Проседание судна на мелководье
(Squat effect)
Составление плана перехода (Passage Plan) требует, чтобы при плавании на мелководье, в каналах, в узких фарватерах и портовых водах учитывалось увеличение осадки от проседания судна на мелководье.
Рассмотрим физический смысл проседания судна на мелководье.
Эффект проседания судна на мелководье основан на действии Закона Бернулли:
«При уменьшении сечения потока, из-за возрастания скорости, статическое давление падает»
На судно не имеющее хода относительно воды и находящееся в неподвижной воде действует только сила поддержания. Как только у судна появляется ход относительно воды, то вокруг судна возникают потоки воды, образующие гидродинамическое поле с различными скоростями в каждой его точке. На участках с большей скоростью начинает действовать закон Бернулли и, следовательно, понижается давление.
Когда судно, следует по мелководью или в узкости, то у обтекающего его потока воды появляются дополнительные границы в виде дна и берегов, которые значительно сужают русло потока, что приводит к возрастанию скорости протекания воды и понижению давления. Понижение давления под днищем судна приводит к просадке, а понижение давления между бортом судна и откосами приводит к возникновению эффекта присасывания. Могут одновременно проявляться оба эффекта. Очевидно, что чем меньше запас воды под килем и между бортом и откосом, тем больше проявляется эффект проседания и присасывания.
Проседание судна на мелководье
Глубина на которой начинает появляться эффект проседания вычисляется по формуле Г.Е. Павленко:
где,
Т – средняя осадка неподвижного судна (м);
V – скорость судна (м/с);
g — ускорение свободного падения (9, 81 м/с²)
Наиболее чувствительно влияние мелководья сказывается, когда соотношение глубины к осадке судна Н / Т ≤ 2. Наибольший эффект при соотношении Н / Т = 1,1 – 1,2.
При этом увеличение скорости относительно грунта не всегда увеличивает проседание судна. Например, если судно дрейфует по течению относительно грунта со скоростью 7 узлов, то относительно воды оно находится в состоянии покоя и никакого проседания наблюдаться не будет, так как судно движется с потоком воды, не толкает воду и поток воды не движется под днищем судна. Однако если судно ошвартовано или стоит на якоре на течении скоростью в 7 узлов, то в этом случае поток будет обтекать судно с разной скоростью, особенно ускоряясь под днищем судна и из-за понижения давления будет возникать проседание судна. Как видим, в данном случае скорость относительно грунта будет равняться нулю, а поток воды будет обтекать судно со скоростью 7 узлов. Таким образом, судно может испытывать проседание даже стоя у причала на сильном течении.
Степень влияния мелководья зависит от скорости судна, выраженной числом Фруда (Fr), которое вычисляется по формуле: 
где,
Н – глубина фарватера (м);
V – скорость судна (м/с);
g — ускорение свободного падения (9,81 м/с²).
При числе Фруда Fr 0,7 – судно проседает носом.
У судна, имеющего дифферент на корму, проседание также будет на корму, при дифференте на нос, проседание также на нос.
Как уже упоминалось выше в каналах и в узких фарватерах сечение потока воды значительно сужается корпусом судна. Соотношение сечения русла канала к проекции поперечного сечения подводной части корпуса судна называют коэффициентом загромождения русла канала (Bf).
Таким образом мы рассмотрели все факторы от которых зависит просадка судна на мелководье. Далее рассмотрим формулы применяемые для вычисления просадки судна. Величина просадки вычисляется по формулам доктора Баррасса. Одна формула применяется для вычисления просадки при плавании в стесненных водах — каналах и подобным им фарватерам (Confined waters), а другая для вычисления просадки при плавании в открытых водах — на мелководье имеющем достаточно большое водное пространство (Open waters).
Данные формулы справедливы для значений:
Коэффициент общей полноты судна Сb = 0,5 – 0,9;
Отношение глубины к осадке судна Н / Т = 1,1 – 1,4.
Вычисление величины проседания судна на мелководье
Стесненные воды (Confined waters):
Открытые воды (Open waters):
Sq — Просадка судна (метры);
Сb – Коэффициент общей полноты;
V — Скорость судна относительно воды (узлы).
Если известны размеры русла канала и можно вычислить коэффициент загромождения, то его добавляют в формулу для стесненных вод: 
Где,
Полученное значение просадки судна на мелководье используется для расчетов минимально допустимого запаса глубин (Under keel clearance — UKC) при плавании на мелководных и стесненных участках пути судна.
Вычисленные значения минимально допустимого запаса глубин необходимо сравнить со значениями, установленными компанией и если полученное значение менее допустимого, то необходимо выполнить расчет просадки для более низкой скорости судна и сравнить снова, пока полученный результат минимально допустимого запаса глубин не будет соответствовать установленному компанией.
