壁效應

簡介

船舶偏離航道中心線而靠近航道一側岸壁時，靠近岸壁的一側水流加速，壓力下降，產(chǎn)生使船舶靠近岸邊的附加作用力，即岸吸力，它可能導致船舶觸碰岸壁。同時還產(chǎn)生一個使船首偏離岸壁的力矩，即岸推力矩。岸吸力和岸推力矩通稱為“岸壁效應”，它可能導致船尾碰岸壁，如圖1所示:

實際上，當船舶航行在寬度受限的航道內航行時，左右弦均受到岸壁的影響，因此岸壁對船舶的運動的影響可以分為兩種情況:一種是船舶航行在航道中心線的情況;另外一種是船舶偏離航道中心線而靠近一側岸壁的情況。

船舶在航道中心線航行時，與無限水域比較，由于水域寬度受限，船體周圍的流加速，壓強降低，阻力增大，船速降低。但是由于左右舷均受到岸壁的作用，兩者幾乎是對稱的，作用力相互抵消，則岸壁影響不至于使船舶發(fā)生岸壁效應，如圖2所示。

當深度和寬度同時受到限制時，將同時發(fā)生淺水效應和岸壁效應，這兩種效應疊加，使岸壁效應和淺水效應更加嚴重，這種效應稱為阻塞效應。發(fā)生阻塞效應時，由于船舶排開的水流空間受到限制，使相對流速更為增大，則岸壁效應、船體下沉、船舶降速等現(xiàn)象更為劇烈。阻塞效應與船舶橫截面積和航道橫截面積之比有關，該比值越大，阻塞效應愈明顯。

理論及實驗研究成果

在1950年以前，船舶在受限水域中的操縱性研究并沒有受到過多的重視，因此，該領域的成果大都集中在內河船舶航行過程中阻力特性的變化。自此之后，受限水域從內河擴展到了海洋范圍，而受力的影響不毋究范圍也從阻力發(fā)展到了干涉力和力矩，其主要的計算方法為理論法和試驗法。

國外學者Hess在做船舶航行至垂直岸壁附近時的受力方面的分析時歸納出了其橫向力計算的理論模型，并對船舶在無規(guī)則岸壁的非穩(wěn)性流體做實驗。結果表明，船首向與岸壁之間的夾角的不同的情況下，船舶受力與船速及離岸距離之間的量化公式。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式。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，該方法成立的條件是:航道吃水小，易于簡化解決方法;船舶的方形系數(shù)較小，船長較長，用源以及渦流強度表示下沉量，尾傾，橫向干涉力以及首搖力矩。Newman則對同類型船體的船舶做出了在平行岸壁間橫移情況下的計算與結論Beck Newman，和Tuck擴展了他的研究在疏浚的航道，兩側都是淺水時的情況。Kaplan與Sankaranarayanan將多艘船舶與岸壁假定為平行的情況下，利用細長體升力模型以及非定常流的Lagally定律分析受力，再利用船體形狀的三重積分的加權得到了最終結果。

六十年代之后，學者對海船在受限水域的操縱性問題有著大量的研究。

1971年，Eda在考慮了岸壁效應的影響情況下，通過對25萬噸的油船船模實驗進行分析，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數(shù)。

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行的試驗，闡述了岸壁力以及力矩的計算公式。

2001年，Li等人對一艘雙體船船模，一艘渡船船模以及一艘油船船模進行了大量的試驗，分析了船舶離岸距離，船速，螺旋槳作用力等因素對船舶運動所產(chǎn)生的影響。

2003年Marc Vantorre等學者將三種船模置于不同的前進速度，螺旋槳轉數(shù)，水深以及橫距的條件下沿著垂直岸壁平行行駛，根據(jù)試驗結果，提出對岸壁力進行計算的新經(jīng)驗公式。

