1.Характеристики навигационной безопасности условий плавания на мелководье.

Если границы, установленные юридически, или физические опасности однозначно определяют запретные для плавания районы, то при плавании в прибрежной зоне и в условиях мелководья навигационная опасность будет определяться    допустимой    глубиной        для    соответствующего гидродинамического режима и гидрометеорологических условий плавания (эта допустимая глубина будет определять ограждающую изобату, за пределы которой судну заходить не следует).

При движении крупнотоннажного судна на мелководье происходит перераспределение давлений по корпусу и наблюдается два характерных явления - встречный поток под днищем и у бортов судна и изменение волновой системы вокруг судна. Встречный    поток возникает вследствие стеснения струй жидкости, обтекающей судно, из-за ограничения потока дном водоема, что приводит к возрастанию   скоростей обтекания корпуса судна и всех составляющих сопротивления воды.

       Для количественной оценки степени влияния мелководья обычно используют безразмерные величины: отношение глубины к осадке или к длине судна, характеризующие степень стеснения потока по глубине; критерии динамического подобия потоков, которые представляют в виде числа Фруда или числа Фруда по глубине

Fr=V/(gL)^1/2            Fr_h= V/(gL)^1/2=Fr(L/H)^1/2                                     (1.1)

где Fr - число Фруда;

Ргн - число Фруда по глубине;

V - скорость хода, м/с;

Н - глубина, м;

L - длина судна по ватерлинии, м;

g = 9,8 м/с² - ускорение силы тяжести.

В зависимости от глубины и скорости хода выделяются следующие режимы движения.

При числах Фруда меньше 0,65-0,70 (до волновой режим на мелководье) существенной   трансформации   судовых волн не наблюдается, и все возрастание сопротивления определяется встречным потоком. Этот режим характерен для речных условий [9, 129]. Для морских условий и судов волнообразование остается аналогичным глубокой воде при числах Фруда меньше 0,3 [75], 0,3-0,4 [44], 0,4 [9, 129], 0,5 [23, 44].

При числах Фруда 0,65-0,95 [9, 23, 129], 0,7-0,8 [23, 44], 0,6-0,9 [9, 23] (докритические скорости на мелководье) угол,   составляемый гранями расходящихся волн с направлением движения судна,   увеличивается, в движение вовлекаются дополнительные массы жидкости, и волновое сопротивление возрастает по сравнению с движением на глубокой воде с той же скоростью. Вблизи бортов судна наблюдается понижение уровня свободной поверхности жидкости, вследствие чего увеличивается средняя осадка судна и возникает дифферент на корму.  Это явление, с которым необходимо считаться в практике судовождения, называется обычно   динамической просадкой судна на мелководье.   На основании формулы Бернулли эта просадка определяется выражением

DH₄=(V²₁ – V²)/2g                                                       (1.2)

где  DH₄  - понижение уровня поверхности воды вблизи судна (увеличение осадки судна), м;

V₁, V - скорость потока у судна и впереди судна, соответственно, м/с. В работах [9, 23, 42, 44, 75, 129, 147] оценка глубин, при которых оказывается влияние мелководья, определяется формулой

H £ 4T+3V²/g                                                            (1.3)

где   Т   - средняя осадка судна в состоянии покоя, м.

В работах [23, 132] эта глубина оценивается формулой, которая при переходе к единицам измерения, указанным выше, принимает вид

H £ 2.82TV / L^1/2                                                           (1.4)

В статье [159] по зарубежным исследованиям эту глубину предлагается определять только в зависимости от геометрических характеристик судна

Н=T[4,69 + 52,68(1 - a_B )²],                                                (1.5)

где  a_B - коэффициент полноты фактической ватерлинии (0,800-0,806 -для танкеров;  

               0,75 - для пассажирских лайнеров; 0,7 - для контейнеровозов).

Особенно заметно влияние мелководья при отношении глубины к осадке меньшем 1,5 и достижении судном так называемой критической скорости, определяемой в канале по исследованиям Г.И. Сухомела и А.М. Басина [9, 129, 132] формулой

V_KP=(8cos³((p+arccos(1-m))/3))^1/2(gH)^1/2                                  (1.6)

а на мелководье [132]

V_KP=(2/(3K³-1)^1/2(gH)^1/2                                                  (1.7)

где m=BT/B_KH- профильный коэффициент - отношение площади миделя к площади сечения  

                            канала;

В   - ширина судна, м;

Вк  - ширина канала, м;

К   - числовой коэффициент, определяемый по специальной таблице [132].

В работах [23, 136] этот коэффициент аппроксимировался прямой линией. Детальный анализ позволил выявить гиперболический характер его изменения и более точно аппроксимировать  (со  среднеквадратической погрешностью 0,004) выражением

К =1,44B/L+0,98                                                       (1.8)

Для приближенного определения может быть принято:

V_KP » (gH)^1/2                                                         (1.9)

При критической скорости на мелководье (при числе Фруда равной единице) система поперечных и расходящихся волн вырождается в одну большую поперечную волну,   перемещающуюся перед носом судна и аналогичную в кормовой оконечности. При этом имеет место максимальное волновое сопротивление и просадка судна [23].

При значительных  сверхкритических  скоростях  на  мелководье сопротивление воды движению судна несколько меньше, чем на глубокой воде, наблюдается уменьшение средней осадки и дифферента на корму.

В работе [23] показано, что для морских крупнотоннажных судов на мелководье появляется ходовой дифферент на   нос   независимо   от статической посадки судна. Таким образом, изменение посадки судна при движении на мелководье влечет за собой уменьшение запаса воды под днищем. Знание этих закономерностей представляет практический интерес для судоводителей, с целью обеспечения безопасности мореплавания.

Анализ теоретических, модельных и экспериментальных исследований по определению безопасных для плавания глубин, выполненный в работе [23] по многочисленным источникам показывает, что ограждающая или опасная изобата определяется максимальной осадкой и минимально допустимым запасом глубины под килем судна.

Н_оп=Т_max+DН,                                                      (1.10)

где Н_оп - опасная глубина (опасная изобата), м;

T_max ^- максимальная осадка судна, м;

DН - суммарный запас глубины, м.

Суммарный запас глубины зависит от точности промера, колебаний уровня воды, навигационных и гидрометеорологических условий плавания, посадки и режима движения судна, и на основании анализа исследований [6, 9, 11, 17, 18, 23, 26, 30, 44, 51, 53, 58, 60, 62, 67, 75, 76, 78, 84, 90, 98-101, 107-109, 111, 118, 127, 128, 131, 132, 136, 137, 139, 145, 147, 149, 152, 153, 155, -159] определяется следующими составляющими

 DH=DH₀ + DH₁ + DH₂ + DH₃ + DH₄                                     (1.11)

где DH₀ -  поправка глубины на колебание уровня воды, указанной на карте, м;

DH₁ - минимальный навигационный запас глубины, м;

DH₂ - запас глубины на крен судна, возникающий от ветра и гидродинамических сил,    

           обусловленных изменением курса судна, м;

DH₃ - запас глубины на погружение оконечностей судна в условиях волнения, м;

DH₄ - скоростной запас глубины на изменение посадки судна на ходу, м.

Для определения перечисленных составляющих маневренного смещения судна с заданной траектории и запаса глубины в отечественных и зарубежных исследованиях имеются различные   методы (табличные,   графические, аналитические) базирующиеся на теоретических и экспериментальных данных.