船舶伴流與船舶駕駛關(guān)系研究

周啟學(xué)

摘 ?要：航運(yùn)技術(shù)在我國近年來的發(fā)展中占據(jù)非常重要的位置，不少高校專門開設(shè)了航海技術(shù)的專業(yè)課程。船舶駕駛不僅依靠技術(shù)和技能，還會受到水流速度、水流方向、風(fēng)向等自然原因的影響。船舶伴流也會在一定程度上影響船舶的駕駛速度等，二者之間具有一定相互作用，提高船舶駕駛技術(shù)，不僅要從技術(shù)方面提高，還要從影響因素中做出一些改變。該文主要從船舶駕駛和船舶伴流的基本概念出發(fā)，研究二者之間的關(guān)系，以便于做出相應(yīng)的加強(qiáng)和創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：船舶伴流 ?船舶駕駛 ?相互關(guān)系

中圖分類號：U66 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）01（c）-0041-02

在船舶行駛過程中，船舶伴流會在一定程度上影響船舶的駕駛，以及駕駛員操作效率，這會導(dǎo)致船舶駕駛技術(shù)一直得不到相應(yīng)提高。目前，我國為加強(qiáng)船舶駕駛技術(shù)，提高駕駛水平做出了許多研究和試驗。針對影響因素的嚴(yán)重中發(fā)現(xiàn)，明確船舶駕駛和船舶伴流之間的關(guān)系，從相互作用入手會有效減少船舶伴流的影響，從而達(dá)到提高駕駛技術(shù)和水平的目的。

1 ?船舶伴流

1.1 船舶伴流基本概述

經(jīng)過觀察不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)船正常行駛時，船體兩側(cè)會產(chǎn)生對稱的兩股運(yùn)動的水流，這兩股水流是由于船的運(yùn)動而發(fā)生運(yùn)動，這樣的水流就叫作船舶伴流（附隨水流）。船舶伴流的速度與船的形式速度具有一定數(shù)據(jù)關(guān)系，經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)，船舶伴流中一個固定點(diǎn)位置的水流速度可以看作以下表達(dá)式：

（1）

其中，V2相當(dāng)于船行駛過程中周圍水域某個固定點(diǎn)的水流速度，V相當(dāng)于船舶的行駛速度，V1船舶運(yùn)動引起的船舶伴流在某個固定點(diǎn)的速度。從表達(dá)式中可以看出船舶伴流速度是可以經(jīng)過測量或計算得出，并且與船舶行駛速度呈一定相關(guān)關(guān)系[1]。

1.2 船舶伴流分類研究

船舶伴流根據(jù)其產(chǎn)生原因以等不同情況可以具體分為以下幾個種類：第一，摩擦伴流。顧名思義摩擦伴流就是由于摩擦力而引起的伴流，該種伴流形式是由于水的特性所引起的，船舶進(jìn)入水中會被水分子所包圍和吸附，但是當(dāng)船舶浸在水中的部分被水分子全部吸附后，其他水分子就需要吸附在第一層水分子表面，但是由于船舶行駛具有一定速度，水分子之間由于慣性以及與船體之間的速度差而產(chǎn)生摩擦力，這些摩擦力就引起了摩擦伴流[2]。第二，形狀伴流。這種伴流大多以渦流的形式出現(xiàn)，其主要產(chǎn)生原因是船舶形狀、能的變化、摩擦力的影響以及船頭與船尾之間的距離等因素決定，在船舶形式過程中，由于船頭尾之間的距離，船行駛的能在動能和勢能之間不斷變化，變化中收到船體形狀影響，在船體周圍形成渦流，就是形狀伴流。第三，船舶波浪伴流。船舶行駛中與水面接觸面的受力程度不同，水面會受不同壓力的影響形成一種波浪形的波紋，因此被稱為船舶波浪伴流。

1.3 船舶伴流在船體周圍的分布情況研究

對不同船舶伴流分類做出研究，結(jié)果表明伴流速度與船體本身的某些特性有關(guān)。在靠近船體的伴流速度大于遠(yuǎn)離船體的伴流速度;當(dāng)船的行駛速度逐漸變大時，船舶伴流的速度也逐漸變大;在有螺旋槳的船體周圍的船舶伴流速度與螺旋槳的位置關(guān)系也有關(guān)，出現(xiàn)上下兩個半圓周圍速度不同的現(xiàn)象[3]。

