Гидродинамическое взаимодействие судов

20 сентября 1911 г. четырехтрубный пассажирский лайнер „Олимпик", однотипный с известным „Титаником", проходил по фарватеру из пор­та Саутгемптон (Англия) к острову Уайт, совершая очередной рейс через Ат­лантику в Америку. Ничто не предвещало каких-либо происшествий, коман­да лайнера во главе с капитаном находилась на своих местах по расписанию, предусмотренному требованиями при прохождении узкостей.

Около полудня за кормой лайнера на расстоянии 3,5 миль был замечен двухтрубный крейсер „Хаук", который следовал тем же курсом со ско­ростью 15 уз. Скорость пассажирского лайнера в это время составляла 14 уз. Кильватерная струя за кормой „Олимпика" была идеально прямой при курсовом угле судна около 79°. Обгоняющий крейсер медленно прибли­жался к лайнеру практически на параллельном курсе.

В тот момент, когда носовая оконечность крейсера вышла на траверз кормы ,,0лимпика", расстояние между бортами судов составляло около 100 м. Внезапно крейсер резко развернуло влево, через несколько секунд его нос скрылся под кормовым развалом лайнера и корабли столкнулись. Оба капитана немедленно отдали команду задраигь водонепроницаемые двери и определить размеры повреждений. В правом борту т/х „Олимпик" примерно в 25 м от кормы оказалась пробоина размером около 14 м2. Крейсер „Хаук" пострадал больше. Его длинный нос с выступающим форштевнем свернуло набок, часть обшивки сорвало.

Через два месяца после аварии судоходная компания „Уайт стар лайн" обвинила командира крейсера командора Бланта в том, что его корабль та­ранил пассажирский лайнер. Адвокаты компании на суде предъявили ему обвинение в том, что в момент обгона крейсер значительно превысил допу­стимую скорость, а командор Блант осуществил ошибочный поворот влево в сторону кормы „Олимпика". Однако командир крейсера и находившиеся на ходовом мостике члены экипажа показали, что при выходе носовой око­нечности крейсера на траверз кормы лайнера крейсер внезапно развернуло влево и, несмотря на экстренную перекладку рулей вправо на 15—20°, крей­сер столкнулся с лайнером. Перед столкновением правая машина крейсера была остановлена, а левая запущена на ,,полный вперед"; этим командир пытался увеличить момент от действия руля, используя эффект работы греб­ных винтов в режиме „враздрай". Тем не менее принятые меры не помогли избежать столкновения. Эта авария привлекла внимание судоводителей и кораблестроителей своей необычностью, поскольку самопроизвольный разворот крейсера не находил убедительного объяснения. Экспертами было высказано мнение, что на суда при траверзном расстоянии 100-150 м подействовали внешние силы, обусловленные гидродинамическим взаимодействием полей давлений, со­здаваемых судовыми корпусами на ходу.

Так, впервые было зафиксировано явление гидродинамического взаимо­действия судов при обгоне, которое затем стало называться явлением взаим­ного присасывания или притяжения.

В 1913 г. в Институте кораблестроительной архитектуры Великобритании профессора Гибсон и Томсон смоделировали данную аварию путем испытаний паровой яхты длиной 28 м, массой 96 т и 2,6-тонного катера длиной 9 м. Катер имитировал роль крейсера ,,Хаук" во время аварии. Оказалось, что крейсер мог стать жертвой гидродинамических сил присасывания, если разность в ско­ростях обоих судов составляла 10 %. Отметим, что по точно установленным дан­ным скорость „Олимпика" в момент аварии равнялась 15 уз, а крейсера — 16 уз.

Данные опытов Гибсона и Томсона позволили установить, что в момент обгона на крейсер могли подействовать непреодолимые гидродинамические силы, обусловленные взаимодействием корпусов при траверзном расстоянии около 1 кбт. По мнению Гибсона и Томсона, эффект присасываний мог иметь место и при траверзной дистанции до 370—400 м.

