壁效应

简介

船舶偏离航道中心线而靠近航道一侧岸壁时，靠近岸壁的一侧水流加速，压力下降，产生使船舶靠近岸边的附加作用力，即岸吸力，它可能导致船舶触碰岸壁。同时还产生一个使船首偏离岸壁的力矩，即岸推力矩。岸吸力和岸推力矩通称为“岸壁效应”，它可能导致船尾碰岸壁，如图1所示:

实际上，当船舶航行在宽度受限的航道内航行时，左右弦均受到岸壁的影响，因此岸壁对船舶的运动的影响可以分为两种情况:一种是船舶航行在航道中心线的情况;另外一种是船舶偏离航道中心线而靠近一侧岸壁的情况。

船舶在航道中心线航行时，与无限水域比较，由于水域宽度受限，船体周围的流加速，压强降低，阻力增大，船速降低。但是由于左右舷均受到岸壁的作用，两者几乎是对称的，作用力相互抵消，则岸壁影响不至于使船舶发生岸壁效应，如图2所示。

当深度和宽度同时受到限制时，将同时发生浅水效应和岸壁效应，这两种效应叠加，使岸壁效应和浅水效应更加严重，这种效应称为阻塞效应。发生阻塞效应时，由于船舶排开的水流空间受到限制，使相对流速更为增大，则岸壁效应、船体下沉、船舶降速等现象更为剧烈。阻塞效应与船舶横截面积和航道横截面积之比有关，该比值越大，阻塞效应愈明显。

理论及实验研究成果

在1950年以前，船舶在受限水域中的操纵性研究并没有受到过多的重视，因此，该领域的成果大都集中在内河船舶航行过程中阻力特性的变化。自此之后，受限水域从内河扩展到了海洋范围，而受力的影响不毋究范围也从阻力发展到了干涉力和力矩，其主要的计算方法为理论法和试验法。

国外学者Hess在做船舶航行至垂直岸壁附近时的受力方面的分析时归纳出了其横向力计算的理论模型，并对船舶在无规则岸壁的非稳性流体做实验。结果表明，船首向与岸壁之间的夹角的不同的情况下，船舶受力与船速及离岸距离之间的量化公式。Yeung和Tan一起对基于障碍物格林方程算法计算船舶适航于复杂水域条件下的理论研究，得出较慢速度航行的船舶受周围岸壁干涉力影响的表达式。Beck将匀速航行于方形截面航道中的船舶的受力问题用逐渐展开匹配的方法来计算，该方法成立的条件是:航道吃水小，易于简化解决方法;船舶的方形系数较小，船长较长，用源以及涡流强度表示下沉量，尾倾，横向干涉力以及首摇力矩。Newman则对同类型船体的船舶做出了在平行岸壁间横移情况下的计算与结论Beck Newman，和Tuck扩展了他的研究在疏浚的航道，两侧都是浅水时的情况。Kaplan与Sankaranarayanan将多艘船舶与岸壁假定为平行的情况下，利用细长体升力模型以及非定常流的Lagally定律分析受力，再利用船体形状的三重积分的加权得到了最终结果。

六十年代之后，学者对海船在受限水域的操纵性问题有着大量的研究。

1971年，Eda在考虑了岸壁效应的影响情况下，通过对25万吨的油船船模实验进行分析，得出了在不同水深吃水比以及航道船宽比的情形下水动力的导数。

P.W.Ch'ng在1993年基于对两艘MarAd系列的船模以及一艘集装箱的船模所进行的试验，阐述了岸壁力以及力矩的计算公式。

2001年，Li等人对一艘双体船船模，一艘渡船船模以及一艘油船船模进行了大量的试验，分析了船舶离岸距离，船速，螺旋桨作用力等因素对船舶运动所产生的影响。

2003年Marc Vantorre等学者将三种船模置于不同的前进速度，螺旋桨转数，水深以及横距的条件下沿着垂直岸壁平行行驶，根据试验结果，提出对岸壁力进行计算的新经验公式。

而Event LATAIRE等学者在2007年基于进行的大量船模试验，分析了岸壁的不同底部形状对岸壁效应所产生的影响，进而给出了岸壁能够影响船舶水动力导数时的船岸之间最大距离公式。

影响岸壁效应的因素

(1)船舶与岸壁之间的距离:一般来说，横向力和首摇力矩随着距离的减小而增大，但是距离很小时，首摇力矩可能会减小。

(2)前进速度:横向力和首摇力矩大致与前进速度的平方成正比。特别是在浅水时，船速的影响更加明显。

(3)水深与吃水比:当h/d达到某一个临界值，在1.1一1.25之间时，船舶将发生“岸吸”现象;当h/d小于上述数值范围时，船舶将发生“岸推”现象，且岸推力矩显著增加。

(4)螺旋桨的作用:右舷螺旋桨正车时，船尾将发生“岸吸”现象;在h/d较小、螺旋桨转速为零时，“岸吸”可能会变成“岸推”现象。

(5)岸壁儿何形状的影响:试验表明，岸壁的坡度、淹没率、穿透率等儿何参数对岸壁效应的影响较大。

(6)航道的宽度:试验表明，.航道的宽度对岸壁效应也有影响，航道越窄岸壁效应越明显。

如在填充床中，靠近壁面处的颗粒比主体区的颗粒装填得疏松，相应地靠近壁面处的空隙率比主体区为大。与装填均匀的理想床层相比，当通过床层单位截面的流量相同时，实际床层的阻力降比较小。这种现象称为壁效应。如填料塔中，填料与塔壁之间不能十分密贴，靠近壁面处的空隙率常较大，顶部的液体，在填料层中往下流动的过程中便逐渐趋向于塔壁，并有部分顺着壁面流下而不经过填料层。壁流的产生不利于塔内两相的密切接触，使传递系数降低。这称为壁效应。为了减小壁效应，填料直径与塔径之比要小于1/10，填料层高度与直径之比要小于5。2100433B

