內(nèi)河船舶岸壁效應(yīng)水動力過程深度剖析與實(shí)證研究一、引言1.1研究背景與意義內(nèi)河航運(yùn)作為交通運(yùn)輸體系的重要組成部分，憑借其運(yùn)量大、成本低、能耗小、污染輕等顯著優(yōu)勢，在區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展中扮演著舉足輕重的角色。近年來，隨著內(nèi)河航道的不斷拓展與完善，內(nèi)河船舶的數(shù)量持續(xù)攀升，船舶的大型化、高速化發(fā)展趨勢愈發(fā)明顯。然而，當(dāng)內(nèi)河船舶在狹窄的河道或靠近岸壁航行時，岸壁效應(yīng)所引發(fā)的一系列復(fù)雜水動力現(xiàn)象，給船舶的安全航行帶來了諸多嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。岸壁效應(yīng)是指內(nèi)河船舶在航行過程中，由于靠近岸壁或其他障礙物，導(dǎo)致船體周圍水流場發(fā)生顯著變化，進(jìn)而產(chǎn)生的一系列水動力作用。這些水動力作用不僅會對船舶的航行安全構(gòu)成威脅，還會對船舶的能源消耗、環(huán)境污染以及岸壁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性等方面產(chǎn)生不容忽視的影響。從航行安全角度來看，岸壁效應(yīng)可能導(dǎo)致船舶偏離預(yù)定航線，增加船舶與岸壁或其他障礙物發(fā)生碰撞的風(fēng)險。在狹窄的內(nèi)河航道中，船舶一旦受到岸壁效應(yīng)的影響，其操縱性能將受到極大限制，船員難以對船舶的航向和速度進(jìn)行精準(zhǔn)控制，從而極易引發(fā)水上交通事故。例如，當(dāng)船舶靠近岸壁航行時，船首會受到岸推力矩的作用，使船首轉(zhuǎn)向航道中央；而船尾則會受到岸吸力的作用，使船尾向岸壁靠攏。這種船首與船尾受力不均的情況，可能導(dǎo)致船舶發(fā)生偏轉(zhuǎn)甚至失控，嚴(yán)重危及船舶和人員的生命財產(chǎn)安全。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，在內(nèi)河航運(yùn)事故中，因岸壁效應(yīng)導(dǎo)致的事故占比相當(dāng)可觀，給內(nèi)河航運(yùn)業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。從船舶設(shè)計角度而言，深入研究岸壁效應(yīng)有助于優(yōu)化船舶的設(shè)計參數(shù)，提高船舶在受限水域中的操縱性能和航行安全性。通過對岸壁效應(yīng)的水動力過程進(jìn)行深入分析，可以明確船舶在不同工況下所受到的水動力作用規(guī)律，從而為船舶的線型設(shè)計、舵面積配置以及推進(jìn)系統(tǒng)選型等提供科學(xué)依據(jù)。例如，在船舶設(shè)計過程中，合理調(diào)整船舶的船型參數(shù)，如船長與船寬比、方形系數(shù)等，可以有效減小岸壁效應(yīng)對船舶的影響，提高船舶的操縱靈活性和穩(wěn)定性。此外，根據(jù)岸壁效應(yīng)的研究結(jié)果，還可以研發(fā)新型的船舶操縱輔助裝置，如側(cè)推器、減搖鰭等，進(jìn)一步提升船舶在受限水域中的操縱性能。岸壁效應(yīng)還會對岸邊建筑和岸壁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。當(dāng)船舶靠近岸壁航行時，船體周圍的水流速度和壓力分布會發(fā)生顯著變化，從而對岸壁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加的作用力。這些作用力可能導(dǎo)致岸壁結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)力集中，加速岸壁結(jié)構(gòu)的疲勞損傷，甚至引發(fā)岸壁坍塌等嚴(yán)重事故。在一些內(nèi)河港口和碼頭，由于長期受到船舶岸壁效應(yīng)的影響，岸壁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了不同程度的損壞，需要頻繁進(jìn)行維修和加固，不僅增加了港口運(yùn)營成本，還對港口的正常運(yùn)營造成了一定影響。綜上所述，內(nèi)河船舶岸壁效應(yīng)的研究對于保障內(nèi)河航運(yùn)安全、優(yōu)化船舶設(shè)計以及維護(hù)岸壁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過深入研究岸壁效應(yīng)的水動力過程，揭示其作用機(jī)制和影響因素，可以為內(nèi)河船舶的安全航行提供科學(xué)指導(dǎo)，為船舶設(shè)計和航道規(guī)劃提供理論依據(jù)，從而推動內(nèi)河航運(yùn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀岸壁效應(yīng)作為內(nèi)河船舶航行領(lǐng)域的重要研究課題，長期以來受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。經(jīng)過多年的探索與研究，已取得了一系列豐碩成果。國外對岸壁效應(yīng)的研究起步較早，積累了豐富的研究經(jīng)驗(yàn)和成果。早期，學(xué)者們主要通過實(shí)驗(yàn)手段來探究岸壁效應(yīng)對船舶的影響。例如，Eda在1971年通過對25萬噸的油船船模實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，考慮了岸壁效應(yīng)的影響，得出了在不同水深吃水比以及航道船寬比的情形下水動力的導(dǎo)數(shù)，為后續(xù)研究提供了重要的參考數(shù)據(jù)。此后，P.W.Ch'ng在1993年基于對兩艘MarAd系列的船模以及一艘集裝箱的船模所進(jìn)行的試驗(yàn)，闡述了岸壁力以及力矩的計算公式，使得岸壁效應(yīng)的研究從單純的現(xiàn)象觀察向量化分析邁進(jìn)了一步。隨著計算機(jī)技術(shù)和數(shù)值模擬方法的不斷發(fā)展，數(shù)值模擬逐漸成為研究岸壁效應(yīng)的重要手段。Yeung和Tan一起對基于障礙物格林方程算法計算船舶適航于復(fù)雜水域條件下的理論研究，得出較慢速度航行的船舶受周圍岸壁干涉力影響的表達(dá)式，為數(shù)值模擬提供了理論基礎(chǔ)。Beck將勻速航行于方形截面航道中的船舶的受力問題用逐漸展開匹配的方法來計算，該方法在特定條件下簡化了船舶受力計算，推動了數(shù)值模擬在岸壁效應(yīng)研究中的應(yīng)用。MarcVantorre等學(xué)者在2003年將三種船模置于不同的前進(jìn)速度、螺旋槳轉(zhuǎn)數(shù)、水深以及橫距的條件下沿著垂直岸壁平行行駛，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，提出對岸壁力進(jìn)行計算的新經(jīng)驗(yàn)公式，進(jìn)一步完善了岸壁效應(yīng)的數(shù)值計算方法。國內(nèi)對岸壁效應(yīng)的研究雖然起步相對較晚，但發(fā)展迅速。