论流体力学在船舶操纵中的应用

还记得自己在学校学习操纵课时，对于什么情况下会出现船吸、船推、岸推、岸吸现象，靠的完全是自己的死记硬背，考试之前强记下，考完后脑子里又是一片浆糊了。工作以后，对这个现象还是半知不解，相信很多的航海同仁存在着和我同样的困惑。下面我就简单介绍下一个通俗易懂的方法。

记得学校里上流体力学第一节课的第一部分，老师拿两张白纸，以差不多10cm的间距，平行拿在手中，然后往两张纸中间吹气，结果两张纸就相互贴拢。解释：两张纸中间的气流速度快，两张纸中间的压强比外侧压强小，从而产生由两侧向内的压力。这就是流体力学的基本原理：流体（气流和水流）速度越快的部位，压强越小。相信大多数人都知道自来水龙头放水（水龙头出水不能太大）冲乒乓球的结果：乒乓球始终平衡在水柱的正下方；以上述原理解释就是：当乒乓球向任何一侧偏出时，另一侧（水柱中心方向）的水流相对更大、更急，偏出侧水流则小而缓；水柱中心方向压强就小，就会产生推乒乓球向水柱中心侧的压力，推动乒乓球向水柱中心移动，使得乒乓球始终平衡在水柱的正下方。

还记得船舶锚链仓污水排放系统的结构吗？在我印象中绝大多数船舶是通过消防水来提供排放动力的。如下图所示：启动消防泵后，再打开进、出水口控制阀，在单向截止阀的消防水一侧由于水流急，形成了一定的真空，产生了一定的吸力，吸开单向截止阀，进一步吸出锚链污水，跟随消防水一起排出舷外。消防水压力越大，产生的吸力就越大。这套系统的运行方式，很好的印证了上述原理：流体（气流和水流）速度越快的部位，压强越小。

   

                       

有个有趣的现象：航行中，前、后八字方向来风，驾驶台除两翼门打开外，其他门、窗都保持关闭状态，你会发现上风舷的门口在出风，而下风舷的门口则在进风。以上述原理解释就是上风舷风速大，压强小，下风舷气流则较乱，产生了涡漩，压强大，从而使得气流从下风舷门进入驾驶台内部。

“高速行进中的船舶，迎风偏转。”

相信很多人都非常熟悉这句话，这句话是指：海上正常航行的船舶，流的影响不是很大的情况下，将舵放在正舵位置，艏向会自己偏转到风的来向，即艏向去找风向。解释：风在吹过船首后，由于艏部对风的切割，在下风舷形成了回风，回风即乱流、涡流，使得下风舷的压强比上风舷大，形成推艏向上风舷的作用力；这是在船艏部风的作用力，至于船的舯艉部，风在经过艏部一段距离后相对比较顺了，作用于两舷的力的差别跟艏部的差别比起来已经是很小了，甚至可忽略不计了。还有大家更为熟悉的一种解释：即一般船舶水线以上部分通常都是后部受风面积大（大多数船生活区都位于艉部），因此产生了推艉向下风舷（即推艏迎风）的作用力。相比较两种解释或两种对作用力的分析，我认为第一种作用力（艏部作用力差）更为主要，是主要作用力。实际应用：过老铁山水道右转开往营口，北风5级，抵转向点后，将舵角放正舵位置，船就会自己慢慢右转，如果加上一定的右舵舵角，转起来会更快，所以船舶驾驶人员要根据周围通航环境选择合适的舵角，留出更大的角度空间来把定；如果是左转开往天津，叫个左舵5°，艏向可能会没反应，需要用更大的舵角才能让船艏向左转。

长江口南水道北槽航道（长江口灯船至#D11、#D12浮筒），船舶驾驶人员都非常熟悉了，但你是否熟悉这一段的操舵特性呢？通常我们都是乘涨潮顺水进口，即长兴高潮前5~6小时进槽，此时此段航路潮流是南流（流向顺时针转），深水航道走向270°，配上一定的流压角（以10°为例），艏向为280°，以10节的航速进口。流是从船的右前方来的，艏部对水流有切割，艏部左边有回流、涡流形成，形成了推艏向右的作用力。如果此时有一定的右舷来风（即北风），那风流合一形成的作用力会更大。因此，水手操舵把定某个航向需要用一定的左舵，具体舵角和船速、车速、风向、风速有很大关系：船速越快，舵效越好，把定舵角就小；车速越快，舵效越好，把定舵角就小。这就是为什么这一段航程始终需要一定的左舵舵角来把定航向，5°、10°、15°、20°甚至更大舵角都是可能的。因此驾驶人员对这一航段航向的修正宜直接叫航向，而不是舵角，比如要左转5°，如果叫左舵5，本船可能非但不左转，反而出现右转，除非你一直关注着把定舵角情况。记得刚上船那会，进出黄浦江时常听到船长问操舵水手“现在什么舵”，那不是在问当时舵的位置，而是在问需要什么样的舵角来把定航向，通常的回答是“大概左/右舵多少度”，船长会据此来决定下个转向使用什么舵角；这在黄浦江航行时是经常碰到的，因黄浦江通航环境复杂，船长专注于前方，可能根本就没时间、没精力关注航向把定情况。对于上述情况，大家会提出这样的疑问：风/流对船体的影响是整体的，不仅仅作用于艏部的；以右边来流为例，在艏部形成了推艏向右的作用力，同样在艉部也会形成推艉向右的作用力，抵消了艏部作用力的影响。对这个问题本人也困惑了很长时间，我的解释是：在艏部，由于艏部对风/流的切割使得在其下风/流侧形成了乱流、涡流，而在艉部显然不存在此种切割；中后部左右两侧的相对流速是差不多的，也可说：相对于船的前进速度，风/流作用作用于两舷的力的差别是可忽略不计的；有的只是风/流对整个船体的冲击力，形成船体向下风/流的漂移（即风流压）。

