般为90°左右。

流压力的作用点N的位置受相对流压角β(即漂角)船体水线下侧面积形状及分布情况有所影响。当漂角为20°～160°范围内，aw/L大约在0.25～0.75之间。(为流压力中心至船首的距离)且aw随漂角的增大而增大。

2　走锚原因分析

走锚是指锚抓力不够，当船身受到外力的总和大于锚和链的锚泊力，即使船舶发生位移，称为走锚。可见，可能引起走锚的原因很多，底质不佳，锚的重量不够，锚链过短或绞缠，风浪增大以及偏荡等。本文所讨论的主要是由于锚的稳定性不佳，因而使锚在外力的影响下而拖动，发生以锚干为轴的横向自转，进而使锚爪出土，锚抓力消失，而使锚泊力大为减小所造成的走锚。

对于霍尔锚在正常状态下的抓力系数为4～5而在走锚时此值为0.75～1.5，同时卧底链的抓力系数在泥质底质上也由1.0下降为0.5。可见走锚时锚泊力有了大幅的减小，但若底质状况和链长不变，该力可近似的视为一个常力。

3　走锚后船舶的运动

走锚后船舶的运动取决于风流的大小和方向，当然与锚拖力的大小及方向亦有密切的关系，但在锚地底质和锚型及出链长度已确定的情况下，锚的牵引力可作为一个定值来处理，因此，船舶所受的风动压力和流动压力是造成走锚后船舶运动形态变化的主要因素。

假定船舶在偏荡到φ=θ(φ为风链角，θ为风舷角)后某一时刻走锚，那么在锚泊力、风动压力、水动压力三个力的作用下，船舶会经历一个先加速向下风方向漂移，同时由于“尾找风”现象使船体发生偏转，这样运动一段时间后，当相对流速增加到一定程度后，流压力产生的流压力转船力矩，风压力产生的风动力转船力矩及锚的牵引力产生的转船力矩的合力矩趋近于零，这时船舶继续偏转的趋势被抑制，船舶便以这个状态开始近于匀速的向下风方向漂移。这里的分析是为以下模型的建立提供了指导。

4　模型构建

4.1　条件限定

这里首先提供一个定常风向和近于静水流速的锚地环境且该锚地底质均匀，水深恒定，且水深与吃水比大于7，同时亦不考虑波浪对船舶走锚后运动的影响。在以上特定的环境下，某船在锚泊中偏荡到φ=θ稍后时刻走锚，开始如前述的一系列运动。

4.2　参数确定

MW为水动力转船力矩，Ma为风动力转船力矩，Mr为锚泊力转船力矩，lr为锚泊力的力臂，Cmw为水动力转船系数，Cma为风动力转船系数。

4.3　模型建立

按照以上分析，由力矩平衡理论可以建立一个走锚后船舶做近于匀速运动时的运动方程，如下：

由以上方程组可解出对水漂移的稳定速度：

在此我们还可以得到从船舶走锚到达到稳定速度的大致时间和距离。

经对10万吨级油轮用上述方程进行计算，其最终的漂移速度在0.2kn以上，可见其一旦走锚将带来极大的危害。

5　模型分析

在此，我们可以讲船舶走锚后分为两个运动阶段，即风力因素占主导地位的变加速运动阶段，和各种因素的作用基本平衡的近似匀速运动阶段(其中没有考虑锚链的拉紧和松弛造成的速度变化)。

我们可以将第一阶段视为船舶运动的不稳定阶段，第二阶段作为走锚运动的稳定阶段。可见，如果船舶走锚后，能够在不稳定阶段恢复对船舶的控制是十分重要同时也是十分困难的，而当船舶进入走锚后的稳定阶段，人们就可以通过较容易的控制措施对船舶进行重新控制，且这时船舶的漂移方向也基本得到确定。

由上所述，可以将船舶由开始走锚至到达稳定速度的这一段距离，定为锚泊船之间的缓冲距离。这样就可以针对不同船型和天气及水流状况确定出更科学合理的锚地规划，也可以节约锚地水域资源。

6　结束语

由于船舶走锚后的运动受到多种因素的影响。不仅有风流等自然变化的外力，还与船型、船况、船员配备及熟练程度有很大关系，因此要精确描述有相当的困难，本文通过对船舶走锚后的运动方程进行分析，得出了走锚船舶的稳定漂移速度，对实践有一定的指导意义

作者：刘广宝  来源：天津航海