Следует заметить, что лайнер „Олимпик" и крейсер „Хаук" (водоизме­щением 46329 и 7350 т соответственно) практически двигались на мелко­водье из-за ограниченной глубины фарватера Саутгемптонского рейда. Выводы, полученные Гибсоном и Томсоном, позднее были подтверждены опытами профессора Байлса в Национальной физической лаборатории Вели­кобритании. В результате этих опытов было установлено, что крейсер „Хаук" мог быть притянутым к лайнеру, причем рули крейсера действитель­но оказались неэффективными, а машины бессильными.

Подобная авария произошла во время второй мировой войны 2 октября 1942 г., когда крейсер „Кюрасао" вел флотилию из шести эсминцев, охраняв­ших переход из Америки в Англию огромного пассажирского лайнера „Куин Мери" (вместимость 81 235 per. т, длина 314м, скорость до 30 уз). Крейсер „Кюрасао" имел водоизмещение 4290 т при длине корпуса 137 м. Лайнер „Куин Мери" с 15 000 американских солдат на борту следовал со скоростью около 28 уз в составе конвоя.

Вблизи берегов Англии сложилась ситуация, при которой крейсер на ско­рости 25 уз оказался впереди лайнера, догонявшего его с относительной ско­ростью 3,5 уз. Когда расстояние между судами составляло 2—3 кбт, крейсер неожиданно развернуло поперек курса лайнера. Через несколько секунд „Куин Мери" ударил „Кюрасао" в левый борт, расколол его пополам и, не снижая хода, проследовал далее, поскольку в составе конвоя нельзя останавливаться для спасения уцелевших.

Интересно отметить, что в обоих случаях столкнувшиеся суда двигались примерно параллельными курсами на одинаковых скоростях в условиях обгона, причем их размеры отличались в 3—4 раза. При этом меньшие по раз­мерам суда в момент самопроизвольного зарыскивания находились на кор­мовой или носовой раковинах судов, больших по размерам (лайнеров). Тщательное изучение обстоятельств рассмотренных аварий показывает, что они произошли в условиях, когда в той или иной мере проявилось явление гидродинамического взаимодействия судов (точнее их полей давлений).

Разбор подобных случаев всегда связан с некоторой неопределенностью, так как экипажи судов и судовладельцы в коммерческих интересах часто скрывают или заведомо искажают обстоятельства столкновений с целью уменьшения убытков в процессе судебных разбирательств. Тем не менее объективные причины таких случаев все-таки становятся со временем извест­ными. В частности, в обоих рассмотренных авариях явление гидродинамиче­ского взаимодействия безусловно имело место.

Начиная с начала века и кончая последними годами, в морском и речном мировых флотах зафиксировано значительное количество столкновений су­дов при обгонах и встречах на малых траверзных расстояниях, когда явление гидродинамического взаимодействия корпусов проявлялось в полной мере.

По данным анализа аварийных происшествий с судами ММФ СССР и МРХ СССР [21] установлено, что при столкновениях и навалах примерно в 10 % случаев проявлялось явление гидродинамического взаимодействия кор­пусов при встречном расхождении и в 17% случаев -при обгоне. Наибольшее количество аварий подобного рода приходится на водные акватории с интен­сивным движением при заметном влиянии мелководья или откосов каналов.

Следует отметить, что при движении судов по фарватерам и каналам (за­крытого или открытого профиля) встречным столкновениям судов часто со­путствует так называемое явление отрыскивания от мели или от бровки откоса канала, которое вызывается несимметричностью полей давлений с правого и левого бортов судна при его смещении с оси судового хода и приближении к одному из откосов канала или фарватера. Из-за этого явления, как показывает анализ опыта морской практики [21], в 15 % случаев происходит по­садка судов на грунт.

Приведенные примеры свидетельствуют о том, что изучение явлений, связанных с гидродинамическим взаимодействием судов при обгонном и встречном движениях, представляет значительный практический интерес. При этом должны решаться четыре основные задачи:

изучение физики явления, характер которого весьма сложен;

создание инженерных способов расчета гидродинамических сил и момен­тов взаимодействия в зависимости от размеров судов, их скоростей, кинема­тических характеристик движения и навигационных условий;

разработка требований к безопасным режимам встречных расхождений и обгонов, а также к средствам управления судов;

обоснование рекомендаций судоводителям по управлению судном в ус­ловиях гидродинамического контакта.

