漁船在流場(chǎng)中失控漂移預(yù)報(bào)模型

丁天明+艾萬(wàn)政

【摘 要】 為減少漁船交通事故的發(fā)生，通過(guò)分析漁船運(yùn)動(dòng)特性，結(jié)合漁船失控后受流作用下的運(yùn)動(dòng)方程，提出漁船失控運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算機(jī)預(yù)報(bào)方法。研究結(jié)果表明，漁船在受一定流場(chǎng)作用失控后，其運(yùn)動(dòng)軌跡主要受到?jīng)_程及流速和流向的影響。

【關(guān)鍵詞】 漁船；失控；漂移；沖程；預(yù)報(bào)

我國(guó)現(xiàn)有漁船總數(shù)達(dá)100多萬(wàn)艘，是世界上漁船數(shù)量最多的國(guó)家，約占世界總數(shù)的1/4，其中海洋漁船總數(shù)達(dá)30多萬(wàn)艘。我國(guó)漁船雖然數(shù)量龐大，但普遍老舊，海難事故經(jīng)常發(fā)生。漁船交通事故有很大一部分是由漁船失控漂移所引起的，而漁船失控漂移多半是由設(shè)備失靈或遇大風(fēng)浪所致。漁船在失控以后，受流的作用任意漂流，容易導(dǎo)致碰撞、擱淺、翻船等事故發(fā)生。因此，有必要開展?jié)O船失控后漂移的軌跡預(yù)報(bào)技術(shù)研究，以減小漁船交通事故發(fā)生的概率。在風(fēng)浪較小時(shí)，漁船失控漂移后，其運(yùn)動(dòng)既受到慣性沖程的影響，也受到流的作用。有關(guān)受流作用下漁船失控后的運(yùn)動(dòng)軌跡推算的研究較少。有學(xué)者提出采用實(shí)船試驗(yàn)的方法研究漁船失控漂移運(yùn)動(dòng)，但這種方法涉及的費(fèi)用昂貴。[1-2] 本文從漁船運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)入手，建立失控漁船受流作用下的運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算方程，并提出通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)其運(yùn)動(dòng)軌跡的方式。

1 漁船失控漂移運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算方程

船舶在失控漂移后，其運(yùn)動(dòng)軌跡不但受到?jīng)_程的影響，同時(shí)還受到風(fēng)和流的作用。為了計(jì)算流對(duì)漁船運(yùn)動(dòng)的影響，有必要建立漁船失控隨流漂移運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系（見(jiàn)圖1）。設(shè)船首尾線與Y軸的夾角稱為偏航角€%Z，流向與Y軸的夾角稱為流向角€%[。當(dāng)在一定的通航環(huán)境下，漁船由于某種原因車、舵突然失靈，以致漁船失控，且又未采取或不能采取拋錨措施，船舶的運(yùn)動(dòng)過(guò)程可分為兩個(gè)階段：（1）慣性減速階段，可用停車沖程理論分析船舶運(yùn)動(dòng)過(guò)程，計(jì)算有關(guān)數(shù)據(jù)；（2）隨流淌航階段，可根據(jù)設(shè)定的水流情況進(jìn)行分析計(jì)算。

1.1 Y軸移動(dòng)距離的計(jì)算（不考慮風(fēng)）

1.1.1 失控時(shí)的船速計(jì)算

失控時(shí)的船速v0可用下式計(jì)算：

V=（1）

即 v0=（2）式中：V為漁船失控時(shí)的航速，m/s；U為漁船失控時(shí)的流速，m/s。

1.1.2 沖時(shí)的計(jì)算

由物理學(xué)知識(shí)可知，漁船的失控沖時(shí)應(yīng)為無(wú)窮大，但在現(xiàn)實(shí)生活中，當(dāng)船速減小到可忽略的程度（對(duì)船舶軌跡計(jì)算足夠?。瑒t可認(rèn)為慣性沖程結(jié)束。沖時(shí)（T）是指從失控點(diǎn)開始到船速減小到可忽略程度所需的時(shí)間。其大小可按下式求?。?/p>

v=v0€積（3）

1.1.3 靜水沖程

靜水沖程（S'）是指在沖時(shí)T時(shí)間內(nèi)，船舶沿船速方向移動(dòng)的距離。可用下式估算：

S'=v0€積€穌t=v0€稵st （1-e）（4）

1.1.4 動(dòng)水沖程

計(jì)算動(dòng)水沖程時(shí)，應(yīng)考慮船舶在沖時(shí)T內(nèi)隨流漂航的距離，因此，動(dòng)水沖程（S）可用下式表達(dá)：