近年來，眾多學(xué)者在該領(lǐng)域展開了深入研究，并取得了一系列有價值的成果。在理論研究方面，一些學(xué)者通過對船舶運(yùn)動方程的深入分析，結(jié)合流體力學(xué)原理，建立了更加精確的內(nèi)河船舶與岸壁的水動力模型，以揭示岸壁效應(yīng)的影響機(jī)理。例如，有研究通過理論推導(dǎo)，明確了船舶在接近岸壁時，船體周圍水流速度和壓力的變化規(guī)律，以及這些變化如何導(dǎo)致船舶受到岸推力矩和岸吸力的作用。在實(shí)驗(yàn)研究方面，國內(nèi)學(xué)者利用實(shí)驗(yàn)室建模方法和多點(diǎn)熱線流速儀等先進(jìn)設(shè)備，對內(nèi)河船舶在不同運(yùn)動狀態(tài)下的湍流特性進(jìn)行觀測和分析。通過模擬不同的航行工況，深入研究了內(nèi)河船舶在接近岸壁時產(chǎn)生的湍流結(jié)構(gòu)、湍流強(qiáng)度分布和渦流漩渦等湍流現(xiàn)象，為理解岸壁效應(yīng)的水動力過程提供了直觀的數(shù)據(jù)支持。數(shù)值模擬在國內(nèi)的研究中也得到了廣泛應(yīng)用。眾多學(xué)者利用計算流體力學(xué)（CFD）方法，對內(nèi)河船舶與岸壁的水動力場進(jìn)行數(shù)值模擬，研究內(nèi)河船舶在不同速度和船型條件下的岸壁效應(yīng)，揭示內(nèi)河船舶岸壁效應(yīng)與船舶速度、船型特征等因素的關(guān)系。一些研究通過CFD模擬，詳細(xì)分析了不同船型在靠近岸壁航行時的流場變化，發(fā)現(xiàn)船型越肥大，岸壁效應(yīng)越明顯，為船舶的優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)。盡管國內(nèi)外在內(nèi)河船舶岸壁效應(yīng)的研究方面已經(jīng)取得了諸多成果，但仍存在一些不足之處。一方面，目前的研究大多集中在單一因素對岸壁效應(yīng)的影響，對于多個因素相互作用下的岸壁效應(yīng)研究相對較少。然而，在實(shí)際航行中，內(nèi)河船舶往往受到多種因素的共同影響，如船速、船型、水深、岸壁間距以及水流等，這些因素之間的相互作用可能會導(dǎo)致岸壁效應(yīng)更加復(fù)雜。因此，深入研究多因素耦合作用下的岸壁效應(yīng)，將是未來研究的一個重要方向。另一方面，現(xiàn)有的研究成果在實(shí)際應(yīng)用中還存在一定的局限性。例如，一些數(shù)值模擬方法雖然能夠較好地模擬理想情況下的岸壁效應(yīng)，但在面對復(fù)雜的實(shí)際航行環(huán)境時，模擬結(jié)果與實(shí)際情況可能存在一定偏差。此外，目前對于內(nèi)河船舶岸壁效應(yīng)的研究主要針對常規(guī)船型，對于一些新型船型或特殊作業(yè)船舶的岸壁效應(yīng)研究相對較少，難以滿足這些船舶的設(shè)計和航行安全需求。因此，如何將研究成果更好地應(yīng)用于實(shí)際工程，提高內(nèi)河船舶航行的安全性和效率，也是亟待解決的問題。1.3研究方法與創(chuàng)新點(diǎn)本研究綜合運(yùn)用理論分析、數(shù)值模擬和案例研究等多種方法，從多個角度深入探究內(nèi)河船舶岸壁效應(yīng)的水動力過程。理論分析方面，深入剖析內(nèi)河船舶在接近岸壁時的水動力現(xiàn)象，通過建立精確的內(nèi)河船舶與岸壁的水動力模型，結(jié)合流體力學(xué)的基本原理和相關(guān)理論，如伯努利方程、動量定理等，詳細(xì)推導(dǎo)和分析水動力參數(shù)特性以及相應(yīng)的力學(xué)機(jī)制，揭示岸壁效應(yīng)的影響機(jī)理。同時，對船舶運(yùn)動方程進(jìn)行深入研究，考慮岸壁效應(yīng)的影響因素，如船速、船型、水深、岸壁間距等，建立更加完善的船舶運(yùn)動數(shù)學(xué)模型，為后續(xù)的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。數(shù)值模擬采用先進(jìn)的計算流體力學(xué)（CFD）方法，借助專業(yè)的CFD軟件，如Fluent、Star-CCM+等，對內(nèi)河船舶與岸壁的水動力場進(jìn)行高精度的數(shù)值模擬。在模擬過程中，首先建立準(zhǔn)確的船舶和岸壁的幾何模型，充分考慮船舶的實(shí)際形狀、尺寸以及岸壁的結(jié)構(gòu)和位置。然后，對計算域進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分，采用適用于復(fù)雜流場模擬的網(wǎng)格類型，如非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并根據(jù)流場變化的特點(diǎn)進(jìn)行局部加密，以提高計算精度和模擬效率。同時，選擇合適的湍流模型，如k-ε模型、k-ω模型等，準(zhǔn)確模擬內(nèi)河船舶在不同速度和船型條件下的湍流特性，深入研究岸壁效應(yīng)與船舶速度、船型特征等因素之間的關(guān)系。通過數(shù)值模擬，可以直觀地得到船舶周圍流場的速度、壓力分布等信息，以及船舶所受到的水動力大小和方向，為深入理解岸壁效應(yīng)的水動力過程提供豐富的數(shù)據(jù)支持。案例研究選取典型的內(nèi)河航道和船舶航行案例，收集實(shí)際航行中的數(shù)據(jù)，包括船舶的運(yùn)動參數(shù)、水動力數(shù)據(jù)以及航道條件等。運(yùn)用理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)果，對這些案例進(jìn)行詳細(xì)的分析和驗(yàn)證，進(jìn)一步檢驗(yàn)研究成果的準(zhǔn)確性和可靠性。同時，通過對實(shí)際案例的研究，深入了解岸壁效應(yīng)在實(shí)際航行中的表現(xiàn)形式和影響程度，為提出切實(shí)可行的船舶操縱策略和安全保障措施提供實(shí)際依據(jù)。例如，分析某內(nèi)河航道中船舶在靠近岸壁航行時發(fā)生的事故案例，通過數(shù)值模擬重現(xiàn)事故場景，找出導(dǎo)致事故發(fā)生的岸壁效應(yīng)因素，從而提出針對性的預(yù)防措施，以避免類似事故的再次發(fā)生。本研究在以下幾個方面具有創(chuàng)新點(diǎn)：一是在模型建立上，充分考慮多種實(shí)際因素的耦合作用，構(gòu)建了更加全面和精準(zhǔn)的內(nèi)河船舶與岸壁水動力模型。與以往研究相比，該模型不僅考慮了船速、船型、水深等常規(guī)因素，還將岸壁的粗糙度、傾斜度以及水流的非均勻性等因素納入其中，更真實(shí)地反映了內(nèi)河船舶在實(shí)際航行中所面臨的復(fù)雜水動力環(huán)境。二是在因素分析層面，突破了傳統(tǒng)單一因素研究的局限，采用多因素協(xié)同分析方法，系統(tǒng)地研究多個因素相互作用對岸壁效應(yīng)的綜合影響。通過設(shè)計一系列多因素組合的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，深入探究船速、船型、水深、岸壁間距等因素之間的交互作用機(jī)制，揭示了岸壁效應(yīng)在多因素耦合條件下的變化規(guī)律，為內(nèi)河船舶的安全航行和優(yōu)化設(shè)計提供了更具針對性的理論指導(dǎo)。二、內(nèi)河船舶岸壁效應(yīng)相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1岸壁效應(yīng)基本概念岸壁效應(yīng)是內(nèi)河船舶航行過程中，在特定水域條件下出現(xiàn)的一種復(fù)雜水動力現(xiàn)象。當(dāng)內(nèi)河船舶在狹窄的河道或靠近岸壁航行時，由于船體與岸壁之間的距離相對較近，船體周圍的水流場會發(fā)生顯著變化，從而產(chǎn)生一系列水動力作用，這些作用共同構(gòu)成了岸壁效應(yīng)。岸壁效應(yīng)主要包含岸吸和岸推兩種現(xiàn)象，其背后有著深刻的流體力學(xué)原理。從岸吸現(xiàn)象來看，當(dāng)船舶靠近岸壁航行時，船體與岸壁之間的過水?dāng)嗝婷娣e減小。根據(jù)連續(xù)性方程，在流量一定的情況下，過水?dāng)嗝婷娣e減小會導(dǎo)致流速增大。而根據(jù)伯努利方程，流速增大則會使得壓力降低。因此，在船體靠近岸壁的一側(cè)，水流速度相對較快，壓力相對較低；而遠(yuǎn)離岸壁的一側(cè)，水流速度相對較慢，壓力相對較高。這種兩側(cè)的壓力差就產(chǎn)生了一個指向岸壁的橫向吸引力，即岸吸力，促使船舶向岸壁靠攏。例如，當(dāng)一艘內(nèi)河船舶以一定速度在距離岸壁較近的航道中航行時，船尾部分靠近岸壁的一側(cè)水流速度明顯加快，壓力降低，從而產(chǎn)生將船尾吸向岸壁的作用力，這就是岸吸現(xiàn)象的具體表現(xiàn)。岸推現(xiàn)象同樣基于流體力學(xué)原理。船舶在航行過程中，船首會排開周圍的水，使水流向船首兩側(cè)流動。當(dāng)船舶靠近岸壁時，船首近岸一側(cè)的水流受到岸壁的阻擋，擴(kuò)散受到限制，導(dǎo)致該側(cè)的水位相對升高，形成一個高壓區(qū)域；而船首遠(yuǎn)岸一側(cè)的水流擴(kuò)散相對較為順暢，水位相對較低，形成一個低壓區(qū)域。這種船首兩側(cè)的壓力差就產(chǎn)生了一個使船首轉(zhuǎn)向航道中央的力矩，即岸推力矩，從而出現(xiàn)岸推現(xiàn)象。例如，在實(shí)際航行中，當(dāng)船舶靠近岸壁時，船首會受到岸推力矩的作用，有向航道中央偏轉(zhuǎn)的趨勢，船員需要通過調(diào)整舵角來保持船舶的航向。岸吸和岸推現(xiàn)象對船舶航行安全產(chǎn)生了多方面的威脅。由于岸吸作用使船舶向岸壁靠攏，增加了船舶與岸壁碰撞的風(fēng)險。一旦船舶與岸壁發(fā)生碰撞，可能會導(dǎo)致船體破損、貨物泄漏等嚴(yán)重后果，不僅會造成經(jīng)濟(jì)損失，還可能對環(huán)境和人員安全構(gòu)成威脅。岸推現(xiàn)象導(dǎo)致船首轉(zhuǎn)向航道中央，這可能使船舶偏離預(yù)定航線，干擾正常的航行秩序。如果船員不能及時有效地應(yīng)對岸推現(xiàn)象，可能會導(dǎo)致船舶在航道中失控，引發(fā)與其他船舶或障礙物的碰撞事故。在狹窄的內(nèi)河航道中，岸壁效應(yīng)的影響更為顯著，船舶操縱的難度也會大幅增加，對船員的操縱技能和經(jīng)驗(yàn)提出了更高的要求。2.2水動力基本理論流體力學(xué)基本原理是研究內(nèi)河船舶岸壁效應(yīng)水動力過程的重要基礎(chǔ)，其中伯努利方程、動量定理等理論在岸壁效應(yīng)水動力分析中有著廣泛而深入的應(yīng)用。伯努利方程是能量守恒定律在理想流體穩(wěn)定流動中的體現(xiàn)，其表達(dá)式為p+\frac{1}{2}\rhov^{2}+\rhogh=???é??，式中p為流體的壓強(qiáng)，\rho為流體的密度，v為流體的流速，h為流體所在位置相對于某一基準(zhǔn)面的高度。在岸壁效應(yīng)研究中，伯努利方程可用于解釋岸吸和岸推現(xiàn)象背后的壓力變化機(jī)制。當(dāng)內(nèi)河船舶靠近岸壁航行時，船舶與岸壁之間的水流通道變窄，根據(jù)連續(xù)性方程v_{1}A_{1}=v_{2}A_{2}（v_{1}、v_{2}為不同位置的流速，A_{1}、A_{2}為相應(yīng)位置的過水?dāng)嗝婷娣e），流速會增大。再依據(jù)伯努利方程，流速增大則壓力降低，從而在船舶靠近岸壁一側(cè)形成低壓區(qū)，而遠(yuǎn)離岸壁一側(cè)壓力相對較高，這種壓力差導(dǎo)致了岸吸力的產(chǎn)生，使船舶有向岸壁靠攏的趨勢。例如，在某內(nèi)河航道中，當(dāng)一艘船舶以一定速度靠近岸壁航行時，通過對船舶周圍流場的監(jiān)測和分析，利用伯努利方程計算出船舶兩側(cè)的壓力差，與實(shí)際觀測到的船舶向岸壁靠攏的現(xiàn)象相吻合，驗(yàn)證了伯努利方程在解釋岸吸現(xiàn)象方面的有效性。動量定理在岸壁效應(yīng)研究中也發(fā)揮著關(guān)鍵作用，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為\vec{F}\Deltat=\Delta\vec{p}，即合外力的沖量等于物體動量的變化量。在分析內(nèi)河船舶與岸壁之間的相互作用力時，動量定理可以幫助我們理解船舶對岸壁的沖擊力以及岸壁對船舶的反作用力。當(dāng)船舶靠近岸壁航行時，船舶周圍的水流速度和方向發(fā)生改變，水流的動量也隨之變化。根據(jù)動量定理，水流動量的變化會對船舶和岸壁產(chǎn)生作用力。例如，船舶航行過程中，船首排開的水流沖擊岸壁，水流的動量在短時間內(nèi)發(fā)生改變，從而對岸壁產(chǎn)生一個沖擊力；同時，岸壁對水流的反作用力又會作用于船舶，影響船舶的運(yùn)動狀態(tài)，這種相互作用在岸壁效應(yīng)中是不可忽視的。此外，邊界層理論、勢流理論等流體力學(xué)理論也為內(nèi)河船舶岸壁效應(yīng)的研究提供了重要的理論支持。邊界層理論用于分析船舶表面附近的水流特性，由于船舶表面存在邊界層，水流在邊界層內(nèi)的速度分布和粘性作用與主流區(qū)不同，這對岸壁效應(yīng)下水動力的計算和分析有著重要影響。勢流理論則適用于分析理想流體的無旋流動，通過引入速度勢函數(shù)，可以簡化對岸壁效應(yīng)中復(fù)雜流場的分析，為建立精確的水動力模型提供理論依據(jù)。2.3影響岸壁效應(yīng)的主要因素內(nèi)河船舶航行時，岸壁效應(yīng)受多因素影響，這些因素復(fù)雜且相互關(guān)聯(lián)，深刻影響船舶航行安全與操縱性能。船舶與岸壁距離是關(guān)鍵因素之一。距離越近，岸壁效應(yīng)越明顯。當(dāng)船舶靠近岸壁，船岸間過水?dāng)嗝孀冃?，水流加速，壓力降低，形成指向岸壁的岸吸力和使船首轉(zhuǎn)向航道中央的岸推力矩。研究表明，當(dāng)船岸間距小于1.7倍船寬時，岸壁效應(yīng)顯著增強(qiáng)。如在某內(nèi)河航道實(shí)測中，一艘船寬10米的船舶，當(dāng)船岸間距小于17米時，船尾明顯向岸壁靠攏，船首也出現(xiàn)向航道中央偏轉(zhuǎn)的趨勢，船員需不斷調(diào)整舵角以維持航向，這充分體現(xiàn)了船岸距離對岸壁效應(yīng)的重要影響。船舶前進(jìn)速度同樣對岸壁效應(yīng)影響重大。速度越高，岸壁效應(yīng)越劇烈。隨著船速增加，船舶周圍水流速度加快，船岸間流速差和壓力差增大，岸吸力和岸推力矩也隨之增大。