Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
4.3 Изменение характеристик водного потока при движении в нем плотов и судов
Движение плотов и судов на участках водного пути, имеющих ограничения по глубине и ширине, обуславливает возникновение дополнительного сопротивления воды их движению по сравнению с неограниченными морскими и озерными условиями плавания. Одной из причин изменения сопротивления воды движению плотов и судов является изменение скорости обтекания плота и судна в ограниченном потоке.
При ограниченных габаритах пути наблюдается резкое изменение скоростей в пограничной, потенциальной и вихревой областях потока, обтекающего тело, а следовательно, происходит перераспределение давления потока, окружающего тело.
Точное распределение скоростей потока, обтекающего тело, и их абсолютную величину трудно определить теоретическим и экспери ментальным путем вследствие изменений характера продольного и поперечного профилей действительного русла, различной степени его шероховатости, колебаний горизонта воды, пульсации скоростей потока.
Для определения скорости обтекания плота или судна в зависимости от основных размеров поперечного потока сделаем допущения: путевые габариты неизменны, плот или судно обтекает равномерный поток [23].
Введем следующие обозначения (рисунок 4.8):
ω, υ – площадь поперечного сечения потока, средняя скорость его течения, не стесненного судном;
ωс, υс – площадь поперечного сечения потока, средняя скорость его течения, когда в нем находится судно с площадью миделевого сечения 
;
h, hc – глубина потока соответственно в нестесненной его части перед носовой частью судна и в мидели.
.
Рисунок 4.8 Схема движения судна в ограниченных условиях
При движении судна или плота на участках, ограниченных по ши рине и глубине, наблюдается посадка судна на ходу, по сравнению с движением в неограниченном потоке. В районе движения судна наблюдается понижение уровня. Для определения величины понижения уровня воды в районе нахождения судна воспользуемся принципом подвижных координат, соединенных с судном. При этом рассматривается обращенное движение, т.е. считаем судно неподвижным, а поток набегающим на судно со скоростью равной скорости движения судна υ. В зоне расположения судна, вследствие уменьшения площади живого сечения потока поперечным сечением корпуса судна, скорость течения увеличивается на некоторую величину Δυ. Скорость в стесненном сечении потока 
.
Для определения скорости υс воспользуемся уравнением Бернулли, записанным для сечений АА и ВВ:
(4.26)
Для определения υс необходимо установить величину понижения уровня воды Δh в сечении ВВ.
Величина Δυ может быть приближенно определена из уравнения неразрывности
(4.27)
Площадь потока, стесненного судном, определится выражением
(4.28)
где – площадь погруженной части корпуса судна по мидельшпангоуту;
b – средняя ширина канала, вычисляемая по выражению 
Считая произведение (Δhb) малым по сравнению с площадью ω, им можно пренебречь. Тогда, подставляя (4.28) в (4.27) и решая относительно Δυ, получим
(4.29)
где 
– профильный коэффициент.
Зная значение Δυ можно определить теоретическую величину понижения уровня воды Δh, воспользовавшись для этого уравнением (4.26). Подставляя в уравнение (4.26) значение 
и, решая относительно Δh, получим
(4.30)
Подставляя значение Δυ (4.29) в формулу (4.30), получим
(4.31)
Из уравнения (4.31) следует, что величина Δh быстро возрастает пропорционально квадрату скорости и с уменьшением значения n.
Формула (4.31) дает возможность определить значение приближенно. Во-первых, она получена с введением допущения малости величины (Δhb); во-вторых, она не учитывает характера обтекания корпуса судна реальным потоком.
Для практических расчетов в работе [62] для определения величины Δh рекомендуется формула, учитывающая не только изменение формы поперечного сечения, но и характер обтекания корпуса судна
(4.32)
где 
Значение скорости потока в стесненном сечении с учетом величины Δh (4.33) получим из уравнения (4.26)
(4.33)
Увеличение скорости обтекания судна в стесненном потоке обус лавливает появление дополнительного сопротивления воды движе нию судна.
Профессор Худоногов В.Н. для определения скорости потока в ограниченных условиях мелководья при движении в нем плота ввел коэффициент перераспределения скоростей обтекания Ψ, представляющий собой отношение скоростей обтекания при движении плота в ограниченных и неограниченных потоках, т.е.
Коэффициент перераспределения Ψ определен экспериментальным путем [21]. При движении плота в неограниченных условиях
При движении плота в ограниченных условиях
(4.34)
где 
;
– отношение глубины потока к осадке плота;
– соответственно равнозернистые шероховатости верхней и нижней стенок.
Формулы (4.34) справедливы для отношении
при 
.
Коэффициент перераспределения ψ может быть определен по графику (рисунок 4.9).
Рисунок 4.9 График для определения коэффициента ψ для плотов, плавающих на мелководье