[科普中国]-狭航道效应

由于航道狭窄，水与船体相对速度加大以及船体周围流场及兴波情况的等影响，使船舶航行状态和受力状况发生变化引起的效应。

概述由于航道狭窄，水与船体相对速度加大以及船体周围流场及兴波情况的等影响，使船舶航行状态和受力状况发生变化引起的效应1。

实际上有的船舶常在浅海、内河等有边界限制的航道中航行,此种航道称为限制航道，其所受阻力与在深水中航行时的阻力并不一样。

限制航道可分为：仅水深受到限制的浅水情况和深度及宽度都受限制的狭窄水道两种情况。

应该指出的是:限制航道的概念不是绝对的，实际上任何航道都有边界，这里主要视其对船舶阻力是否产生影响而定。航道对阻力的影响主要取决于航道的深度、宽度和船的尺度及航速之间的相对情况。在航速很低时，航道对阻力不产生影响，因而可作深水航道情况处理。而在船速较高时，航道对船的阻力的影响可能相当显著,因而必须考虑限制航道问题。

在当前对船速要求不断提高的情况下，原来可视作深水的航道也会有找水的影响,所以浅水问题将日益重要。

船舶在狭水道和浅水中航行时的主要差别表征参数描述狭航道受限制的程度常采用下列参数：水深吃水比h/T,相对宽度b/B（或b/L）和断面系数F/Am，这里b为狭水道的宽度，h 为狭水道的深度；B、L、T分别为船宽、船长和吃水；F 为狭水道剖面面积，Am 为船中横剖面面积。

回流和兴波情况船在狭水道中航行时,不仅回流速度较浅水时有明显变化，且由于侧璧的存在导致散波反射，因而与船体波系相互叠加，使兴波阻力发生变化。

阻力曲线的特点船在狭水道中阻力曲线的特点是在 附近存在一个临界区，在这个区域内阻力值有极为明显的增加；而临界区的范围与狭水道的宽度、船型有关。在相同情况下，若狭水道的宽度增加，临界区域变窄；当趋于无限宽时，则仅在临界速度时最高，也就是一般浅水问题，所以浅水可以看作是狭水道的特例。由于船在狭水道中高速航行，特别是在临界区航行时，不但阻力很大，而且由于波浪的冲刷可能损毁堤岸，破坏河床，所以在狭水道中航行的船大多为低速船，极少有接近或超过临界速度的。

船舶在狭水道中运动时的特点解释船舶在狭水道中运动时的一般特点和近似确定临界速度值的最简单的方法是把问题简化为一维的问题并应用运动转换原理，如图所示。为了方便起见，我们研究在横截面不变的矩形水道中绕静止船舶的流动问题，并假定船体横剖面沿船长变化不大,船体无纵倾以及沿船长方向的水面下降相等。此外认为船的傅汝德数Fr较小，可忽略兴波对水面变形的影响，基于这样的处理方法，则由连续方程得:

式中vm为水流船体间的相对速度， 为水面下降值,根据伯努利方程得:

通过上式可得到船舶所在区域内的水面下降值

有上面三式得

式中： ; 称为阻塞系数。

对终式分析表明，当参数m为常数时，如 给定的话，上式为关于 的三次方程式。右图为m--0.1时此方程的解，从方程式的数字解来说，对应一个 值，速度 可能有两个值，但是从物理意义和试验结果分析表明，虚线部分仅是数字解，而只有实线所对应的值才是实际存在的解。在狭水道中不同速度区域图中 的速度区域内(A、B两点之间)存在临界区域。A、B两点对应的速度U、以分别称为第一临界速度和第二临界速度。所以船在狭水道中航行时，就速度的不同可划分为如下三个不同区域：

（1）亚临界速度区域：即在 范围内。在这个区域内,由狭水道中不同速度区域图知， 说明水与船体的相对速度 大于船速 ，因而有 ，这里 就是回流速度。在狭水道的回流速度较线水情况为大，所以摩擦阻力有较大的增加；同时回流速度的增大使狭水道中沿船体纵向压降增大，由于压降的增大，不但可能引起边界层分离，且使兴波的波幅较浅水情况要大。试验表明,在较低速时，所增加的阻力主要是粘性阻力。但当 时,则主要是兴被阻力增加所造成，特别是当船速接近第一临界速度时，独波以船舶相同的速度一起前进,船体兴波阻力急剧增加。

此外,由于回流速度比浅水时大,故相应带来的压力降低程度比浅水时大,从而使船体下沉和尾倾比浅水时大,以致可能会出现船底与河底相擅的危险。特别是在航速较高时,不但这种危险性增大,而且船体阻力增加很大。兴波对航道的破坏作用相当明显,为此一般在狭水道中航行的船舶,其航速都受到一定限制,要求 。

（2）临界速度区城：即在 范围内。在这个速度区域内船体周围的流动既复杂又不稳定。当航速超过第一临界速度 值之后，船体阻力的增大情况变得较为缓慢，直至达到第二临界速度 值,此时阻力达到最大值。总的来看，在整个临界速度区域内，由于流态不稳定,船的浮态亦很不稳定。

（3）超临界速度区域：即在 范围内。在这个速度区城内，情况与亚临界区域相反,由于 ，即 ，说明出现了负的回流速度，船体与水的相对速度小于船速。此时不但摩擦阻力较深水情况为小,且横波已跟不上船速，在船体附近仅剩下扩散逐渐缩小的散波,因而在该区城内的阻力反而骤然下降。在超临界速度范围内由于水与船体相对速度减小,所以水面升高,船体正浮，纵倾角也较临界速度区减小。

本词条内容贡献者为:

李雪梅 - 副教授 - 西南大学