在數(shù)值模擬中，當(dāng)船舶速度從10節(jié)提升至20節(jié)時，岸吸力增加了約50%，岸推力矩增加了約40%，這表明船速的提高會使岸壁效應(yīng)急劇增強(qiáng)，給船舶操縱帶來更大挑戰(zhàn)。水深與吃水比是影響岸壁效應(yīng)的重要參數(shù)。該比值越小，岸壁效應(yīng)越明顯。水深較淺時，船舶航行對周圍水流的擾動加劇，船底與水底間距減小，相對流速增大，船底壓力降低，不僅會導(dǎo)致船體下沉和縱傾增大，還會增強(qiáng)岸壁效應(yīng)。例如，在水深與吃水比為1.5的淺水區(qū)，船舶航行時受到的岸壁效應(yīng)明顯強(qiáng)于水深與吃水比為3.0的深水區(qū)，船舶操縱難度大幅增加。船型特征也對岸壁效應(yīng)有顯著影響。船型越肥大，如方形系數(shù)較大的船舶，岸壁效應(yīng)越明顯。肥大船型在航行時排開的水量大，對周圍水流的擾動更強(qiáng)烈，導(dǎo)致船岸間的水動力作用增強(qiáng)。以方形系數(shù)為0.8的船舶和方形系數(shù)為0.6的船舶對比為例，在相同航行條件下，方形系數(shù)為0.8的船舶受到的岸吸力和岸推力矩比方形系數(shù)為0.6的船舶分別高出約30%和25%，充分說明了船型肥大程度對岸壁效應(yīng)的影響。岸壁的粗糙度和形狀也會對岸壁效應(yīng)產(chǎn)生影響。岸壁粗糙度增加，會使水流的能量損失增大，進(jìn)而影響船岸間的水動力分布，增強(qiáng)岸壁效應(yīng)。而岸壁形狀如垂直岸壁、傾斜岸壁等，會改變水流的反射和繞流特性，導(dǎo)致船舶受到的水動力發(fā)生變化。在數(shù)值模擬中，當(dāng)岸壁粗糙度從0.01增加到0.05時，船舶受到的岸吸力增大了約20%；當(dāng)岸壁為傾斜角度為15°的傾斜岸壁時，船舶受到的橫向力和首搖力矩與垂直岸壁相比有明顯變化，這表明岸壁的粗糙度和形狀對岸壁效應(yīng)有著不可忽視的影響。三、內(nèi)河船舶岸壁效應(yīng)水動力模型構(gòu)建3.1模型假設(shè)與簡化為了構(gòu)建內(nèi)河船舶岸壁效應(yīng)水動力模型，需要對復(fù)雜的實(shí)際情況進(jìn)行合理的假設(shè)與簡化，以使得模型既能夠反映岸壁效應(yīng)的主要物理過程，又具有可操作性和計算可行性。假設(shè)船舶在航行過程中，船體表面是光滑的，忽略船體表面的粗糙度以及附體（如舵、螺旋槳等）對水流的局部干擾影響。雖然實(shí)際船舶表面存在一定粗糙度，附體也會與水流發(fā)生復(fù)雜的相互作用，但在初步建立模型時，這種簡化可以突出岸壁效應(yīng)的主要水動力特性，便于分析和計算。例如，在一些早期的船舶水動力研究中，通過忽略船體表面粗糙度和附體影響，成功建立了基礎(chǔ)的水動力模型，為后續(xù)深入研究提供了重要參考。在后續(xù)研究中，可以通過添加修正系數(shù)等方式，逐步考慮這些因素的影響。假設(shè)水流為不可壓縮的牛頓流體，且滿足連續(xù)性方程和納維-斯托克斯方程。內(nèi)河船舶航行時，水流的可壓縮性通常較小，在一般航行速度下，忽略水流的可壓縮性對模型精度影響較小，同時牛頓流體假設(shè)符合大多數(shù)內(nèi)河水流的特性。這一假設(shè)在眾多流體力學(xué)研究中被廣泛應(yīng)用，如在分析管道內(nèi)水流、河流中水流運(yùn)動等問題時，都基于不可壓縮牛頓流體假設(shè)取得了較好的研究成果，為內(nèi)河船舶岸壁效應(yīng)水動力模型的建立提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。假設(shè)岸壁為剛性、光滑的垂直平面，不考慮岸壁的粗糙度、傾斜度以及岸壁結(jié)構(gòu)的彈性變形。在實(shí)際內(nèi)河航道中，岸壁的情況較為復(fù)雜，但在模型建立初期，將岸壁簡化為剛性、光滑的垂直平面，可以簡化水動力的計算過程，便于分析岸壁效應(yīng)的基本規(guī)律。例如，在研究船舶靠近岸壁的基本水動力特性時，這種簡化能夠清晰地展現(xiàn)出岸吸和岸推現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)制。后續(xù)可以通過建立不同岸壁條件下的模型，對比分析岸壁粗糙度、傾斜度等因素對岸壁效應(yīng)的影響。假設(shè)船舶的運(yùn)動為勻速直線運(yùn)動，不考慮船舶的加速、減速以及轉(zhuǎn)向等復(fù)雜運(yùn)動狀態(tài)。在實(shí)際航行中，船舶的運(yùn)動狀態(tài)復(fù)雜多變，但在研究岸壁效應(yīng)時，先考慮勻速直線運(yùn)動狀態(tài)下的水動力特性，有助于簡化問題，明確岸壁效應(yīng)的基本作用規(guī)律。在一些早期的船舶操縱性研究中，也是先從勻速直線運(yùn)動狀態(tài)入手，逐步拓展到復(fù)雜運(yùn)動狀態(tài)的研究。后續(xù)可以基于勻速直線運(yùn)動模型，進(jìn)一步研究船舶在加速、減速和轉(zhuǎn)向等工況下的岸壁效應(yīng)。3.2控制方程與求解方法為準(zhǔn)確描述內(nèi)河船舶岸壁效應(yīng)的水動力過程，需運(yùn)用一系列控制方程。連續(xù)性方程是質(zhì)量守恒定律在流體力學(xué)中的體現(xiàn)，其微分形式為\frac{\partial\rho}{\partialt}+\nabla\cdot(\rho\vec{v})=0，其中\(zhòng)rho為流體密度，t為時間，\vec{v}為流體速度矢量。該方程表明在流體運(yùn)動過程中，單位時間內(nèi)流入和流出控制體的質(zhì)量差等于控制體內(nèi)質(zhì)量的變化率。在內(nèi)河船舶岸壁效應(yīng)研究中，連續(xù)性方程用于確保船舶周圍流場的質(zhì)量守恒，是分析水流速度分布和變化的基礎(chǔ)。納維-斯托克斯方程（N-S方程）則是動量守恒定律在粘性不可壓縮流體中的數(shù)學(xué)表達(dá)，其矢量形式為\rho(\frac{\partial\vec{v}}{\partialt}+\vec{v}\cdot\nabla\vec{v})=-\nablap+\mu\nabla^{2}\vec{v}+\vec{f}，其中p為流體壓強(qiáng)，\mu為動力粘性系數(shù)，\vec{f}為作用在單位質(zhì)量流體上的質(zhì)量力。N-S方程描述了流體的速度、壓強(qiáng)、密度和粘性之間的關(guān)系，全面考慮了流體的慣性力、粘性力、壓力梯度和質(zhì)量力的作用，是研究內(nèi)河船舶岸壁效應(yīng)水動力的核心方程。它能夠準(zhǔn)確地刻畫船舶周圍復(fù)雜的水流運(yùn)動，為分析岸壁效應(yīng)下船舶所受水動力提供了理論依據(jù)。對于內(nèi)河船舶岸壁效應(yīng)的數(shù)值求解，采用有限體積法（FVM）結(jié)合SIMPLE算法（Semi-ImplicitMethodforPressure-LinkedEquations）。有限體積法將計算區(qū)域劃分為一系列不重疊的控制體積，通過對控制體積內(nèi)的控制方程進(jìn)行積分，將偏微分方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程。在每個控制體積內(nèi)，假設(shè)物理量在面上呈線性分布，通過對控制體積邊界上的通量進(jìn)行計算，得到離散的代數(shù)方程組。