S= v0€稵st （1-e）+ U€稵€穋os（€%[-€%Z）（5）

1.1.5 沖 距

動(dòng)水沖程在Y軸上的投影稱為沖距（Sc）。其大小可按下式計(jì)算：

Sc= v0€稵st （1-e）cos €%Z+ U€稵€穋os €%[（6）

1.1.6 漂 距

漂距（Sp）是指慣性消失后，在流作用下繼續(xù)沿Y軸方向漂移的距離。其大小可按下式計(jì)算：

Sp=U€穞p€穋os €%[=（Dsk-Sc）（7）

tp=Sp /（U€穋os €%[）=（Dsk-Sc） /（U€穋os €%[）（8）

式中：tp為流淌漂移時(shí)間，即船舶從停沖點(diǎn)（慣性消失點(diǎn)）移動(dòng)的時(shí)間，s；Dsk為失控點(diǎn)至預(yù)計(jì)地點(diǎn)的距離，m。

當(dāng)漁船對(duì)水移動(dòng)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)軌跡在Y軸上的距離可用式（6）計(jì)算；當(dāng)漁船不對(duì)水移動(dòng)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)軌跡在Y軸上的距離應(yīng)是式（6）與式（7）的疊加。

1.2 X軸移動(dòng)距離的計(jì)算（不考慮風(fēng)）

1.2.1 沖期流致漂移量

沖期流致漂移量（B1）是指船舶在整個(gè)沖時(shí)T時(shí)間內(nèi)，在慣性與流的共同作用下沿X軸方向偏移的距離。其大小可由下式計(jì)算：

B1=v0€稵st （1-e）sin €%Z+ U€稵€穝in €%[（9）

1.2.2 流淌漂移量

流淌漂移量（B2）指慣性消失后，在流作用下，船舶在X軸方向移動(dòng)的距離。其大小可由下式計(jì)算：

B2=U€穞p€穝in €%[=Sp€穞an €%[（10）

當(dāng)漁船對(duì)水移動(dòng)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)軌跡在X軸上的距離可用式（9）計(jì)算；當(dāng)漁船不對(duì)水移動(dòng)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)軌跡在X軸上的距離應(yīng)是式（9）與式（10）的疊加。

2 計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)失控漂移軌跡流程

當(dāng)tp>T時(shí)，即當(dāng)時(shí)間大于沖時(shí)，漁船在Y軸上的行駛距離應(yīng)是式（6）與式（7）的疊加；當(dāng)tpT時(shí)，即當(dāng)時(shí)間大于沖時(shí)，漁船在X軸上的行駛距離應(yīng)是式（9）與式（10）的疊加；當(dāng)tp

3 結(jié) 語(yǔ)

漁船受一定流場(chǎng)失控漂移后，其運(yùn)動(dòng)軌跡主要受到?jīng)_程及流致漂移的影響。當(dāng)流淌漂移時(shí)間在沖時(shí)范圍之內(nèi)時(shí)，漁船運(yùn)動(dòng)軌跡可按式（6）和式（9）進(jìn)行計(jì)算；當(dāng)流淌漂移時(shí)間超過(guò)沖時(shí)，漁船運(yùn)動(dòng)軌跡可按式（6）、式（7）、式（9）、式（10）進(jìn)行計(jì)算。按照?qǐng)D2所示流程，失控漁船運(yùn)動(dòng)軌跡預(yù)報(bào)完全可通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王昌杰.河流動(dòng)力學(xué)[M].北京：人民交通出版社，2000：34-41.

[2]劉明俊.內(nèi)河與引航[M].北京：人民交通出版社，1999：37-43.