一种船舶弯道航行中流压差角的确定方法与流程

文档序号:13364194阅读:2744来源:国知局

本发明涉及弯道航行技术领域,尤其涉及一种船舶弯道航行中的流压差角的确定方法。



背景技术:

弯曲河道与顺直河道相比,河槽水势复杂。由于受到惯性离心力的作用,弯道除了有纵向流速以外,还存在面流流向凹岸,底流流向凸岸的横向环流。由于受到环流的影响,船舶很容易偏离计划航线而触岸,产生危险,因此有必要研究船舶在弯道内的安全。

众所周知,弯道环流随着水深的增加,环流的流向和流速都在变化,因此,对于吃水不同的船舶而言,弯道环流对其操纵性的影响是大不一样的。国内也文献结合弯道环流研究过船舶顶流过弯、顺流过弯是靠近凸岸还是凹岸航行比较安全,虽然这一研究成果对船舶航行具有一定的指导意义,但究竟保持船岸距离多少比较合适,文献没有交代。事实上,在弯道内,只要始终保持船舶的航迹线在航道轴线附近,就能确保船舶不会偏离安全航线太远。而确保船舶航迹线始终在航道轴线附近的关键是选择合理的流压差角,并在操纵船舶过程中应保持一定的流压差角,以便让船舶始终航行在计划航线上。所谓流压差角,指的是在无风影响下,船舶船首尾向与航迹向之间的夹角。即船舶在弯道,只要流压差角选择恰当,船舶安全保障性就大为提高。然而关于船舶弯道航行流压差角研究,国内涉足较少,因此有必要围绕船舶通航安全去研究船舶弯道航行流压差角问题。

因此,目前亟需一种能够确定弯道航行中流压差角的方法。



技术实现要素:

本发明所要解决的技术问题在于,提供一种弯道航行中流压差角确定方法,其能够根据弯道参数和船舶参数确定出船舶行驶在弯道时的合适的流压差角,从而提高船舶安全保障性。

为了解决上述技术问题,本发明提供了一种船舶弯道航行中流压差角的确定方法,包括步骤:

分别获取弯道参数和船舶参数,所述弯道参数包括弯道水深h、弯道纵向流速u和弯道曲率半径r,所述船舶参数包括船舶船速v和船舶吃水d;

根据所述弯道参数和所述船舶参数计算所述流压差角β,所述流压差角β的计算公式为:

其中,根据所述弯道参数和所述船舶参数计算所述流压差角β的步骤,具体包括步骤:

根据所述弯道纵向流速u计算弯道横向流速ur;

分别根据船舶船速v和所述弯道横向流速ur计算作用在船舶上的平均弯道环流流速ud;

根据所述平均弯道环流流速ud计算流压差角,所述流压差角的计算公式为:

其中,所述根据所述弯道航向流速ur计算作用在船舶上的平均弯道环流流速ud的步骤,具体包括步骤:

获取所述弯道航向流速ur沿船舶首尾面方向的弯道环流分量us,其计算公式为:us=urcosβ;

根据所述弯道环流分量us计算所述平均弯道环流流速ud,其计算公式为:

其中,所述根据所述船舶船速v计算所述平均弯道环流流速ud的计算公式为:ud=vsinβ。

其中,所述弯道横向流速ur的计算公式为:

其中,y为相对水深。

进一步地,所述船舶弯道航行中流压差角的确定方法还包括步骤:

根据所述流压差角计算弯曲航道船舶得航迹带宽度bs,其计算公式为:

bs=ltgβ+b/2,其中,l为船长,b为船宽。

进一步地,所述船舶弯道航行中流压差角的确定方法还包括步骤:

判断所述流压差角值是否为正值,若是,则判定当前是顶流过弯,则调整船舶首尾位置,使得船尾在航道轴线附近且靠近凸岸一侧航行,而船头向凹岸扬起且保持适当的流压差角航行;否者,判定当前为顺流过弯,则调整船舶首位位置,使得船尾摆在航道中线附近,船首朝向凸岸扬起保持适当的流压差角航行。

有益效果

本发明的流压差角确定方法通过分别获取弯道参数和船舶参数,从而计算船舶在弯道航行时的流压差角,从而可根据该流压差角来指导航行,使得船舶的航迹线始终保持在航道轴线附近,以确保船舶不会偏离安全航线太远,即让船舶始终航行在计划航线上,进而提高了船舶安全保障性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种船舶弯道航行中流压差角的确定方法的一实施例的流程图;