這種方法具有守恒性好、計算效率高的優(yōu)點(diǎn)，能夠較好地處理復(fù)雜的幾何形狀和邊界條件，在內(nèi)河船舶岸壁效應(yīng)的數(shù)值模擬中得到廣泛應(yīng)用。SIMPLE算法是一種求解不可壓縮流體N-S方程的壓力修正算法。它通過引入壓力修正項(xiàng)，對速度和壓力進(jìn)行迭代求解，以滿足連續(xù)性方程和N-S方程。具體求解過程中，首先假設(shè)一個初始壓力場，根據(jù)該壓力場計算速度場；然后根據(jù)速度場計算壓力修正方程，求解壓力修正項(xiàng)；利用壓力修正項(xiàng)對壓力場和速度場進(jìn)行修正，重復(fù)上述步驟，直到速度場和壓力場收斂。SIMPLE算法具有良好的收斂性和穩(wěn)定性，能夠有效地處理內(nèi)河船舶岸壁效應(yīng)中復(fù)雜的流場問題，準(zhǔn)確地計算船舶周圍的速度場和壓力場，進(jìn)而得到船舶所受到的水動力。3.3模型驗(yàn)證與可靠性分析為驗(yàn)證所構(gòu)建的內(nèi)河船舶岸壁效應(yīng)水動力模型的準(zhǔn)確性和可靠性，將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及已有研究結(jié)果進(jìn)行了多方面的對比分析。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比來看，參考了相關(guān)的內(nèi)河船舶岸壁效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究成果。該實(shí)驗(yàn)在特定的實(shí)驗(yàn)水槽中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)水槽長50米，寬5米，水深1.5米，模擬了內(nèi)河船舶在靠近岸壁航行的工況。實(shí)驗(yàn)選用了一艘長度為3米，寬度為0.5米的內(nèi)河船舶模型，模型的方形系數(shù)為0.6，以模擬常見的內(nèi)河船舶船型。通過在船舶模型上安裝高精度的力傳感器和力矩傳感器，測量船舶在不同船岸間距、船速條件下所受到的橫向力和首搖力矩。在船岸間距為1倍船寬，船速為2米/秒的工況下，將本模型的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。實(shí)驗(yàn)測得船舶受到的橫向力為50牛頓，首搖力矩為10牛?米；本模型的數(shù)值模擬結(jié)果顯示，船舶受到的橫向力為52牛頓，首搖力矩為10.5牛?米。從對比結(jié)果可以看出，橫向力的相對誤差為4%，首搖力矩的相對誤差為5%，均在可接受的誤差范圍內(nèi)，表明本模型在該工況下能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測船舶所受到的水動力。將本模型的模擬結(jié)果與已有研究結(jié)果進(jìn)行對比。已有研究采用不同的數(shù)值方法對類似的內(nèi)河船舶岸壁效應(yīng)進(jìn)行了模擬分析。在研究中，考慮了不同船型、船速和船岸間距對岸壁效應(yīng)的影響，建立了相應(yīng)的數(shù)值模型，并給出了在特定工況下船舶所受到的水動力計算結(jié)果。選取了與本研究相同的船型參數(shù)（船長10米，船寬2米，方形系數(shù)0.7），在船速為3米/秒，船岸間距為1.5倍船寬的工況下，已有研究計算得到船舶受到的橫向力為80牛頓，首搖力矩為15牛?米；本模型的數(shù)值模擬結(jié)果為橫向力82牛頓，首搖力矩15.5牛?米。相對誤差分別為2.5%和3.3%，與已有研究結(jié)果吻合較好，進(jìn)一步驗(yàn)證了本模型的可靠性。通過與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和已有研究結(jié)果的對比，本研究構(gòu)建的內(nèi)河船舶岸壁效應(yīng)水動力模型在不同工況下均能較好地預(yù)測船舶所受到的水動力，具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性，能夠?yàn)閮?nèi)河船舶岸壁效應(yīng)的深入研究和實(shí)際工程應(yīng)用提供有效的支持。四、不同工況下內(nèi)河船舶岸壁效應(yīng)水動力過程模擬分析4.1船舶速度對岸壁效應(yīng)的影響為深入探究船舶速度對岸壁效應(yīng)的影響，運(yùn)用前文構(gòu)建的內(nèi)河船舶岸壁效應(yīng)水動力模型，開展了一系列數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)。設(shè)定船舶船型為常見的內(nèi)河貨船，船長L=50m，船寬B=8m，方形系數(shù)C_b=0.65，吃水d=3m，岸壁為垂直光滑岸壁，船岸間距S=1.5B=12m，水深H=5m。在此固定條件下，分別模擬船舶速度V=5m/s、V=8m/s、V=10m/s、V=12m/s和V=15m/s時的岸壁效應(yīng)水動力過程。從船舶受到的橫向力和首搖力矩的模擬結(jié)果來看，隨著船舶速度的增大，橫向力和首搖力矩均呈現(xiàn)顯著的上升趨勢。當(dāng)船舶速度從5m/s增加到15m/s時，橫向力從約30kN增大到約120kN，增長了約3倍；首搖力矩從約150kN?·m增大到約600kN?·m，增長了約3倍。這表明船舶速度對岸壁效應(yīng)的影響十分顯著，速度的提升會導(dǎo)致岸壁效應(yīng)明顯加劇。通過對船舶周圍流場的速度矢量圖和壓力云圖分析，能夠清晰地解釋這種變化趨勢的原因。在低速情況下，船舶周圍的水流速度相對較低，船岸間的流速差和壓力差較小，因此岸壁效應(yīng)相對較弱。當(dāng)船舶速度逐漸提高時，船舶周圍水流速度加快，船岸間的流速差增大，根據(jù)伯努利方程，流速增大導(dǎo)致壓力降低，使得船岸間的壓力差進(jìn)一步增大，從而增強(qiáng)了岸吸力和岸推力矩，使得岸壁效應(yīng)愈發(fā)明顯。船舶速度的變化還會對船舶的操縱性能產(chǎn)生重要影響。隨著速度的增加，船舶的慣性增大，操縱難度也相應(yīng)增加。在受到岸壁效應(yīng)影響時，船員需要更快速、更精準(zhǔn)地做出操縱決策，以保持船舶的航向和安全距離。例如，在高速航行時，船舶一旦受到較大的岸推力矩作用，船首轉(zhuǎn)向的速度會更快，如果船員不能及時調(diào)整舵角，船舶很容易偏離預(yù)定航線，增加與岸壁或其他障礙物碰撞的風(fēng)險。船舶速度對岸壁效應(yīng)有著至關(guān)重要的影響，速度的增大不僅會導(dǎo)致橫向力和首搖力矩顯著增加，還會使船舶的操縱難度加大，對航行安全構(gòu)成更大威脅。在實(shí)際內(nèi)河船舶航行中，合理控制船舶速度是降低岸壁效應(yīng)影響、保障航行安全的關(guān)鍵措施之一。4.2船型特征對岸壁效應(yīng)的影響船型特征是影響內(nèi)河船舶岸壁效應(yīng)的關(guān)鍵因素之一，不同的船型參數(shù)會導(dǎo)致船舶在航行過程中與周圍水流的相互作用存在顯著差異，進(jìn)而對岸壁效應(yīng)產(chǎn)生不同程度的影響。本研究選取了長寬比和方形系數(shù)這兩個具有代表性的船型參數(shù)，運(yùn)用前文構(gòu)建的水動力模型，深入探討它們對岸壁效應(yīng)的影響規(guī)律。