而Event LATAIRE等學者在2007年基于進行的大量船模試驗，分析了岸壁的不同底部形狀對岸壁效應所產(chǎn)生的影響，進而給出了岸壁能夠影響船舶水動力導數(shù)時的船岸之間最大距離公式。

影響岸壁效應的因素

(1)船舶與岸壁之間的距離:一般來說，橫向力和首搖力矩隨著距離的減小而增大，但是距離很小時，首搖力矩可能會減小。

(2)前進速度:橫向力和首搖力矩大致與前進速度的平方成正比。特別是在淺水時，船速的影響更加明顯。

(3)水深與吃水比:當h/d達到某一個臨界值，在1.1一1.25之間時，船舶將發(fā)生“岸吸”現(xiàn)象;當h/d小于上述數(shù)值范圍時，船舶將發(fā)生“岸推”現(xiàn)象，且岸推力矩顯著增加。

(4)螺旋槳的作用:右舷螺旋槳正車時，船尾將發(fā)生“岸吸”現(xiàn)象;在h/d較小、螺旋槳轉速為零時，“岸吸”可能會變成“岸推”現(xiàn)象。

(5)岸壁兒何形狀的影響:試驗表明，岸壁的坡度、淹沒率、穿透率等兒何參數(shù)對岸壁效應的影響較大。

(6)航道的寬度:試驗表明，.航道的寬度對岸壁效應也有影響，航道越窄岸壁效應越明顯。

如在填充床中，靠近壁面處的顆粒比主體區(qū)的顆粒裝填得疏松，相應地靠近壁面處的空隙率比主體區(qū)為大。與裝填均勻的理想床層相比，當通過床層單位截面的流量相同時，實際床層的阻力降比較小。這種現(xiàn)象稱為壁效應。如填料塔中，填料與塔壁之間不能十分密貼，靠近壁面處的空隙率常較大，頂部的液體，在填料層中往下流動的過程中便逐漸趨向于塔壁，并有部分順著壁面流下而不經(jīng)過填料層。壁流的產(chǎn)生不利于塔內兩相的密切接觸，使傳遞系數(shù)降低。這稱為壁效應。為了減小壁效應，填料直徑與塔徑之比要小于1/10，填料層高度與直徑之比要小于5。2100433B

壁效應是指各類化工設備器壁的影響。這種影響主要是指靠近器壁的空間結構與其他部分有很大差別，器壁處的流動狀況、傳質、傳熱狀況與主流體中也有很大差別。當采用實驗規(guī)模的小型設備研究傳質、傳熱、反應的規(guī)律時，器壁的影響遠比大型設備為大。

壁效應可根據(jù)對象分為：岸壁效應、斜壁效應、端壁效應、附壁效應等，其中岸壁效應最為常見。

斜壁是指岸壁沒有垂直水面，而與水面成一定角度。主要包括以下兩種類型:

(1)航槽(canal)

航槽是寬度受到限制的可航水域，如運河、人工水道或人工修繕的河道，用于航運。航槽一般要通過人工修繕。航槽的幾何尺度包括有效寬度W(也稱為航道底寬)，航道水深h和航道截面積A等。

(2)受限航道(restricted channel)

受限航道是寬度和水深均受到限制的可航水域，如新開進出港航道，從非受限淺水水域至港內泊位之間的水深不足以通過大船時，一般要通過人工疏浚，開出一條或多條維持一定寬度和深度的航道，以供不同大小的船舶進港使用。我國大部分海港都有這種人工航道。受限航道的幾何尺度包括有效寬度W，航道水深h，航道邊坡比1/n，航道邊坡高度hT和航道截面積A等。航道有效寬度是指航槽斷面通航水深處兩底邊線之間的寬度，一般用W表示。

當船舶駛于海底沿船寬方向有明顯傾斜的淺水域時，船舶將因岸壁傾斜出現(xiàn)與受岸壁效應的影響相類似的運動，即整體向水淺的一舷橫移，同時船首向水深的一舷轉頭，這是一種變形的岸壁效應，即斜壁效應。斜壁效應是一種岸壁不垂直于水面的岸壁效應。從本質上說，也是由于船舶兩舷所受水動力不平衡而造成的。