如果是漂航状态，船首向又会呈现一个怎样的状态呢？通常，是船舷迎风/流，接近正横方向，且不会和风/流向呈直角走向，根据风/流、吃水、甲板货箱及上层建筑情况不同而呈现不同夹角，但总体来说，船舷迎风/流的大趋势是肯定的。

狭水道航行各种情况分析：

① 两船同向平行航行，包括追越她船、被她船追越、驶过系泊船；各种情况如下图所示。

②  两船会遇，详见下图。

③  岸吸、岸推及推船往河道中央。“推船往河道中央”说法不准确，应该说“推船往急流侧”或者“推船向深水侧”，但通常河道中央比河道两侧水更深，水流也更急。

如上述三组图所示，归根到底，其实都是在分析本船左右两舷流速的差别，什么部位左右两舷流速差别大了，就会形成缓流侧向急流侧的推力。

根据上述图例分析，我们可以针对狭水道航行的各种情况，对本船的运动趋势做出一定的预判，并提前采取相应的措施，防止紧迫局面的发生。就两船的会遇、追越情况，她们所受的作用力是相互的、对等的，但会因两船的大小、装载情况不同而存在截然不同的反应；举例来说：我司4250TEU的新字头船航道里近距离追越一条一万吨级的小船，大船通常是毫无反应，但那小船可能需要大舵角、加车才能把定航向。因此，我们不仅要考虑自身情况，还应设身处地的为她船考虑。

 

下沉量的产生；对于下沉量的产生原因是否可以这么解释：航行时，船舶底部的水流速度相对于静止时要快多了，因此航行时船舶底部的压强相对于静止时也小了，从而使得产生的浮力也变小了，且船速越快，流速也越快，压强就减小的越多，因此下沉量也就越大；富裕水深越小，相同船速船底水流速度越快，下沉量就越大。

题外话：

现在很多家庭都有了轿车，而轿车的顶部大都是流线型的设计，而底部则是平的。按照上述理论，汽车快速行驶时，顶部的气流快速通过，压强就小，而底部会有乱流、涡流出现。从而产生向上的抬升力，导致轮胎的抓地力减小，操控性能变差，这就是为什么我们会感觉速度太快时车子会漂。这同时也解释了为什么日系车、韩系车（自重轻）高速行驶时更容易感觉漂。理论上，只要速度足够快，我们的轿车是能够飞离地面的。飞机的机翼设计也是如此，上部流线型，下面则相对较平。同理，船舶螺旋桨背面会存在高压气泡（涡流增压），在气泡破裂时会冲击桨叶表面，产生气蚀破坏桨叶表面。

总结：

在实际操纵中，不一定每次都会出现自己所预判的结果的，因为船的运动还会受到其他多种因素如富裕水深、风向、风速、船速、车速、船舶水下型形、操舵人员的技能、之前的舵令、之前本船的转头趋势等等多种因素影响的，跟船的装载状态（满载或空载，通常空载艏部艏流面积小）也有很大关系；因此，我们应综合考虑多方面条件（如风、流哪个因数的影响力更大）做出预判，万一出现了背离，可进一步分析深层次的其他因素。有了对这一基本理论的理解，大家不需要绞尽脑汁去死记硬背什么时候回出现什么现象，只需简单的综合分析下，就能想到结果，提前采取相应的预防措施或提前做好相应的应急准备，为我们的航行安全提供更多的保障。

以上是本人近二十年航海经验的总结，风/流对船体运动的影响是经过很多次验证的，但狭水道航行的各种情况少有机会实际验证，实际也就在服务于原中海集运一千箱小船时在广州伶仃航道碰到过两/三次。因此，有何不妥之处请指出，有任何不同见解欢迎来电讨论。

本文来自：上远船管第二中心

中远海运发展股份有限公司船长  俞晓刚