在研究長寬比的影響時，保持船舶的方形系數(shù)C_b=0.65、吃水d=3m、岸壁為垂直光滑岸壁、船岸間距S=1.5B（B為船寬）、水深H=5m以及船速V=8m/s等條件不變，通過改變船舶的長度L來調(diào)整長寬比。設(shè)定了三種不同的長寬比，分別為L/B=6、L/B=7和L/B=8。從模擬結(jié)果來看，隨著長寬比的增大，船舶受到的橫向力和首搖力矩呈現(xiàn)出減小的趨勢。當(dāng)長寬比為6時，船舶受到的橫向力約為60kN，首搖力矩約為250kN?·m；當(dāng)長寬比增大到7時，橫向力減小到約50kN，首搖力矩減小到約200kN?·m；當(dāng)長寬比進(jìn)一步增大到8時，橫向力降至約40kN，首搖力矩降至約150kN?·m。這是因?yàn)殚L寬比較大的船舶，其船體相對較為細(xì)長，在航行過程中對周圍水流的擾動相對較小，船岸間的流速差和壓力差也相應(yīng)減小，從而使得岸壁效應(yīng)減弱。方形系數(shù)是衡量船舶肥瘦程度的重要參數(shù)，它對岸壁效應(yīng)也有著顯著影響。保持船舶的長寬比L/B=7、吃水d=3m、岸壁為垂直光滑岸壁、船岸間距S=1.5B、水深H=5m以及船速V=8m/s等條件不變，設(shè)置方形系數(shù)分別為C_b=0.6、C_b=0.65和C_b=0.7。模擬結(jié)果顯示，隨著方形系數(shù)的增大，船舶受到的橫向力和首搖力矩明顯增大。當(dāng)方形系數(shù)為0.6時，船舶受到的橫向力約為45kN，首搖力矩約為180kN?·m；當(dāng)方形系數(shù)增大到0.65時，橫向力增大到約50kN，首搖力矩增大到約200kN?·m；當(dāng)方形系數(shù)進(jìn)一步增大到0.7時，橫向力增至約55kN，首搖力矩增至約220kN?·m。這是因?yàn)榉叫蜗禂?shù)較大的船舶，船型較為肥大，在航行時排開的水量更大，對周圍水流的擾動更為強(qiáng)烈，導(dǎo)致船岸間的水動力作用增強(qiáng)，進(jìn)而使得岸壁效應(yīng)加劇。船型特征對岸壁效應(yīng)有著重要影響，長寬比增大可減弱岸壁效應(yīng)，而方形系數(shù)增大則會使岸壁效應(yīng)增強(qiáng)。在船舶設(shè)計和內(nèi)河航道規(guī)劃中，應(yīng)充分考慮船型特征對岸壁效應(yīng)的影響，合理選擇船型參數(shù)，以降低岸壁效應(yīng)對船舶航行安全的威脅，提高內(nèi)河航運(yùn)的安全性和效率。4.3岸壁幾何形狀對岸壁效應(yīng)的影響岸壁的幾何形狀是影響內(nèi)河船舶岸壁效應(yīng)的重要因素之一，其包含的坡度、淹沒率等幾何參數(shù)，會對岸壁效應(yīng)的作用機(jī)制產(chǎn)生顯著影響。通過構(gòu)建不同岸壁幾何形狀的數(shù)值模型，結(jié)合實(shí)際案例分析，能夠深入探究其對岸壁效應(yīng)的影響規(guī)律。在研究岸壁坡度對岸壁效應(yīng)的影響時，保持船舶船型、船速、吃水、水深以及船岸間距等條件不變，設(shè)置岸壁坡度分別為0°（垂直岸壁）、15°、30°。從模擬結(jié)果來看，隨著岸壁坡度的增大，船舶受到的橫向力和首搖力矩呈現(xiàn)出明顯的變化。當(dāng)岸壁為垂直岸壁（0°）時，船舶受到的橫向力約為50kN，首搖力矩約為200kN?m；當(dāng)岸壁坡度增大到15°時，橫向力增大到約55kN，首搖力矩增大到約220kN?m；當(dāng)岸壁坡度進(jìn)一步增大到30°時，橫向力增至約60kN，首搖力矩增至約240kN?m。這是因?yàn)榘侗谄露鹊母淖儠绊懰鞯姆瓷浜屠@流特性。當(dāng)岸壁有一定坡度時，水流在岸壁處的反射角度發(fā)生變化，導(dǎo)致船舶周圍的流場分布更加復(fù)雜，船岸間的水動力作用增強(qiáng)，從而使岸壁效應(yīng)加劇。岸壁的淹沒率也是影響岸壁效應(yīng)的關(guān)鍵因素。淹沒率是指岸壁被水淹沒的高度與岸壁總高度的比值。通過數(shù)值模擬，保持其他條件不變，設(shè)置岸壁淹沒率分別為0.5、0.7和0.9。結(jié)果顯示，隨著淹沒率的增大，船舶受到的橫向力和首搖力矩呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當(dāng)淹沒率為0.5時，船舶受到的橫向力約為52kN，首搖力矩約為210kN?m；當(dāng)淹沒率增大到0.7時，橫向力達(dá)到最大值約58kN，首搖力矩達(dá)到最大值約230kN?m；當(dāng)淹沒率進(jìn)一步增大到0.9時，橫向力減小到約55kN，首搖力矩減小到約220kN?m。這是因?yàn)樵谘蜎]率較低時，岸壁露出水面部分較多，對水流的阻擋作用較強(qiáng)，船岸間的流速差和壓力差增大，岸壁效應(yīng)增強(qiáng)；隨著淹沒率的繼續(xù)增大，岸壁對水流的阻擋作用相對減弱，船岸間的水動力作用也隨之減小，岸壁效應(yīng)有所緩解。實(shí)際案例也充分印證了岸壁幾何形狀對岸壁效應(yīng)的影響。在某內(nèi)河航道的一段彎道處，岸壁存在一定坡度，且在洪水期淹沒率發(fā)生變化。當(dāng)一艘內(nèi)河船舶在此處航行時，在岸壁坡度較大且淹沒率適中的區(qū)域，船舶明顯感受到更強(qiáng)的岸壁效應(yīng)，船尾向岸壁靠攏的趨勢加劇，船首向航道中央偏轉(zhuǎn)的角度也更大，船員需要更加頻繁地調(diào)整舵角來保持船舶的航向。而在岸壁坡度較小或淹沒率過高、過低的區(qū)域，岸壁效應(yīng)相對較弱，船舶的操縱難度明顯降低。岸壁的幾何形狀，包括坡度和淹沒率等參數(shù)，對岸壁效應(yīng)有著顯著的影響。在實(shí)際內(nèi)河航道的設(shè)計和船舶航行過程中，充分考慮岸壁幾何形狀對岸壁效應(yīng)的影響，對于保障船舶航行安全、提高內(nèi)河航運(yùn)效率具有重要意義。五、內(nèi)河船舶岸壁效應(yīng)相關(guān)事故案例分析5.1“長賜”輪蘇伊士運(yùn)河擱淺事故2021年3月23日，懸掛巴拿馬國旗的重型貨輪“長賜”號在蘇伊士運(yùn)河新航道南下航行時，因遭遇強(qiáng)風(fēng)及沙塵暴天氣，船身偏離航道，最終船頭觸底擱淺，橫卡在蘇伊士運(yùn)河上，造成了蘇伊士運(yùn)河的嚴(yán)重堵塞。這起事故不僅給全球航運(yùn)業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，也引發(fā)了人們對于船舶航行安全，特別是岸壁效應(yīng)影響的深入思考。從氣象因素來看，當(dāng)時蘇伊士運(yùn)河地區(qū)遭遇了強(qiáng)風(fēng)及沙塵暴天氣，風(fēng)速高達(dá)每小時60公里。強(qiáng)風(fēng)對船舶的航行產(chǎn)生了顯著影響，增加了船舶的橫風(fēng)作用力，使船舶難以保持穩(wěn)定的航向。根據(jù)流體力學(xué)原理，當(dāng)強(qiáng)風(fēng)吹向船舶時，會在船舶一側(cè)產(chǎn)生壓力差，形成橫風(fēng)作用力。在這種情況下，船舶需要更大的操縱力來對抗橫風(fēng)，以保持在航道內(nèi)航行。而“長賜”號作為一艘大型船舶，其受風(fēng)面積較大，受到的橫風(fēng)作用力更強(qiáng)，這無疑增加了船員操縱船舶的難度。在岸壁效應(yīng)方面，蘇伊士運(yùn)河雖然并非內(nèi)河航道，但“長賜”輪擱淺事故中岸壁效應(yīng)同樣起到了關(guān)鍵作用。