船舶伴流与船舶驾驶关系研究

【摘 要】船舶伴流与船舶驾驶具有较高的相关性，船舶伴流会对船舶的快速性和舵效产生影响。本文通过简单阐述船舶伴流的概念，对船舶伴流与船舶驾驶的关系进行探讨，希望能为船舶驾驶提供一些参考依据，提升我国船舶驾驶水平。

【关键词】船舶；伴流；船舶驾驶

引言

有研究表明，船舶伴流与船舶驾驶具有较高的相关性，船舶伴流会影响船舶的快速性、舵效以及船舶的操作性[1]。正确认识船舶伴流，把握船舶伴流的规律可以提升船舶的驾驶水平。因此，本文针对船舶伴流与船舶驾驶的相关性进行了一定的研究。

1 船舶伴流的概念和分布

1.1 船舶伴流的概念和种类

船舶伴流也称为附随水流，是指当船舶航行时，会出现一股随着船舶运动而运动的水流[2]。假设船舶的速度为V，那么船舶附近某点的伴流速度V1就等于船舶速度V与该点实测流速V2的差，V1=V-V2。船舶附近某点的伴流分数等于该点的伴流速度V1与船舶速度V的比值，由此可以推出，船体周围某点的流速V2=V（1-V1/V）。

船舶伴流的种类非常多，主要有以下几种：一、当船舶开动时，水质点的粘性会让水分子粘附在船舶的壳板上，外层的水分子粘附在内层的水分子上并产生摩擦，我们将这种随着船舶运动而运动的水流叫做摩擦伴流。二、受船舶形状和粘性的影响，水流从船头向船尾运动的过程中，会由势能变成动能，再由动能变成势能。受摩擦的影响，船舶尾端的势能会低于船舶前端的势能，与此同时，受船舶形状变化引起流线变化导致涡流出现，这种伴流被成为形状伴流。三、由于船舶前端和尾端的压力较高，船舶中部压力较低，会导致兴波出现，由兴波产生的伴流被称为船舶波浪伴流。

1.2 船舶伴流分布

伴流的速度受船舶的形状和船体表明的粗糙度等因素的影响，图1为伴流在水平面上的分布情况，图2为伴流在螺旋桨盘面处的分布状况。

综合图1、图2可以发现，伴流速度与船舶的距离呈正相关，越靠近船舶，伴流速度越大，反之亦然；螺旋桨盘面处上半圆和下半圆的伴流速度不同，螺旋桨盘面处上半圆的伴流速度大，螺旋桨盘面处下半圆的伴流速度小。不仅如此，船速和伴流的速度也呈正相关，船速越大，伴流速度越大；当船舶停止不动，即船速为零的时候，伴流速度为零。

2 船舶伴流与船舶驾驶的关系

2.1 船舶伴流与船舶快速性的关系

船舶伴流是由船舶的阻力产生的，两者呈正相关，在船速相同的情况下，伴流的速度越大，船舶的阻力就越大，为了维持一致的航行速度，船舶的主机需要消耗更多的油以产生更大的功率。为了降低船舶伴流对船舶行驶速度的影响，在制造船舶时，就应该要让船体呈流线型，并尽量减少船舶表面的突出物，从而让船舶的表面干净平滑。尽管我们可以采取一些措施来降低船舶伴流对船舶行驶速度的影响，但是船舶伴流是客观存在的，并不能完全消除，因此，我们还应该对船舶伴流加以利用。通过对某河流的驳船编队系数进行研究我们得到如下结论：

（1）同一队形中驳船数越多，阻力越小。在驳船行驶过程中，后排的驳船是在前排驳船产生的伴流中运动，在这种情况下，后排驳船跟水流的相对速度值较小，换言之，阻力较小。不仅如此，后排驳船船头处的高压区可以让前排驳船船尾处的低压区增高，前排驳船尾部的低压区又会让后排驳船船头处的高压区降低，这种相互作用可以降低驳船首尾的压差阻力。因此，在航道条件允许的情况下，船队应该往大型化发展。

（2）驳船数量相同时，首尾尖窄的队形阻力较小。通过调查研究发现，驳船数量相同时，顶推型船队的阻力比吊拖型船队的阻力小，也就是说，采用首尾尖窄队形的船队受到的阻力较小。为了使阻力更小，还应该让各个驳船紧密接触，减少驳与驳之间的空档，从而避免前后驳船偏转摆动。

2.2 伴流与舵效的关系

当船舶的敞水舵和船后舵以某一舵角与水作相对运动的时候，舵压力P1和P2可以用下列公式表达：P1=C1?ρV32S；P2=C2?ρV32（1-W）2S2。其中C1和C2分别表示敞水舵和船后舵的舵压力系数，ρ表示水的密度，V3表示舵叶对水的相对速度，S表示舵叶的面积，W为伴流分数。通过计算可以发现，船后舵的舵压力要小于敞水舵的舵压力，因此，当船舶滑行时，尽管船舶的对水速度较大，受船舶伴流的影响，舵叶对水的相对速度会降低很多，特别是肥大型的船舶，在这种情况下，航向难以用舵来操作。

2.3 伴流效应横向力

从图2可以发现，螺旋桨盘面处上半圆的伴流速度较大，因此，攻角会有所增加，而下半圆的伴流速度比上半圆的伴流速度小，攻角的增加度要小于上半圆的攻角增加度。通过机翼水动力特性的曲线可以发现，水动力系数会随着攻角的增加而增大[3]。综合各项数据进行计算可以发现，螺旋桨伴流效应的横向力受到螺旋桨盘面处上半圆和下半圆伴流速度的影响，当右旋的单螺旋桨船在航行的时候，伴流效应横向力会推动船尾往左边偏转，而左旋的单螺旋桨船在航行的时候，伴流效应横向力会推动船尾往右边偏转。

伴流的速度和伴流的区域与船舶航行速度呈正相关，因此，伴流效应横向力也会随着船舶速度的增加而增大。当船舶航行速度为零的时候，伴流速度为零，伴流效应横向力也为零，如果舵角为零，螺旋桨的水面效应横向力会决定船尾的偏转方向。当右旋单螺旋桨船启动的时候，船尾会往右偏，随着船速逐渐增加，伴流效应横向力会让船尾偏右的现象减弱。

3 结语

船舶伴流会影响船舶驾驶，为了安全、快速的航行，应该对船舶伴流进行有效的利用，通过一定的措施减少伴流对船舶航行的影响。只有结合实际航道的情况和船舶的情况，坚持不懈地对伴流进行探索，才能确保船舶航行安全。

参考文献：

[1]陈哲，谢世平.浅析浅水对船舶操纵的影响[J].重庆交通学院学报，2011（14）.

[2]杨亚东.船舶伴流与船舶驾驶关系的探讨[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2010（4）.

[3]张志荣，李百齐，赵峰.船舶粘性流动计算中湍流模式应用的比较[J].水动力学研究与进展，2011（15）.