基于最小能量原理分析的豎壁溝流流動模型，認為當壁面為存在接觸角滯后的非理想表面時，其控制方程的邊界條件與滯后接觸角有關，并分析了流量存在波動時溝流厚度的波動原因和范圍。實驗研究了一些液體在不同表面上的溝流流動，結果表明了溝流波動與界面效應有關的假設的合理性，溝流的實際厚度介于由滯后角限定的某一范圍內，并且與溝流平均流量有關。若流率波動未超出由滯后接觸角及溝流基礎流量限定的范圍時，溝流只在厚度方向發(fā)生波動；若流率波動超出這一范圍，則溝流在寬度方向也開始伸縮。

溝流溝流波動產(chǎn)生的原因

Doniec假設的理想表面上，當流率增加時，液體仍以最大厚度存在，只是在寬度加大，形成一定寬液膜。而當流率減少時，液體以此最大厚度存在，只是在寬度上減小，直到流率小于臨界流率時，溝流發(fā)生斷裂。實際降液過程中，由于流量的波動，在上述理想表面上，不考慮接觸角滯后的因素，最大厚度不發(fā)生變化，溝流寬度發(fā)生伸縮。但由于表面的非理想性，存在接觸角滯后，若流量的波動未超過由滯后角限定的流量范圍，溝流在寬度方向不發(fā)生伸縮，而是在厚度方向上產(chǎn)生波動。厚度在δmaxA與δmaxR之間。這一機理得到了實驗觀測的佐證。水在有機涂膜表面上，同一位置，同一時刻，較小流量變化時的照片，水基礎流量適中，流量波動未能引起溝流寬度方向的伸縮。

溝流波動幅度分析

對于層流流動，當溝流截面形狀一定時，其流量一定；因而當流量發(fā)生改變時，其截面形狀也隨之改變。在某一定流量基礎上，流量發(fā)生較小變化?Q，?Q為截面變化?S部分流量積分。由于接觸角滯后，溝流在流量發(fā)生變化時各點厚度也要相應變化。溝流處于平衡狀態(tài)1時，邊界線上接觸角θ_Y；流量趨于增大時，首先邊界不發(fā)生移動，即寬度不變，厚度開始增加接觸角經(jīng)歷θ_Y~θ_A之間的某一個θ，為狀態(tài)2；流量繼續(xù)趨于增大，邊界仍不發(fā)生移動，接觸角增大到θ_A，厚度增加到最大，為狀態(tài)3；流量繼續(xù)趨于增大，這時保持邊界上接觸角為θ_A，溝流邊界開始移動，為狀態(tài)4。流量減小時有類似的規(guī)律。

在相同基礎流量和流率波動時，實測平均厚度δ_av均在前進厚度與后退厚度之間，調整較大的流率波動量，實驗測定δ_A與預測值較為接近，δ_R較預測值略高，這是由于流量趨于減小過程不易調節(jié)，溝流容易斷裂，難以達到極限值。

溝流激光散斑照相分析溝流三維形態(tài)

以水為實驗流體，固體壁面采用普通玻璃，所得為透射散斑。分析散斑形成可知，暗線或明線為某一等厚線，這些線條反映了液膜厚度分布。對比有流量波動和無波動照片可以看出，流量無波動時，等厚線相互平行，且豎直向下，表明豎直方向上無波動；流量較小波動時，溝流寬度未變，但豎直方向上波動形成曲線等厚線。

《石油名詞》第一版。

為了防止塌安全方，保證施工安全，在基坑開挖一定的深度后，土壁應該做成有斜度的邊坡，或者加以臨時支撐來保持土壁的穩(wěn)定，臨時支撐即稱為土壁支護。