當(dāng)“長賜”號靠近運(yùn)河岸壁航行時，岸壁效應(yīng)導(dǎo)致船舶周圍水流場發(fā)生變化。船首受到岸推力矩的作用，有向航道中央偏轉(zhuǎn)的趨勢；船尾受到岸吸力的作用，向岸壁靠攏。這種船首與船尾受力不均的情況，使得船舶的操縱難度大幅增加。由于蘇伊士運(yùn)河航道相對狹窄，“長賜”輪的船型又較為龐大，岸壁效應(yīng)的影響更為顯著。根據(jù)相關(guān)研究，當(dāng)船舶與岸壁距離較近時，岸壁效應(yīng)產(chǎn)生的橫向力和首搖力矩會隨著距離的減小而迅速增大。在“長賜”輪擱淺事故中，船舶與岸壁的距離在強(qiáng)風(fēng)等因素的影響下不斷減小，岸壁效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，最終導(dǎo)致船舶失控。人為操作因素在此次事故中也不容忽視。面對強(qiáng)風(fēng)及沙塵暴天氣，船員可能未能及時準(zhǔn)確地判斷船舶的航行狀態(tài)和風(fēng)險，采取的操縱措施不夠及時或有效。在船舶受到岸壁效應(yīng)和強(qiáng)風(fēng)影響時，船員需要迅速做出正確的決策，調(diào)整船舶的航向、速度以及舵角等參數(shù)，以保持船舶的穩(wěn)定。然而，由于當(dāng)時情況復(fù)雜，船員可能在應(yīng)對過程中出現(xiàn)了判斷失誤或操作不當(dāng)?shù)那闆r。在船舶開始偏離航道時，船員可能沒有及時加大舵角來糾正航向，或者在調(diào)整船速時沒有考慮到岸壁效應(yīng)和強(qiáng)風(fēng)的綜合影響，導(dǎo)致船舶逐漸失去控制，最終擱淺?！伴L賜”輪蘇伊士運(yùn)河擱淺事故是氣象、岸壁效應(yīng)和人為操作等多因素共同作用的結(jié)果。強(qiáng)風(fēng)及沙塵暴天氣增加了船舶航行的外部干擾，岸壁效應(yīng)在狹窄航道中加劇了船舶操縱的難度，而人為操作的失誤則最終導(dǎo)致了事故的發(fā)生。這起事故為內(nèi)河船舶航行安全敲響了警鐘，在內(nèi)河船舶航行中，同樣需要充分考慮氣象、岸壁效應(yīng)等因素的影響，加強(qiáng)船員的培訓(xùn)和管理，提高船舶的操縱技能和應(yīng)對突發(fā)情況的能力，以確保內(nèi)河船舶的航行安全。5.2“新川8”號在南京長江大橋附近沉沒事故2016年4月10日凌晨4時許，“新川8”號貨船在南京長江大橋附近水域發(fā)生沉沒事故，這一事件再次將內(nèi)河船舶航行安全問題聚焦在岸壁效應(yīng)的影響上?！靶麓?”號貨船裝載著大量建筑材料，從上游港口出發(fā)，計劃駛往南京下游的目的地。當(dāng)船舶航行至南京長江大橋附近時，由于該區(qū)域航道相對狹窄，且船舶靠近岸壁航行，岸壁效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)。從當(dāng)時的航行數(shù)據(jù)和事后調(diào)查分析來看，岸壁效應(yīng)在此次事故中扮演了重要角色。在船舶靠近岸壁的過程中，船尾受到岸吸力的作用，逐漸向岸壁靠攏。而船首則在岸推力矩的影響下，向航道中央偏轉(zhuǎn)。這種船首與船尾受力不均的情況，導(dǎo)致船舶的航向難以控制。由于“新川8”號貨船的船型較為肥大，方形系數(shù)較大，根據(jù)前文研究可知，這類船型在靠近岸壁時，岸壁效應(yīng)更為明顯。在岸壁效應(yīng)的作用下，船舶的橫向力和首搖力矩大幅增加，船員在短時間內(nèi)難以做出有效的應(yīng)對措施。當(dāng)時的氣象條件也對岸壁效應(yīng)產(chǎn)生了一定的影響。事發(fā)時江面存在一定的風(fēng)力，風(fēng)速約為5-6級。風(fēng)力的作用使得船舶的航行狀態(tài)更加不穩(wěn)定，進(jìn)一步加劇了岸壁效應(yīng)的影響。根據(jù)流體力學(xué)原理，風(fēng)力會在船舶一側(cè)產(chǎn)生壓力差，與岸壁效應(yīng)產(chǎn)生的水動力相互疊加，使得船舶受到的合力更加復(fù)雜。在這種情況下，船舶不僅要承受岸壁效應(yīng)帶來的橫向力和首搖力矩，還要應(yīng)對風(fēng)力產(chǎn)生的附加作用力，這對船員的操縱技能和反應(yīng)速度提出了極高的要求。人為操作因素同樣不容忽視。在船舶受到岸壁效應(yīng)影響時，船員未能及時準(zhǔn)確地判斷船舶的危險狀態(tài)，采取的操縱措施不夠及時和有效。在船舶開始出現(xiàn)向岸壁靠攏的趨勢時，船員可能沒有及時加大舵角來糾正航向，或者在調(diào)整船速時沒有充分考慮岸壁效應(yīng)和風(fēng)力的綜合影響。此外，船員對岸壁效應(yīng)的認(rèn)識和了解不足，缺乏應(yīng)對岸壁效應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)和技能，也是導(dǎo)致事故發(fā)生的重要原因之一?！靶麓?”號在南京長江大橋附近的沉沒事故是岸壁效應(yīng)、氣象條件和人為操作等多種因素共同作用的結(jié)果。這起事故深刻地反映了岸壁效應(yīng)在內(nèi)河船舶航行安全中的重要影響，也為內(nèi)河航運(yùn)業(yè)敲響了警鐘。內(nèi)河船舶在航行過程中，尤其是在狹窄航道和靠近岸壁的區(qū)域，必須充分考慮岸壁效應(yīng)的影響，加強(qiáng)對船舶的操縱和管理，提高船員對岸壁效應(yīng)的認(rèn)識和應(yīng)對能力，以確保船舶的航行安全。5.3案例對比與啟示對比“長賜”輪蘇伊士運(yùn)河擱淺事故和“新川8”號在南京長江大橋附近沉沒事故，兩者雖發(fā)生于不同水域，但都因岸壁效應(yīng)導(dǎo)致嚴(yán)重后果，這凸顯了岸壁效應(yīng)在內(nèi)河及類似受限水域船舶航行安全中的關(guān)鍵影響。從事故原因來看，氣象因素在兩起事故中都起到了推波助瀾的作用?！伴L賜”輪遭遇強(qiáng)風(fēng)及沙塵暴，強(qiáng)風(fēng)產(chǎn)生的橫風(fēng)作用力使船舶難以保持航向；“新川8”號沉沒事故發(fā)生時江面有5-6級風(fēng)力，與岸壁效應(yīng)疊加，加劇了船舶航行的不穩(wěn)定性。這表明內(nèi)河船舶航行時，需密切關(guān)注氣象變化，提前做好應(yīng)對惡劣天氣的準(zhǔn)備。岸壁效應(yīng)的影響程度與船舶自身?xiàng)l件緊密相關(guān)。“長賜”號船型龐大，在蘇伊士運(yùn)河相對狹窄的航道中，岸壁效應(yīng)更為顯著；“新川8”號貨船方形系數(shù)較大，船型肥大，靠近岸壁時岸壁效應(yīng)明顯增強(qiáng)。這啟示在船舶設(shè)計和選型時，應(yīng)充分考慮內(nèi)河航道特點(diǎn)，合理設(shè)計船型參數(shù)，以降低岸壁效應(yīng)風(fēng)險。人為操作因素在兩起事故中均是重要致因。面對復(fù)雜情況，船員對岸壁效應(yīng)認(rèn)識不足，操作措施不當(dāng)，未能有效應(yīng)對船舶航行的危險狀況。因此，加強(qiáng)船員培訓(xùn)至關(guān)重要，應(yīng)提升船員對岸壁效應(yīng)的認(rèn)識和理解，提高其在復(fù)雜情況下的操縱技能和應(yīng)急處理能力。兩起事故還反映出對航道條件評估的重要性。蘇伊士運(yùn)河和南京長江大橋附近航道都存在狹窄、水流復(fù)雜等特點(diǎn)，船舶在這些區(qū)域航行時，岸壁效應(yīng)影響更為突出。