救生艇海锚水阻力试验研究

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(浙江海洋学院 船舶与建筑工程学院，浙江 舟山 316000)

船员弃船登上救生艇后，应尽可能使救生艇停留在船舶遇难处附近以待救援。在海上存在风浪的情况下，为了减缓艇的漂移速度，通常需要抛下海锚[1]。救生艇漂移速度主要取决于风浪对艇作用力大小和海锚阻力大小。前者可以根据经验公式估算[2]，而后者目前还极少见到可用的估算方法。因此，考虑对救生艇海锚的水阻力进行试验研究。在船模拖曳水池中，用拖车运行速度来模拟救生艇漂移速度，测量不同速度下艇用海锚的水阻力。

1 试验设施与设备

1.1 试验水池设施

试验在浙江海洋学院船舶与渔具水动力实验室进行。水池长130 m、宽6 m、水深3.5 m。拖车为无级变速，速度范围是0～6.5 m/s，速度误差为±1 mm/s。

1.2 试验设备

1.2.1 海锚

遵照主管机关的规定、行业标准[3]和国标[4]，考虑到市场产品供应情况，选用青岛好兄弟船用救生用品有限公司生产的海锚。

海锚外观见图1, 规格见表1。

图1 试验用海

项目规格适用限定国际航行船舶检验标准MSC.48(66) 国际救生设备规则行业标准《海锚》 CB∗197-83海锚规格Φ700 mm锚索规格Φ24 mm×27 m收锚索规格Φ16 mm×31 m总重量12.8×9.8 N

1.2.2 水阻力测量设备

实验室配备的用于测试船模阻力的阻力仪价格昂贵。为了避免该仪器意外损坏，自行设计一套简易的装置来测量海锚水阻力，见图2。另准备10 kg砝码4个、细绳等。

图2 阻力测量板

2 海锚水阻力测量原理

将4个砝码(重量记为W)，用细钢丝绳悬挂在拖车测桥某一固定位置上。在该位置上还悬挂阻力测量刻度板，见图3。海锚锚索通过一根细绳系在砝码悬挂绳上。拖车匀速运动时，根据砝码悬挂绳的倾斜角度即可换算出海锚水阻力。

图3 海锚水阻力测量示意

2.1 角θ与φ的计算

根据图3所示的数据关系，可得：

(1)

(2)

上面两式中l=77.5 cm，x1=33.7cm，而L值则根据速度大小而略有调整，范围在80.5～95.0 cm之间。x和z1在刻度尺上读出。于是由式(1)、(2)可以计算出角θ与φ。当θ角较大时，为了减小计算误差，改在右侧刻度尺上读取数据z2。因为x2也是已知的(x2=55.0 cm)，所以在式(2)中将下标1改为下标2，即可计算。

2.2 锚索拉力或海锚水阻力的计算

以海锚锚索与悬挂钢丝绳的系结点为研究对象进行受力分析，可得

(3)

式中:W——砝码总重量，N；

T——锚索拉力，即海锚阻力，N。

3 试验测试与数据分析

3.1 试验测试

试验时，拖车速度分别设为0.3、0.5、0.7、0.9、1.1、1.3和1.5 m/s，共7个速度档。为了研究不同锚索长度对海锚阻力的影响，将锚索长度分别取为25、20、15和10 m共4种情况。所以，一共进行了28种工况的试验每一种工况进行3次。

对每次试验读出的x和z1值(或x和z2)，由式(1)～(3)计算出海锚阻力T。在每次试验中，T在一个范围内波动。所以在每次试验时，可以读出1～3组x值和z1值。每种工况可得到3～9组x值和z1值，平均为6组。

3.2 数据分析

根据测试结果，对不同锚索长度L，以速度v为横轴、海锚阻力为纵轴，绘出散点图，见图4。

从图4可以看出，当速度从低向高变化时，海锚阻力大体上呈抛物线规律增加；当速度较大时，海锚阻力波动范围比较大，说明此时海锚周围流场变化比较大。

根据数据分布情况，运用最小二乘法对数据进行拟合。拟合公式设为如下形式：

T=av2

(4)

式中:v——拖车速度，即海锚漂移速度，m/s；

a——待定系数。

经过计算，4种锚索长度下的阻力拟合公式分别为式(5)～(8)。拟合曲线已绘在图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——锚索长度。

总体上，锚索长度越大，阻力越大。因为锚索本身具有一定的水阻力，另外锚索长度不同对海锚姿态也会有一定影响。但本次试验中，锚索长度为15 m和20 m时，海锚阻力基本相同。

需要说明一下，由于本试验采用的海锚是船舶救生艇上配备的真实海锚，所以试验布置中的各个环节都尽可能与实际相符。试验中海锚、锚索和收锚索的姿态见图5。

图5 锚索、收锚索与海锚姿

当试验速度为0.3 m/s时，海锚底部至池底距离大约为0.3 m；当速度为1.5 m/s时，海锚顶部距水面约0.5 m。试验测得的锚索拉力(即海锚水阻力)，实际上包括三部分之和，即海锚本身水阻力、锚索水阻力，以及收锚索水阻力中的少部分。这也与实际情况一致。

另外，在试验中还发现，海锚存在偏荡现象。出现偏荡现象说明海锚受到了二阶慢漂力的作用。由于水池宽度为6 m，海锚偏荡受到两边池壁的影响。试验中观察到，在锚索比较长时，偏荡现象不明显，而在锚索比较短时，偏荡较明显。受试验水池长度限制，每个组次试验的测试时间远小于海锚偏荡周期，试验中观察到的海锚偏荡运动不完整，无法做出全面的分析，相关数据在试验中也未测量。

4 结束语

海锚水阻力的测定是计算救生艇漂移速度的基础。其现实意义是救助者可以根据风、浪、流条件估算救生艇漂离遇难船的距离与方位，便于快速施救。

受试验条件限制，此次研究中只观察到了海锚偏荡现象，但没有包括海锚偏荡以及偏荡对海锚阻力影响的完整测试，是不足之处，有待于以后改进。

[1] 黄志英.救生艇筏和救助艇操作及管理[M].武汉：武汉理工大学出版社，2008.

[2] 洪碧光,杲庆林,汤国杰.船舶操纵[M].北京：人民交通出版社，2008.

[3] CB*197—83救生艇海锚[S].北京：中国标准出版社，1983.

[4] GB/T 23302-2009船舶与海上技术救生艇筏和救助艇用海锚[S].北京：中国标准出版社，2009.