2 ?船舶伴流與船舶駕駛關(guān)系研究

船舶伴流與船舶駕駛之間存在一定相關(guān)性，從上述部分表達(dá)式中可以看出，船舶伴流的速度可以通過船舶行駛速度經(jīng)過相應(yīng)的運(yùn)算算出，二者之間存在一個數(shù)據(jù)性關(guān)系。另外，船舶伴流也根據(jù)不同船體形狀、行駛速度等原因的不同而出現(xiàn)了幾種大致分類，船舶伴流在船體周圍的分布狀況不僅受到船行駛速度的影響，還會受到船體的材質(zhì)、形狀等因素的影響。由此可見，船舶駕駛會影響船舶伴流的速度和分類，則船舶伴流也會在一定程度上影響船舶駕駛，以下是船舶伴流對船舶駕駛的具體影響。

2.1 船舶伴流影響船舶快速性

由于在船舶行駛過程中船體與體之間產(chǎn)生一定阻力，但是船舶受到的動能大于該阻力，所以船舶可以正常行駛，船舶伴流也因此產(chǎn)生。船舶伴流的速度與船體與水體的阻力大小有關(guān)，船舶行駛中耗費(fèi)的動能越大，則說明船體受到的阻力越大，船舶伴流速度也因此逐漸變大[4]。要想船體克服水體給予的阻力以保證正常行駛，則必須加大所消耗的動能。因此，為減少船舶行駛中所耗費(fèi)的動能，減小船舶行駛受到阻力和伴流速度的影響，則需要從船體形狀、船體材質(zhì)等方面入手，最大限度地減少船體行駛中受到的阻力和水的摩擦力。例如：將船體形狀做成兩頭尖中間寬的梭形，以減少船體受到的阻力，船的制作材料盡量使用浮力好，表面光滑，受到水面摩擦力小的材質(zhì)，保障船體正常行駛的同時還能減少摩擦力的影響。

但是，船舶伴流的速度只有在船行駛速度為0時才會相應(yīng)的變?yōu)?，只要船體與水體發(fā)生相對運(yùn)動，則一定會產(chǎn)生船舶伴流速度，這表明船舶伴流速度是一直伴隨船的運(yùn)動而產(chǎn)生的。因此，要減小船舶伴流對船舶駕駛的而影響，不僅要從主觀方向做出改變，還應(yīng)該從船舶伴流本身出發(fā)，并加以利用，最大限度地減少二者之間的相互作用[5]。例如：在航運(yùn)交通中，大多數(shù)情況中需要一支船隊同時進(jìn)行運(yùn)輸，因此，可以根據(jù)船隊內(nèi)船舶的數(shù)量等時機(jī)因素減小船體受到的阻力。在船隊運(yùn)輸中，前排開路的船舶受到最大的阻力，船舶伴流從第一支船體后呈扇形向兩側(cè)分布，因此，在后排的船體受到的阻力相對較小。可以通過船隊運(yùn)輸?shù)倪@種性質(zhì)，合理排列船隊的隊形，盡可能地將阻力減到最小。同時，由于船舶頭尾兩端受到的壓力和阻力最大，因此，可以通過后排船舶前端與水流的作用力推動前排船舶行駛，也能達(dá)到一定減小阻力的效果。在船隊行駛時，將前后兩支船舶的距離縮短至最小安全距離，保障后排船舶承受最小的阻力，也能保障后排船舶能夠給前排船舶最大的推動力，從而將阻力減小到最小。

2.2 船舶伴流影響螺旋槳效應(yīng)

螺旋槳上下兩個半圓附近船舶伴流速度不同，同時，不同的伴流速度對螺旋槳的轉(zhuǎn)動也有不同程度的影響。螺旋槳盤面上半圓附近的船舶伴流速度大于下半圓的伴流速度。因此，在船舶正常向前行駛、向后倒船以及轉(zhuǎn)彎行駛時螺旋槳的作用程度不同。當(dāng)船舶正常向前行駛時，兩個螺旋槳的作用程度相當(dāng)，兩側(cè)螺旋槳產(chǎn)生的船舶伴流的速度和方向大小相等，其受到的阻力也基本相同。當(dāng)船體轉(zhuǎn)彎或發(fā)生側(cè)向運(yùn)動時，則此時螺旋槳所受到的阻力不均衡，若船體向右側(cè)轉(zhuǎn)彎，則左側(cè)螺旋槳所承受的壓力和阻力較大，左側(cè)螺旋槳周圍產(chǎn)生的船舶伴流速度大于右側(cè)，由于船舶伴流的速度大，水體給船的阻力大，則相應(yīng)的動能就大。因此發(fā)生右向轉(zhuǎn)彎的運(yùn)動，反之，若船舶向左轉(zhuǎn)彎，則右側(cè)船舶伴流的速度大，螺旋槳承受的阻力大，因此會發(fā)生左向轉(zhuǎn)彎。

螺旋槳與其周圍的船舶伴流速度也具有一定的相關(guān)性，此時的船舶伴流會給予螺旋槳一個伴流效應(yīng)橫向力，該力的大小變化受到船舶行駛速度的影響，在船舶行駛速度增大時，伴流效應(yīng)橫向力也呈逐漸增大的趨勢。因此，若不受其他因素影響，螺旋槳的伴流效應(yīng)橫向力能夠在一定程度上影響船舶的偏轉(zhuǎn)方向和位置，使其發(fā)生位置的變化，從而實(shí)現(xiàn)船舶相對于水的運(yùn)動。

2.3 船舶伴流與舵效之間存在相互關(guān)系

船所受的舵力大小受到許多因素的影響，舵葉處于船體的不同位置，其受到的壓力不同，由于船舶伴流速度大小船所受到的壓力越不同，螺旋槳的轉(zhuǎn)動也會在一定程度上影響船舵受到的壓力，并且船的行駛方向會使船舵的壓力發(fā)生較大的變化。以船舶伴流對船舵以及舵葉的影響為例，當(dāng)船舶正常向前方行駛時，會由于水體發(fā)生摩擦力以及阻力而產(chǎn)生船舶伴流，船舶伴流會影響船舶的形式速度，船體與水體摩擦產(chǎn)生的摩擦伴流呈扇形向后擴(kuò)散，此時船舶伴流中水流方向與船舶行駛方向相反，但是伴流方向與舵葉的運(yùn)動方向相同。因此，船舶伴流會對舵葉產(chǎn)生一個同向的作用力。由于舵葉的作用主要是與水體發(fā)生作用力從而達(dá)到控制船舶行駛方向，避免船舶行駛偏離航線。因此船舶伴流給予舵葉的作用力會嚴(yán)重影響舵葉辨別和控制船舶行駛方向，若此時仍然使用舵葉控制方向，則會導(dǎo)致船舶偏離航線。這種現(xiàn)象會由于船舶的提及和規(guī)模的變化而變化，大型船舶的舵葉受到伴流作用的影響較大，提及越小的船只舵葉對伴流方向的敏感程度越小。船舵受到船舶伴流的影響具體可通過以下表達(dá)式來體現(xiàn)。

（2）

（3）

以上兩個表達(dá)式中，p1、p2分別代表敞水舵和船后舵所承受的水體給予的壓力;c1、c2分別對應(yīng)表示二者的壓力系數(shù);ρ表示船舶行駛區(qū)域內(nèi)水體的密度大小;W表示船舶伴流分?jǐn)?shù)，該值隨著船舶伴流速度大小方向等因素的不同而發(fā)生變化;v3舵葉的速度與伴流速度只差，表示相對速度;S表示不同船舶所安裝配備的舵葉面積，該值在不同規(guī)模的船舶中大小可能發(fā)生變化。

3 ?結(jié)語

總之，船舶駕駛需要通過船舶的各功能部件共同作用實(shí)現(xiàn)行駛，研究船舶伴流與船舶駕駛之間的關(guān)系，就相當(dāng)于研究船舶伴流與船舶形狀、規(guī)模、船舵、螺旋槳、船隊規(guī)模等方面的關(guān)系。由于船舶伴流是伴隨船舶駕駛不會消失的影響因素，因此，若想提高船舶駕駛技術(shù)，就需要盡可能地減少船舶伴流對船舶行駛所產(chǎn)生的影響，要詳細(xì)分析船舶伴流對各部位產(chǎn)生的影響，從影響原理入手，將阻礙變成動力，從而提高船舶駕駛技術(shù)。

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