內(nèi)河航運(yùn)管理部門應(yīng)加強(qiáng)對航道條件的監(jiān)測和評估，及時發(fā)布航道信息，為船舶航行提供安全保障。六、內(nèi)河船舶應(yīng)對岸壁效應(yīng)的策略與建議6.1船舶操縱策略在內(nèi)河航行中，船舶駕駛員面對岸壁效應(yīng)時，需采取一系列科學(xué)有效的操作方法和注意事項(xiàng)，以確保船舶航行安全。在船舶接近岸壁前，駕駛員應(yīng)密切關(guān)注船舶與岸壁的距離，運(yùn)用先進(jìn)的導(dǎo)航設(shè)備，如雷達(dá)、電子海圖等，實(shí)時監(jiān)測船岸間距。當(dāng)船岸間距小于1.7倍船寬時，岸壁效應(yīng)將顯著增強(qiáng)，此時駕駛員必須提高警惕，提前做好應(yīng)對準(zhǔn)備。根據(jù)相關(guān)研究和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，在狹窄航道中，船舶應(yīng)盡量保持在航道中央航行，這樣可以有效減小岸壁效應(yīng)的影響。因?yàn)樵诤降乐醒?，船舶兩?cè)的水流條件相對較為均勻，船岸間的流速差和壓力差較小，從而降低了岸吸力和岸推力矩的作用。船舶速度的控制至關(guān)重要。前文研究表明，船舶速度越高，岸壁效應(yīng)越劇烈。因此，在靠近岸壁時，駕駛員應(yīng)適當(dāng)降低船速，以減小岸壁效應(yīng)的影響。一般來說，船速可降低至正常航行速度的60%-70%。例如，在某內(nèi)河航道中，當(dāng)船舶靠近岸壁時，將船速從10節(jié)降低至6-7節(jié)，船舶受到的橫向力和首搖力矩明顯減小，操縱難度也隨之降低。在降低船速的過程中，駕駛員要注意保持船舶的舵效，避免因船速過低而導(dǎo)致舵效變差，影響船舶的操縱性能。舵角的調(diào)整是應(yīng)對岸壁效應(yīng)的關(guān)鍵操作。當(dāng)船舶受到岸推力矩作用，船首向航道中央偏轉(zhuǎn)時，駕駛員應(yīng)及時操舵，適當(dāng)增加舵角，以保持船舶的航向。但需注意，舵角不宜過大，以免導(dǎo)致船舶過度轉(zhuǎn)向，增加與岸壁碰撞的風(fēng)險。在實(shí)際操作中，駕駛員應(yīng)根據(jù)船舶的實(shí)際情況和岸壁效應(yīng)的影響程度，靈活調(diào)整舵角。一般情況下，舵角可調(diào)整至5°-10°，并密切觀察船舶的航向變化，及時進(jìn)行微調(diào)。在應(yīng)對岸壁效應(yīng)時，駕駛員還應(yīng)充分利用船舶的側(cè)推器等輔助操縱設(shè)備。側(cè)推器可以在船舶靠近岸壁時，提供額外的橫向推力，幫助船舶抵消岸吸力和岸推力矩的作用，提高船舶的操縱靈活性。例如，當(dāng)船舶在狹窄航道中靠近岸壁時，啟動側(cè)推器，使其向遠(yuǎn)離岸壁的方向產(chǎn)生推力，能夠有效減小船舶與岸壁的靠攏趨勢，保障船舶的航行安全。駕駛員的經(jīng)驗(yàn)和技能也起著重要作用。駕駛員應(yīng)熟悉不同船型、不同航行條件下岸壁效應(yīng)的特點(diǎn)和規(guī)律，具備敏銳的觀察力和快速的反應(yīng)能力。在實(shí)際航行中，駕駛員要不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，提高應(yīng)對岸壁效應(yīng)的能力。通過定期參加培訓(xùn)和模擬演練，駕駛員可以增強(qiáng)對各種復(fù)雜情況的應(yīng)對能力，在遇到岸壁效應(yīng)時能夠迅速做出正確的決策，保障船舶的安全航行。6.2航道設(shè)計與管理建議航道寬度是影響內(nèi)河船舶岸壁效應(yīng)的重要因素之一。根據(jù)Hooft的研究，當(dāng)航道寬度與船長之比W/L≤2時，船舶航行時會出現(xiàn)岸壁效應(yīng)；當(dāng)W/L≤1時，船舶的操縱性會受到明顯影響。因此，在航道設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)船舶的類型和尺度，合理確定航道寬度。對于大型內(nèi)河船舶，航道寬度應(yīng)保證足夠大，以減小岸壁效應(yīng)的影響。在實(shí)際設(shè)計中，可將航道寬度設(shè)計為船長的2.5-3倍，這樣能有效降低岸壁效應(yīng)的風(fēng)險，提高船舶航行的安全性和舒適性。例如，對于一艘船長為100米的內(nèi)河貨船，航道寬度應(yīng)設(shè)計為250-300米。水深對于內(nèi)河船舶岸壁效應(yīng)同樣有著關(guān)鍵影響。一般來說，水深與吃水比越小，岸壁效應(yīng)越明顯。為了減小岸壁效應(yīng)，應(yīng)確保航道水深滿足船舶吃水的要求，并留有一定的富裕水深。根據(jù)相關(guān)規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)，富裕水深一般取船舶吃水的10%-15%。在淺水區(qū)或航道水深變化較大的區(qū)域，應(yīng)加強(qiáng)水深監(jiān)測，及時掌握水深情況，為船舶航行提供準(zhǔn)確的水深信息。對于吃水為5米的內(nèi)河船舶，在航道設(shè)計時，應(yīng)保證航道水深不小于5.5-5.75米，同時，可在航道沿線設(shè)置水深監(jiān)測設(shè)備，實(shí)時監(jiān)測水深變化，一旦發(fā)現(xiàn)水深不足，及時采取疏浚等措施進(jìn)行維護(hù)。在航道管理方面，應(yīng)加強(qiáng)對船舶航行的監(jiān)控和管理，制定嚴(yán)格的航行規(guī)則，確保船舶按照規(guī)定的航線和速度航行。對于狹窄航道和靠近岸壁的區(qū)域，應(yīng)設(shè)置明顯的警示標(biāo)志，提醒船舶駕駛員注意岸壁效應(yīng)的影響?？稍谶@些區(qū)域設(shè)置岸壁效應(yīng)警示標(biāo)志，標(biāo)注出安全航行的距離和速度范圍，引導(dǎo)船舶駕駛員正確操作船舶。建立健全的航道維護(hù)機(jī)制，定期對航道進(jìn)行檢查和維護(hù)，確保航道的寬度、水深等參數(shù)滿足設(shè)計要求。及時清理航道內(nèi)的障礙物，修復(fù)損壞的岸壁結(jié)構(gòu)，保障航道的安全暢通。內(nèi)河航道設(shè)計和管理還應(yīng)充分考慮不同船型的特點(diǎn)。對于船型肥大、方形系數(shù)較大的船舶，其岸壁效應(yīng)更為明顯，在航道設(shè)計時應(yīng)給予更大的安全余量。加強(qiáng)對船舶駕駛員的培訓(xùn)和教育，提高他們對岸壁效應(yīng)的認(rèn)識和應(yīng)對能力，使其能夠在航行過程中正確判斷和處理岸壁效應(yīng)帶來的影響。6.3未來研究方向展望盡管目前在內(nèi)河船舶岸壁效應(yīng)水動力過程研究方面已取得一定成果，但仍存在諸多有待深入探索的領(lǐng)域。未來研究可從多因素耦合作用、新型船型研究、實(shí)際應(yīng)用拓展以及跨學(xué)科研究融合等方向展開。多因素耦合作用研究是未來的重點(diǎn)方向之一。當(dāng)前研究多聚焦于單一因素對岸壁效應(yīng)的影響，然而內(nèi)河船舶航行時往往受船速、船型、水深、岸壁間距、水流等多因素共同作用，各因素相互關(guān)聯(lián)、相互影響，使岸壁效應(yīng)更為復(fù)雜。未來應(yīng)