救生艇海錨水阻力試驗研究

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(浙江海洋學(xué)院 船舶與建筑工程學(xué)院，浙江 舟山 316000)

船員棄船登上救生艇后，應(yīng)盡可能使救生艇停留在船舶遇難處附近以待救援。在海上存在風(fēng)浪的情況下，為了減緩?fù)У钠扑俣龋ǔＰ枰獟佅潞ｅ^[1]。救生艇漂移速度主要取決于風(fēng)浪對艇作用力大小和海錨阻力大小。前者可以根據(jù)經(jīng)驗公式估算[2]，而后者目前還極少見到可用的估算方法。因此，考慮對救生艇海錨的水阻力進行試驗研究。在船模拖曳水池中，用拖車運行速度來模擬救生艇漂移速度，測量不同速度下艇用海錨的水阻力。

1 試驗設(shè)施與設(shè)備

1.1 試驗水池設(shè)施

試驗在浙江海洋學(xué)院船舶與漁具水動力實驗室進行。水池長130 m、寬6 m、水深3.5 m。拖車為無級變速，速度范圍是0～6.5 m/s，速度誤差為±1 mm/s。

1.2 試驗設(shè)備

1.2.1 海錨

遵照主管機關(guān)的規(guī)定、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[3]和國標(biāo)[4]，考慮到市場產(chǎn)品供應(yīng)情況，選用青島好兄弟船用救生用品有限公司生產(chǎn)的海錨。

海錨外觀見圖1, 規(guī)格見表1。

圖1 試驗用海

項目規(guī)格適用限定國際航行船舶檢驗標(biāo)準(zhǔn)MSC.48(66) 國際救生設(shè)備規(guī)則行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《海錨》 CB?197-83海錨規(guī)格Φ700 mm錨索規(guī)格Φ24 mm×27 m收錨索規(guī)格Φ16 mm×31 m總重量12.8×9.8 N

1.2.2 水阻力測量設(shè)備

實驗室配備的用于測試船模阻力的阻力儀價格昂貴。為了避免該儀器意外損壞，自行設(shè)計一套簡易的裝置來測量海錨水阻力，見圖2。另準(zhǔn)備10 kg砝碼4個、細(xì)繩等。

圖2 阻力測量板

2 海錨水阻力測量原理

將4個砝碼(重量記為W)，用細(xì)鋼絲繩懸掛在拖車測橋某一固定位置上。在該位置上還懸掛阻力測量刻度板，見圖3。海錨錨索通過一根細(xì)繩系在砝碼懸掛繩上。拖車勻速運動時，根據(jù)砝碼懸掛繩的傾斜角度即可換算出海錨水阻力。

圖3 海錨水阻力測量示意

2.1 角θ與φ的計算

根據(jù)圖3所示的數(shù)據(jù)關(guān)系，可得：

(1)

(2)

上面兩式中l(wèi)=77.5 cm，x1=33.7cm，而L值則根據(jù)速度大小而略有調(diào)整，范圍在80.5～95.0 cm之間。x和z1在刻度尺上讀出。于是由式(1)、(2)可以計算出角θ與φ。當(dāng)θ角較大時，為了減小計算誤差，改在右側(cè)刻度尺上讀取數(shù)據(jù)z2。因為x2也是已知的(x2=55.0 cm)，所以在式(2)中將下標(biāo)1改為下標(biāo)2，即可計算。

2.2 錨索拉力或海錨水阻力的計算

以海錨錨索與懸掛鋼絲繩的系結(jié)點為研究對象進行受力分析，可得

(3)

式中:W——砝碼總重量，N；

T——錨索拉力，即海錨阻力，N。

3 試驗測試與數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗測試

試驗時，拖車速度分別設(shè)為0.3、0.5、0.7、0.9、1.1、1.3和1.5 m/s，共7個速度檔。為了研究不同錨索長度對海錨阻力的影響，將錨索長度分別取為25、20、15和10 m共4種情況。所以，一共進行了28種工況的試驗每一種工況進行3次。