壁效应是指各类化工设备器壁的影响。这种影响主要是指靠近器壁的空间结构与其他部分有很大差别，器壁处的流动状况、传质、传热状况与主流体中也有很大差别。当采用实验规模的小型设备研究传质、传热、反应的规律时，器壁的影响远比大型设备为大。

壁效应可根据对象分为：岸壁效应、斜壁效应、端壁效应、附壁效应等，其中岸壁效应最为常见。

斜壁是指岸壁没有垂直水面，而与水面成一定角度。主要包括以下两种类型:

(1)航槽(canal)

航槽是宽度受到限制的可航水域，如运河、人工水道或人工修缮的河道，用于航运。航槽一般要通过人工修缮。航槽的几何尺度包括有效宽度W(也称为航道底宽)，航道水深h和航道截面积A等。

(2)受限航道(restricted channel)

受限航道是宽度和水深均受到限制的可航水域，如新开进出港航道，从非受限浅水水域至港内泊位之间的水深不足以通过大船时，一般要通过人工疏浚，开出一条或多条维持一定宽度和深度的航道，以供不同大小的船舶进港使用。我国大部分海港都有这种人工航道。受限航道的几何尺度包括有效宽度W，航道水深h，航道边坡比1/n，航道边坡高度hT和航道截面积A等。航道有效宽度是指航槽断面通航水深处两底边线之间的宽度，一般用W表示。

当船舶驶于海底沿船宽方向有明显倾斜的浅水域时，船舶将因岸壁倾斜出现与受岸壁效应的影响相类似的运动，即整体向水浅的一舷横移，同时船首向水深的一舷转头，这是一种变形的岸壁效应，即斜壁效应。斜壁效应是一种岸壁不垂直于水面的岸壁效应。从本质上说，也是由于船舶两舷所受水动力不平衡而造成的。

基于最小能量原理分析的竖壁沟流流动模型，认为当壁面为存在接触角滞后的非理想表面时，其控制方程的边界条件与滞后接触角有关，并分析了流量存在波动时沟流厚度的波动原因和范围。实验研究了一些液体在不同表面上的沟流流动，结果表明了沟流波动与界面效应有关的假设的合理性，沟流的实际厚度介于由滞后角限定的某一范围内，并且与沟流平均流量有关。若流率波动未超出由滞后接触角及沟流基础流量限定的范围时，沟流只在厚度方向发生波动；若流率波动超出这一范围，则沟流在宽度方向也开始伸缩。

沟流沟流波动产生的原因

Doniec假设的理想表面上，当流率增加时，液体仍以最大厚度存在，只是在宽度加大，形成一定宽液膜。而当流率减少时，液体以此最大厚度存在，只是在宽度上减小，直到流率小于临界流率时，沟流发生断裂。实际降液过程中，由于流量的波动，在上述理想表面上，不考虑接触角滞后的因素，最大厚度不发生变化，沟流宽度发生伸缩。但由于表面的非理想性，存在接触角滞后，若流量的波动未超过由滞后角限定的流量范围，沟流在宽度方向不发生伸缩，而是在厚度方向上产生波动。厚度在δmaxA与δmaxR之间。这一机理得到了实验观测的佐证。水在有机涂膜表面上，同一位置，同一时刻，较小流量变化时的照片，水基础流量适中，流量波动未能引起沟流宽度方向的伸缩。

沟流波动幅度分析

对于层流流动，当沟流截面形状一定时，其流量一定；因而当流量发生改变时，其截面形状也随之改变。在某一定流量基础上，流量发生较小变化∆Q，∆Q为截面变化∆S部分流量积分。由于接触角滞后，沟流在流量发生变化时各点厚度也要相应变化。沟流处于平衡状态1时，边界线上接触角θ_Y；流量趋于增大时，首先边界不发生移动，即宽度不变，厚度开始增加接触角经历θ_Y~θ_A之间的某一个θ，为状态2；流量继续趋于增大，边界仍不发生移动，接触角增大到θ_A，厚度增加到最大，为状态3；流量继续趋于增大，这时保持边界上接触角为θ_A，沟流边界开始移动，为状态4。流量减小时有类似的规律。

在相同基础流量和流率波动时，实测平均厚度δ_av均在前进厚度与后退厚度之间，调整较大的流率波动量，实验测定δ_A与预测值较为接近，δ_R较预测值略高，这是由于流量趋于减小过程不易调节，沟流容易断裂，难以达到极限值。

沟流激光散斑照相分析沟流三维形态

以水为实验流体，固体壁面采用普通玻璃，所得为透射散斑。分析散斑形成可知，暗线或明线为某一等厚线，这些线条反映了液膜厚度分布。对比有流量波动和无波动照片可以看出，流量无波动时，等厚线相互平行，且竖直向下，表明竖直方向上无波动；流量较小波动时，沟流宽度未变，但竖直方向上波动形成曲线等厚线。

《石油名词》第一版。

为了防止塌安全方，保证施工安全，在基坑开挖一定的深度后，土壁应该做成有斜度的边坡，或者加以临时支撑来保持土壁的稳定，临时支撑即称为土壁支护。