伴流

船舶在水中以船速u行駛時，其附近水受到船體運動的影響而產生一種追隨船體運動的水流，該水流稱為伴流（wake）。伴流主要由摩擦伴流、勢伴流和興波伴流三部分組成，其中摩擦伴流是伴流的主要成分。

基本介紹

• 中文名：伴流
• 外文名：wake
• 定義：船以船速u行駛隨船體運動的水流
• 主要組成：摩擦伴流、勢伴流和興波伴流
• 相關事件：谷歌地圖發現疑似"海怪"伴流
• 一級學科：船舶工程

簡介

船舶以船速V_s航行時，有一股跟隨船舶運動而運動的水流稱為伴流(過去稱為附隨水流或追跡流)。船體附近某點的伴流速度V_b等於船速V_s與該點實測流速V_w的差(即V_b=V_s-V_w)，或者說船體周圍某點的流速V_w是等於船速V_s與伴流速度V_b的差，即。式中：W即為伴流分數，它是伴流速度V_b與船速V_s的比值。

分類

船在水中運動時，由於水質點具有粘性，使水分子粘附在船殼板上，外層水分子粘附在內層水分子上產生摩擦，這種跟隨船舶運動而運動的水流稱為摩擦伴流。

圖1

由於船體的形狀和粘性的影響使水流在自船首向船尾的運動中，由勢能變動能，又由動能變勢能，因摩擦使船尾的勢能比船首的勢能低，同時因船體形狀的變化引起流線的變化而出現渦流，由此而產生的伴流稱為勢伴流或形狀伴流。

此外，由於船舶首尾的壓力高(過水斷面大，流速低，壓力高)，船中壓力低(過水斷面小，流速高，壓力低)產生興波，由興波而產生的伴流稱為船舶波浪伴流。伴流速度的大小與船型和船體表面的粗糙度、雷諾數等因素有關。圖1a)為伴流在水平面上的分布情況，圖1b)為伴流在螺旋槳盤面處的分布情況。

從圖1中可看出，靠近船邊的伴流速度大，遠離船邊的伴流速度小；螺旋槳盤面上半圓的伴流速度大，下半圓的伴流速度小。此外，當船速高時伴流速度大，船速低時伴流速度小，船速為零時，伴流速度亦為零。

伴流與船舶快速性

伴流是由船體阻力產生的，所以在船速V_s相等的條件下，伴流速度越大，就意味著船舶阻力越大，主機必然耗費更多的油，產生更大的功率才能達到相等的船速。因此，在建造船舶時，應儘可能使船體的線型符合流線，儘可能使船體表面平淨光滑，儘可能減少船體表面的突出物。在編組頂推和吊拖船隊時，應儘可能使駁船隊的線型符合流線，從而達到減小摩擦伴流、形狀伴流、興波伴流和相對應的阻力。但是伴流是客觀存在的，我們應充分加以利用。表1、表2為國外某河流中測定的編隊係數，從表中數字可得到下列幾點結論：

表1

1)同一隊形編組的駁船數越多，編隊係數越小，即阻力越小。故在航道允許的條件下，船隊應向大型化發展。這主要是因為後排駁船在前排駁船所產生的伴流中運動，致使後排駁船對水的相對速度較小，即(V_w=V_s-V_b)，阻力小；其次是後排駁船首部的高壓區使前排駁船尾部的低壓區增高，而前排駁船尾部的低壓區使後排駁船首部的高壓區降低，致使駁船首尾的壓差阻力下降。

2)當駁船數相同時，首尾尖窄的駁船隊隊形比首尾寬闊的駁船隊隊形的編隊係數小得多，所以頂推船隊比吊拖船隊的阻力小得多。有些駕駛員為使後排駁船能在前排駁船產生更大的伴流中運動，以減小阻力，故意將前排駁船編得寬闊來產生強大的伴流的做法是錯誤的。因為產生更大的伴流就意味著產生更大的阻力，後排駁船阻力的減小僅是回收前排駁船阻力的一部分。

表2

此外，為使編隊係數小，還應使各駁緊密接觸，駁與駁間應儘量減小空檔，系綁緊密牢靠，不致使前後駁船偏轉擺動。各駁首尾線相平行或在一直線上，確實做到編隊直、緊、牢。

從圖1可知，船尾螺旋槳處於伴流分數最大處工作，勢必影響螺旋槳的推進效率。根據機翼理論，伴流速度大，螺旋槳進速小，來流對槳葉的攻角大，螺旋槳的水動力大，推力大，推進效率高，船身效率。式中： t為推力減額係數；W為伴流分數。

可知，伴流速度V_b越大，伴流分數W越大，船身效率Z_s越高。所以頂推船隊推船的螺旋槳在整個駁船隊的伴流中工作，其螺旋槳的推進效率是較高的。而吊拖船隊的拖船在駁船隊前方工作，拖船螺旋槳得不到駁船隊的伴流，螺旋槳的推進效率低，所以目前的船隊運輸必須向頂推船發展，逐漸淘汰吊拖船隊。同樣，頂推船隊螺旋槳推進效率的提高，僅是回收伴流造成的阻力，因為伴流本身就是阻力產生的，故絕不允許人為地製造伴流。曾經有駕駛員為提高螺旋槳的推進效率，把圖2中的隊形a)改為隊形b)，隊形b)的伴流比隊形a)大許多，但實際航速卻大為降低。

圖2

相關事件

2014年12月16 日，紐西蘭工程師在谷歌地圖發現疑似"海怪"伴流，谷歌地圖在紐西蘭北部地區的奧凱灣水域抓拍到長長的巨大伴流，照片放大後能看見巨大伴流，懷特希拉認為其為體長約12米的巨大生物留下的。通過與機動船隻的伴流進行對比，懷特希拉發現該伴流顯然與其不同。