图2a为水面横比降所引起的水柱两侧的压力差δp和水柱因曲线运动所形成的惯性离心力f沿垂线的分布示意图;

图2b为图2a中惯性离心力f与压力差δp共同作用所形成的合力矩的示意图;

图2c为在图2b中合力矩的作用下形成的横向环流的示意图;

图3为图1中步骤s103的一具体实施例的流程图;

图4为船舶弯道航行中过弯示意图;

图5为本发明一种船舶弯道航行中流压差角的确定方法的又一实施例的流程图;

图6为一种船舶弯道航行中流压差角的确定方法的再一实施例的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。

实施例一

参见图1,为本发明的一种船舶弯道航行流压差角确定方法的一实施例的流程图,具体地,本实施例中该流压差角确定方法包括步骤:

s101,分别获取弯道参数和船舶参数。

在一具体实施例中,该弯道参数包括弯道水深h、弯道纵向流速u和弯道曲率半径r,船舶参数包括船舶船速v和船舶吃水d。

s103,根据所获取的弯道参数和船舶参数计算流压差角。

在一具体实施例中,该步骤s103具体包括步骤:

s301,根据该弯道纵向流速u计算弯道横向流速ur。

在一具体实施例中,取高度为h的单位底面积水柱进行分析。参见图2a,为水面横比降所引起的水柱两侧的压力差δp和水柱因曲线运动所形成的惯性离心力f沿垂线的分布情况。由于水柱两侧压强差γjy(γ为水的容重,jy为弯道水流横比降)沿水深分布为常数,单位体积水体的惯性离心力ρu2/r(ρ为水的密度,u为水柱某一高度处水流的纵向流速,r为弯道曲率半径)沿水深分布与纵向流速的垂线分布相似。因此,在惯性离心力f与压力差δp共同作用所形成的合力矩的作用下,上层水体流向凹岸,下层水体流向凸岸,从而形成了横向环流,其中,惯性离心力f与压力差δp共同作用所形成的合力矩如图2b所示,而横向环流ur的形态如图2c所示。因此,通过分析弯道单位水体的受力,结合水流运动控制方程,可得到弯道横向流速公式为:

其中,u为弯道纵向平均流速;h为弯道水深;y为相对水深(这里的水深起算点是从河底开始);r为弯道曲率。

s303,根据该船舶船速v和弯道横向流速ur计算作用在船舶上的平均弯道环流流速ud。

参见图4,为模拟船舶过弯运动的示意图(令沿船舶首尾面为x轴方向,垂直船舶首尾面方向为y轴,水深方向为z轴),其中虚线为拟定的船舶航迹带,也即是弯道的航道轴线。由于自然弯曲航道形状不规则,从而导致弯道流态及其复杂,因此,为了建立流压差角的数学模型,可将弯道看成是规则圆弧的一部分;将船舶运动当成定常运动,即船舶速度、流速均与时间无关,即船舶始终航行在拟定的安全航线上,且船舶轨迹线与航道轴线重叠;不考虑风对船舶运动的影响,将弯道环流始终看成是沿着弯道的径向运动。

对于船舶运动而言,弯道环流分量us是推动船舶横向移动的主要因素,但其同时也是船舶前进中产生流压差角的源动力。但随着水深的变化,弯道横向流速ur也是变化的,并且由于弯道横流的面流和底流的流向相反,因此对于不同吃水的船舶,作用在船体上的平均横流流速是不一样的,而作用在船体上的平均横流流速也是导致船舶产生流压差角的关键参数。因此,在一具体实施例中,在计算平均横流流速ud之前,先将横向流速ur沿着船首尾面方向(即x轴方向)和垂直船首尾面方向(即y轴方向)进行分解,则垂直船舶首尾面方向的弯道环流分量us为:

us=urcosβ(2)

对于吃水为d的船舶,进而根据上述弯道环流分量us计算作用在船舶垂直方向的平均弯道环流流速ud,其计算公式为:

其中:ud为作用在船舶上的沿着船舶垂直方向的平均弯道环流流速。结合上述公式(1),将公式(3)进行积分可得:

由公式(4)可以看出,作用在船舶垂向上的平均流速与弯道的曲率、弯道平均纵向流速、弯道水深、船舶吃水和流压差角密切相关。因此,进而可根据该平均流速求取流压差角。

另外,从图4中还可看出,作用在船舶上的沿着船舶垂直方向的平均弯道环流流速ud还与流压差角β和船舶船速v有关,因此,可根据船舶船速计算该平均环流流速ud,即:

ud=vsinβ(5)。

s305,根据上述的平均环流流速ud计算流压差角。

在一具体实施例中,有上述公式(3)和(4)可知:

从而结合上述公式(5)可得到:

进而,得到该流压差角β的计算公式为:

由此可知,航行中该流压差角与船速v、船舶吃水d、弯道水深h、弯道纵向流速u、弯道曲率半径r等因素密切相关,只要确定了以上因素,船舶的流压差角就基本确定,从而对船舶航行和航道尺度的确定都有一定的指导意义。

实施例二

本发明还提供了一种船舶弯道航行中流压差角的确定方法,参见图5为本发明的该流压差角的确定方法的又一实施例的流程图,具体地,本实施例中流压差角的确定方法包括上述实施例一中的各个步骤,不同是,本实施例中的流压差角确定方法还包括步骤:

根据计算得到的流压差角计算弯道船舶航迹带宽度,其计算公式为:

bs=ltgβ+b/2(8)

其中,l为船长,b为船宽。

参见图4,由于弯道船舶的航迹带宽度与流压差角密切相关,即弯曲航道船舶的航迹带宽度bs,从而当确定了流压差角后,即可更加该流压差角来确定航迹带宽度,进而便于确定航道宽度和设计航道浮标。

实施例三

基于上述的流压差角确定方法,本发明还提供了一种流压差角确定方法。由流压差角计算公式,即上述实施例一中公式(7)可以看出,当船舶沿航迹带前进的速度v越大,船舶的流压差角越小,船舶的保向性越好,这与船舶操纵教材中的结论一致。但为了安全起见,船舶过弯也不宜速度太快。下面结合各个参数来进行详细分析。

参见表1是按照公式(7)计算得出的当船速为10kn时,不同参数变量下应保持的流压差角。

表1计算所得的流压差角(v=10kn)

由上表1可知,在其他变量不变时,当弯道曲率半径越小,船舶航行在拟定航线上所需要的流压差角越大;在弯道通航条件不变时,吃水越小,船舶航行在拟定航线上所需要的流压差角越大;当弯道曲率半径和船舶吃水不变时,弯道的水深越大,船舶航行在拟定航线上所需要的流压差角也越大。

也即是说,船舶过弯道时,当确定船舶当前的流压差角后,应科学运用该流压差角,以确保船舶航行在安全的计划航线上,因此,本发明还提供了一种流压差角的确定方法,参见图6,本实施例中流压差角的确定方法包括上述实施例一中的各个步骤,不同是,本实施例中的流压差角确定方法还包括步骤:

s601,判断步骤s103中计算得到的流压差角值为正值或负值,若是正值,则执行步骤s603,若为负值,执行步骤s605。

由流压差角计算公式(7)可知,当船舶顶流过弯时,由于u和v的方向不同,因此计算得到的流压差角为负值,而当船舶顺流过弯时,刚好与顶流航行时相反,计算得到的流压差角为正值,因此,可根据当前计算得到流压差角的正负来判断船舶当前是顶流还是顺流过弯,从而根据判定结果作出下一步操作。

s603,判定当前是顶流过弯,则调整船舶首尾位置,使得船尾在航道轴线附近且靠近凸岸一侧航行,而船头向凹岸扬起且保持该流压差角航行。

当顶流过弯时,只有将船尾摆在航道轴线(参见图4中的虚线)附近靠近凸岸一侧航行,船头向凹岸扬起且保持该流压差角(即实施例一中公式(7)计算得到的流压差角)航行,这样弯道环流推船向凹岸的偏移量才能够刚好可保持船航行在航道轴线上。

s605,判定为顺流过弯,则调整船舶首尾位置,使得船尾摆在航道轴线(参见图4中的虚线)附近,船首朝向凸岸扬起保持该流压差角(即实施例一中公式(7)计算得到的流压差角)航行。

当顺流过弯时,只有将船尾摆在航道轴线附近,船首朝向凸岸扬一流压差角航行,才能够保证船舶航行在航道轴线附近。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已,当然不能以此来限定本发明之权利范围,本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程,并依本发明权利要求所作的等同变化,仍属于发明所涵盖的范围。

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