Одной из опаснейших навигационных ситуаций является расхож­дение судов на небольших траверзных расстояниях. В этом случае на их корпусы могут воздействовать дополнительные внешние силы, обусловленные гидродинамическим воздействием корпусов. В резуль­тате действия этих сил суда могут потерять управляемость и может воз­никать аварийная ситуация, при которой происходят столкновения судов.

Морская практика зарегистрировала достаточно большое коли­чество столкновений, которые произошли в результате гидродинамиче­ского взаимодействия судовых корпусов

В зависимости от сочетания различных факторов и взаимного по­ложения судов возникающие при гидродинамическом контакте на кор­пусах судов поперечные силы У_г и моменты М_г могут менять свой знак и может происходить не только «притяжение», но и «расталкивание» судов. Поперечная сила Уг положительна по знаку, если она направ­лена в сторону борта встречного или обгоняемого судна. Момент зарыскивания Мг считается положительным по знаку, если он стремится развернуть носовую оконечность рассматриваемого судна в сторону борта встречного или обгоняемого судна.

Физическая сущность явления гидродинамического взаимодейст­вия двух судовых корпусов (рис. 10.11) принципиально может быть изложена следующим образом.

Из гидромеханики известно, что в идеальной жидкости вдоль ли­нии потока выполняется закон сохранения энергии, который записы­вается в виде известного уравнения Бернулли.

,

где - давление в произвольной точке линии тока;

  - плотность воды.

Предположим, что два одинаковых судна движутся в идеальной (невязкой) жидкости параллельно с одинаковой скоростью при рас­стоянии между бортами (см. рис. 10.11). Этот случай равносилен гид­ромеханически случаю обращенного движения, когда оба судна не­подвижны, а на них набегает однородный поток жидкости, имеющий на бесконечном удалении от судов скорость Vp.

Применим уравнение Бернулли к линиям потока жидкости, обте­кающим корпус рассматриваемого судна 1. Для линии тока АВ:

Поскольку корпус судна обладает определенными размерами, а жидкость неразрывна, то скорости частиц жидкости в точке С вблизи борта судна будут больше, чем в точке Л на удалении от судна. Таким образом, в точке С давление будет понижено по сравнению с давлени­ем на удалении от судна, т.е. возникает разрежение.

В точке потока В, расположенной на стороне борта судна, обра­щенного к судну-партнеру 2, поток жидкости имеет скорость ив, ко­торая больше скорости Uc, поскольку между корпусами судов поток поднимается. Следовательно, разрежение со стороны борта, обращенно­го к судну-партнеру, будет еще большим. За счет (перепада давления ^? внешнем и внутреннем боргах на корпус судна будет действовать по­перечная гидродинамическая сила присасывания.

Рис. 10.1 Возникновение сил приса­сывания при обтекании двух судовых корпусов однородным потоком жид­кости

В случае, если корпус судна обладает заметной несимметрией относительно миделя, то поперечная сила присасывания Уг может быть приложена на некото­ром отстоянии от центра тяжести, так что на корпус судна будет дей­ствовать момент зарыскивания Мг определенного знака.

Качественная картина гидродинамического взаимодействия двух одинаковых судов при обгоне (рис. 10.12, а) следующая. Из судовой гидромеханики известно, что при движении судна давление в его но­совой оконечности повышено (на рисунке помечено двумя знаками «4-») по сравнению с давлением в кормовой оконечности (один «+»). В средней части давление понижено (два знака «—»).

При подходе носовой оконечности обгоняющего судна / к корме обгоняемого судна 2 за счет разности давлений в оконечностях судов на обгоняющее судно 1 действует поперечная сила присасывания, ко­торая создает гидродинамический момент, стремящийся развернуть нос обгоняющего судна в сторону обгоняемого судна. На обгоняемое судно в этот момент действует также сила присасывания, которая приложе­на к корме и стремится развернуть корму обгоняемого судна 2 в сто­рону борта обгоняющего судна Л

После того как мидель обгоняющего судна проходит траверз миделя обгоняемого судна (рис. 10.12,6), направление действия момен­тов на суда изменяется, а направление поперечных сил сохраняется.