對每次試驗讀出的x和z1值(或x和z2)，由式(1)～(3)計算出海錨阻力T。在每次試驗中，T在一個范圍內(nèi)波動。所以在每次試驗時，可以讀出1～3組x值和z1值。每種工況可得到3～9組x值和z1值，平均為6組。

3.2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)測試結(jié)果，對不同錨索長度L，以速度v為橫軸、海錨阻力為縱軸，繪出散點圖，見圖4。

從圖4可以看出，當(dāng)速度從低向高變化時，海錨阻力大體上呈拋物線規(guī)律增加；當(dāng)速度較大時，海錨阻力波動范圍比較大，說明此時海錨周圍流場變化比較大。

根據(jù)數(shù)據(jù)分布情況，運用最小二乘法對數(shù)據(jù)進行擬合。擬合公式設(shè)為如下形式：

T=av2

(4)

式中:v——拖車速度，即海錨漂移速度，m/s；

a——待定系數(shù)。

經(jīng)過計算，4種錨索長度下的阻力擬合公式分別為式(5)～(8)。擬合曲線已繪在圖4中。

T=80.9v2，σ=10.78，L0=25 m

(5)

T=68.0v2，σ=9.17，L0=20 m

(6)

T=68.9v2，σ=9.86，L0=15 m

(7)

T=60.0v2，σ=6.11，L0=10 m

(8)

式中:σ——均方差;

L0——錨索長度。

總體上，錨索長度越大，阻力越大。因為錨索本身具有一定的水阻力，另外錨索長度不同對海錨姿態(tài)也會有一定影響。但本次試驗中，錨索長度為15 m和20 m時，海錨阻力基本相同。

需要說明一下，由于本試驗采用的海錨是船舶救生艇上配備的真實海錨，所以試驗布置中的各個環(huán)節(jié)都盡可能與實際相符。試驗中海錨、錨索和收錨索的姿態(tài)見圖5。

圖5 錨索、收錨索與海錨姿

當(dāng)試驗速度為0.3 m/s時，海錨底部至池底距離大約為0.3 m；當(dāng)速度為1.5 m/s時，海錨頂部距水面約0.5 m。試驗測得的錨索拉力(即海錨水阻力)，實際上包括三部分之和，即海錨本身水阻力、錨索水阻力，以及收錨索水阻力中的少部分。這也與實際情況一致。

另外，在試驗中還發(fā)現(xiàn)，海錨存在偏蕩現(xiàn)象。出現(xiàn)偏蕩現(xiàn)象說明海錨受到了二階慢漂力的作用。由于水池寬度為6 m，海錨偏蕩受到兩邊池壁的影響。試驗中觀察到，在錨索比較長時，偏蕩現(xiàn)象不明顯，而在錨索比較短時，偏蕩較明顯。受試驗水池長度限制，每個組次試驗的測試時間遠(yuǎn)小于海錨偏蕩周期，試驗中觀察到的海錨偏蕩運動不完整，無法做出全面的分析，相關(guān)數(shù)據(jù)在試驗中也未測量。

4 結(jié)束語

海錨水阻力的測定是計算救生艇漂移速度的基礎(chǔ)。其現(xiàn)實意義是救助者可以根據(jù)風(fēng)、浪、流條件估算救生艇漂離遇難船的距離與方位，便于快速施救。

受試驗條件限制，此次研究中只觀察到了海錨偏蕩現(xiàn)象，但沒有包括海錨偏蕩以及偏蕩對海錨阻力影響的完整測試，是不足之處，有待于以后改進。

[1] 黃志英.救生艇筏和救助艇操作及管理[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2008.

[2] 洪碧光,杲慶林,湯國杰.船舶操縱[M].北京：人民交通出版社，2008.

[3] CB*197—83救生艇海錨[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1983.

[4] GB/T 23302-2009船舶與海上技術(shù)救生艇筏和救助艇用海錨[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.