Просадка судна при плавании на мелководье
Для большинства судов, имеющих обычную конфигурацию корпуса (без носового бульба),характерно проседание с дифферентом на корму. Скоростное проседание с дифферентом на нос характерно для крупнотоннажных судов.
Результаты натурных испытаний показывают, что у судов с коэффициентом общей полноты Св > 0,8 проседание носовой оконечностью больше, чем кормовой. При движении судна околокритическими скоростями просадка может достигать 5 – 7% от средней осадки.
На малых глубинах величина просадки еще более увеличивается из-за присасывания корпуса судна к грунту.
Минимальная глубина, необходимая для безопасного плавания судна на мелководье (Нбез), определяется следующим выражением:
Нбез = dк + Δdк + Δdв + Δdкр + Z,
где dк – осадка судна кормой, м;
Δdк – просадка кормы судна, м;
Δdв – увеличение осадки на волнении, м;
Δdкр – увеличение осадки от крена судна, м;
Z – запас воды под килем, который должен составлять не менее 1 м.
Увеличение осадки судна при крене
Крупнотоннажные суда, имеющие полнообводные формы корпуса (Св > 0,7),при движении на мелководье проседают больше носом, чем кормой (рис. 5.8). Для определения скоростного проседания таких судов можно воспользоваться номограммой National Phisical Laboratory – NPL (рис.5.9) или таблицей.
Влияние мелководья на управляемость крупнотоннажного судна
Номограмма для определения просадки судна по методу NPL
Определение увеличения осадки судна от угла крена
ПРОСАДКА СУДНА ПРИ ПЛАВАНИИ НА МЕЛКОВОДЬЕ
(СКОРОСТНОЕ ПРОСЕДАНИЕ)
Образование одиночной поперечной волны понижает уровень поверхности воды у бортов судна, что вызывает опускание корпуса относительно уровня спокойной воды и увеличение дифферента. Это явление называется просадкой.
Для большинства судов, имеющих обычную конфигурацию корпуса (без носового бульба), характерно проседание с дифферентом на корму. Скоростное проседание с дифферентом на нос характерно для крупнотоннажных судов. Результаты натурных испытаний показывают, что у судов с коэффициентом общей полноты Св ≥ 0.8 проседание носовой оконечностью больше, чем кормовой.
Рис. 5.6. Влияние мелководья на управляемость крупнотоннажного судна
Минимальная глубина, необходимая для безопасного плавания судна на мелководье (Нбез), определяется следующим выражением:
где Тк – осадка судна кормой, м;
ΔТк – просадка кормы судна, м;
ΔТв – увеличение осадки на волнении, м;
ΔТкр – увеличение осадки от крена судна, м;
Z – запас воды под килем, который должен составлять не менее 1 м.
Рис. 5.7. Увеличение осадки судна при крене
Крупнотоннажные суда, имеющие полнообводные формы корпуса (Св ≥ 0.8), при движении на мелководье проседают больше носом, чем кормой. Для определения скоростного проседания таких судов можно воспользоваться номограммой NPL (National Phisical Laboratory).
Для характеристики формы обводов корпуса различных судов служат так называемые коэффициенты полноты. Они не дают полного представления о форме корпуса, но позволяют численно оценить главные ее особенности.
Основными безразмерными коэффициентами полноты формы подводного объема корпуса судна являются:
δ= V/(L×B×T)
Таблица для определения увеличения осадки судна от угла крена
Рис. 5.8. Номограмма для определения просадки судна по методу NPL
Просадка судна при плавании на мелководье ( скоросное проселание)
Образование одиночной поперечной волны понижает уровень поверхности воды у бортов судна, что вызывает опускание корпуса относительно уровня спокойной воды и увеличение дифферента. Это явление называется просадкой.
Для большинства судов, имеющих обычную конфигурацию корпуса (без носового бульба), характерно проседание с дифферентом на корму. Скоростное проседание с дифферентом на нос характерно для крупнотоннажных судов. Результаты натурных испытаний показывают, что у судов с коэффициентом общей полноты Св ≥0.8 проседание носовой оконечностью больше, чем кормовой.
Влияние мелководья на управляемость крупнотоннажного судна
Минимальная глубина, необходимая для безопасного плавания судна на мелководье (Нбез), определяется следующим выражением:
Нбез = dк + Δdк + Δdв+ Δdкр + Z, м
где dк – осадка судна кормой, м; Δdк – просадка кормы судна, м;
Δdк = αΔdср, м;
α – коэффициент, зависящий от соотношения длины и ширины судна; Δdср – средняя осадка судна;
Δdв – увеличение осадки на волнении, м;
Δdв = 0,6 hв, м;
hв – высота волны, м; Δdкр – увеличение осадки от крена судна, м; Z – запас воды под килем, который должен составлять не менее 1 м.