При встречном движении (рис. 10.13) в начальный момент при выходе носовых оконечностей на общий траверз зоны повышенного давления обоих судов взаимодействуют одна с другой (рис. 10.13, а), в результате чего на суда действуют поперечные расталкивающие си­лы Уг<0 и моменты зарыскивания, стремящиеся отбросить носовые оконечности судов друг от друга, т. е. Л1г-<0. По мере дальнейшего сближения судов (рис. 10.13,6) носовая зона повышенного давления судна / взаимодействует с зоной пониженного давления средней части корпуса судна 2. В результате на суда действуют силы присасывания Уг>0 и моменты зарыскивания Мг>0, стремящиеся развернуть судно носовыми оконечностями в сторону друг друга. После того как мидель судна проходит траверз миделя судна 2, картина вновь меняется, поскольку взаимодействуют зоны повышенного давления в кормовой оконечности судна 1 с зоной пониженного давления в средней части судна 2 (рис. 10.13, в). В этот момент на суда действуют силы приса­сывания Уг>0, создающие моменты, которые стремятся сблизить кор­мовые оконечности. При выходе кормы судна на траверз кормы суд­на 2 будут взаимодействовать зоны повышенного давления кормовых оконечностей. В результате на кормовые оконечности судов будут действовать расталкивающие силы Уг<0, а гидродинамические мо­менты будут стремиться отбросить кормовые оконечности друг от друга.

Таким образом, в процессе встреч и обгонов судов характер дей­ствия гидродинамических усилий непрерывно изменяется, что влечет за собой соответствующие трудности в управлении судами. Необходи­мо подчеркнуть, что рассмотренная качественная картина гидродина­мического взаимодействия судов является сугубо схематичной. В ре­альных условиях взаимодействие судов может иметь еще более слож­ный характер, что объясняется взаимодействием волновых систем рас­ходящихся судов, наличием углов дрейфа, влиянием ограничений фарватера по глубине и ширине и т. д. В последнее десятилетие вопрос о гидродинамическом взаимодействии судов изучен достаточно полно для скоростей хода, соответствующих числам Фруда, при которых волнообразование, создаваемое судовым корпусом, незначительно (Fr<0,25).

Поэтому в целях обеспечения безопасности транспортных судов при расхождении рекомендуется снижать скорость хода.

Случай обгона одного судна другим является более опасным, чем встречное расхождение при прочих равных условиях, так как гидро­динамические силы и моменты, возникающие на корпусе судна при об­гоне, значительно больше. При практически равных расстояниях меж­ду бортам и судов при обгоне и встречном расхождении на одних и тех же скоростях максимальные значения коэффициентов Су и Cm, (a, следовательно, сами силы и моменты) при обгоне в 2—7 раз больше.

В случае обгона максимальные значения коэффициентов Су и Сун положительны, и воздействие гидродинамических усилий на суда наиболее опасно, так как максимальная поперечная сила стремится сблизить корпусы судов, а момент разворачивает носовую оконеч­ность обгоняющего судна в сторону обгоняемого судна.

При встречном расхождении поперечные силы в большинстве слу­чаев оказываются отрицательными (т. е. отталкивают одно судно от другого), а максимальный по абсолютной величине момент, как пра­вило, отрицателен, т. е. наблюдается отталкивание одного судна от другого.

Натурные испытания показали, что в случае обгона, особенно на малых глубинах, суда неоднократно наваливались друг на друга, не­смотря на действия судоводителей даже при довольно значительных траверзных расстояниях между судами (при траверзных расстояниях от 2 до 5 ширин меньшего судна).

Влияние мелководья на увеличение гидродинамического момента показано на рис. 10.14.

При встречных расхождениях на различных глубинах, с разными скоростями движения и при траверзных расстояниях от 0,75 до одной ширины меньшего судна не наблюдались случаи, когда гидродинами­ческие усилия создавали аварийную ситуацию. Практически в процес­се встречных расхождении силы и моменты не препятствуют безопас­ной проводке судов в отличие от случаев обгона.

В подавляющем большинстве случаев момент гидродинамических сил, возникающих при обгоне одного судна другим, достигает макси­мального значения, когда мидель обгоняющего судна находится при­мерно на траверзе кормы обгоняемого. При этом момент стремится развернуть обгоняющее судно в сторону обгоняемого, а момент, дей­ствующий на обгоняемое судно, стремится развернуть его кормовую оконечность в сторону обгоняющего.

При встречном расхождении до того, как мидели судов выйдут на траверз, действующий момент стремится отвернуть носовые оконеч­ности друг от друга. В дальнейшем наблюдается отбрасывание кормо­вых оконечностей судов. В некоторых случаях наблюдается взаимное притяжение кормовых оконечностей.

При движении на мелководье наблюдается значительный рост гидродинамических сил и моментов с увеличением скорости при относительном расстоянии m между центрами тяжести судов от 0.6 до 1,2. В положении от 0,7 до 1,0 (наиболее опасном по значениям дейст­вующих моментов) наблюдается резкое возрастание коэффициентов Су и Cm с повышением скорости.

Наиболее опасным является случай обгона на скоростях, близких к критическим на мелководье . При обгоне на глубокой воде и на мелководье силы и моменты практически не влияют на дви­жение судов, когда расстояние между бортами составляет более 6 ши­рин меньшего судна.

При встречном расхождении влиянием гидродинамических усилий на корпусы судов как на глубокой воде, так и на мелководье, можно пренебрегать, когда расстояние между бортами составляет более 2,5 ширин меньшего судна.

В период натурных испытаний было установлено, что при обгоне одного судна другим маневрирование рулем должно осуществляться очень осторожно. Наблюдались случаи, когда при зарыскивании об­гоняющего судна в сторону обгоняемого предельная перекладка руле­вых органов на противоположный борт не давала положительного эф­фекта, вследствие того, что при полной перекладке руля на борт судно получало значительное обратное смещение, из-за чего воздействие до­полнительных гидродинамических усилий на корпус возрастало.

При обгоне маневрирование рулем на обгоняющем судне следует начинать тогда, когда его носовая конечность еще не поравнялась с кормой обгоняемого судна. В положении, когда относительное рассто­яние между центрами судов m≈2, необходимо начинать плавную пе­рекладку руля на внешний борт, увеличивая угол перекладки руля так, чтобы наибольший момент рулевых сил действовал на обгоняю­щее судно при m=0.8-1.0, т. е. когда его середина будет находиться на траверзе кормы обгоняемого судна.

При встречном расхождении двух судов не требуется значитель­ных перекладок рулей. Например, для однотипных судов при расстоя­нии, равном примерно одной ширине, требовалась перекладка рулей не более 5—10°. Движение судна в обгон с заранее приданным углом дрейфа позволяет избежать зарыскивания обгоняющего судна в сторо­ну обгоняемого, но если суда движутся в обгон на малых расстояниях между бортами, наличие угла дрейфа на обгоняющем судне не исклю­чает сил взаимного притяжения.

Натурные наблюдения показали, что при движении в обгон на мелководье происходит резкое увеличение просадки судов. При движе­нии на мелководье при траверзных расстояниях, равных от 1 до 7 ши­рин меньшего судна, максимальная просадка совместно движущихся судов может увеличиваться на 20—50 % по сравнению с просадкой одиночного судна. При встречном расхождении судов на сравнительно больших скоростях наблюдается изменение их просадки (особенно для меньшего судна, когда оно попадает в систему волны большего судна). Максимальное изменение просадки при встречном расхождении меньше, чем при обгоне. Наибольшего значения в случаях обгона просадка обгоняющего судна достигает в положении m=1-1.2. При заметном различии в размерах судов наибольшие гидродинамические усилия от взаимодействия при обгоне будут действовать на меньшее по размерам судно. Наихудшим является случай, когда, по размерам (по длине) оно будет примерно в 3 раза меньше друго­го. Поэтому рекомендуется соответствующее маневрирование произ­водить на меньшем судне.

Гидродинамические усилия от взаимодействия судов резко увели­чиваются с ростом скорости. Поэтому при встречах и обгонах на огра­ниченных глубинах скорость должна отвечать условию  а на глубокой воде