Увеличение осадки судна при крене
Крупнотоннажные суда, имеющие полнообводные формы корпуса (Св > 0.8), при движении на мелководье проседают больше носом, чем кормой. Для определения скоростного проседания таких судов можно воспользоваться номограммой NPL (National Phisical Laboratory).
Таблица для определения увеличения осадки судна от угла крена
Номограмма для определения просадки судна по методу NPL
Скоростное проседание судна
Термин “ скоростное проседание ” обозначает разность между глубинами под килем движущегося судна и судна, не имеющего хода относительно воды. Причиной скоростного проседания судна является следующий физический процесс, происходящий вокруг движущегося судна.
При рассмотрении движения судна относительно воды можно в равной степени говорить о движении воды относительно судна. Таким образом, частицы воды, встречающие на своем пути корпус судна, вынуждены его огибать вдоль бортов и днища.
Поскольку вода обладает свойством неразрывности, то вытесняемые в стороны частицы воды, двигаясь по криволинейной траектории, за то же самое время должны пройти больший путь чем частицы, движущиеся по прямой. Следовательно, скорость частиц, огибающих судно, выше скорости частиц, движущихся по прямой.
Кроме того, эти частицы, находившиеся в состоянии покоя относительно грунта, образуют поток, движущийся относительно грунта в направлении, встречном направлению движения судна.
Минимальная глубина, необходимая для безопасного плавания судна на мелководье (Нбез), определяется следующим выражением:
Нбез = dк + Δdк + Δdв + Δdкр + Z, м
dк – осадка судна кормой, м;
Δdк – просадка кормы судна, м; Δdк = αΔdср, м;
Δdв – увеличение осадки на волнении, м; Δdв = 0,6 hв, м;
Δdкр – увеличение осадки от крена судна, м;
Z – запас воды под килем, который должен составлять не менее 1 м
Увеличение осадки судна при крене
Таблица для определения увеличения осадки судна от угла крена
Номограмма для определения просадки судна по методу NPL
Крупнотоннажные суда, имеющие полнообводные формы корпуса (Св ≥ 0.8), при движении на мелководье проседают больше носом, чем кормой. Для определения скоростного проседания таких судов можно воспользоваться номограммой NPL (National Phisical Laboratory).
Поле вызванных скоростей не симметрично относительно миделя, следовательно, не симметрично и поле давления воды вдоль движущегося судна (рис.2).
В носовой части формируется поле повышенного давления за счет лобового сопротивления формы корпуса, замедляющего набегающий поток. В кормовой части замедление потока, огибающего судно, (а следовательно, и повышение давления) происходит за счет влияния “попутного потока”, движущегося вместе с судном.
Однако, работа винта, создающего дополнительное разряжение воды у кормовой оконечности, существенно влияет на результирующую величину поля давлений.
Участки повышенного давления в носовой и кормовой оконечностях имеют разную природу и разные величины, зависящие от многих параметров погруженной части корпуса.
Несимметричность поля давления вдоль корпуса приводит к тому, что скоростное проседание происходит с изменением дифферента судна. Для большинства судов, имеющих обычную конфигурацию корпуса (без носового бульба), характерно проседание с дифферентом на корму.
Скоростное проседание с дифферентом на нос характерно для крупнотоннажных судов. Результаты натурных испытаний показывают, что у судов с коэффициентом общей полноты Св > 0.8 проседание носовой оконечностью больше, чем кормовой.
При выходе судна на мелководье скоростное проседание увеличивается в сравнении с проседанием на глубокой воде. Причин тому несколько. Одной из причин является меняющаяся картина волнообразования.
В общем случае движущееся судно образует две системы волн: поперечную, распространяющуюся перпендикулярно диаметральной плоскости судна, и систему волн, образующую сектор.
Другой причиной дополнительного проседания судна на мелководье является малый запас воды под килем. Как уже говорилось, частицы воды, огибающие корпус, движутся с большей скоростью, образуя поле вызванных скоростей (встречный поток).
Если поле вызванных скоростей достигает грунта, то там возникает пограничный слой, где силы трения притормаживают встречный поток воды
Но для того, чтобы то же количество воды успевало проходить под днищем, скорость потока увеличивается. А увеличение скорости потока под днищем приводит к дополнительному падению давления в этом районе, что и приводит к дополнительному проседанию корпуса.
При движении судна на мелководье с ограниченной акваторией (в узкости) на поле вызванных скоростей оказывают влияние не только дно, но и стенки канала.
В результате этого воздействия перепады поля давлений вокруг судна имеют большую амплитуду, чем в условиях неограниченной акватории.
Дополнительное падение давления приводит к дополнительному проседанию. Четкой границы между мелководьем с неограниченной и ограниченной акваторией нет. Дополнительным параметром при оценке поведения судна в мелководном канале служит отношение: