壁效應

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。當採用實驗規模的小型設備研究傳質、傳熱、反應的規律時，器壁的影響遠比大型設備為大。

基本介紹

• 中文名：壁效應
• 外文名：Wall effect
• 簡介：傳質、傳熱、反應的規律時
• 實例：實際床層的阻力降比較小
• 性質：專業術語
• 類別：物理學

效應概念

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。當採用實驗規模的小型設備研究傳質、傳熱、反應的規律時，器壁的影響遠比大型設備為大。

壁效應可根據對象分為：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。

岸壁效應

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，如下圖所示:

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，由於水域寬度受限，船體周圍的流加速，壓強降低，阻力增大，船速降低。但是由於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，則岸壁影響不至於使船舶發生岸壁效應，如圖所示。

當深度和寬度同時受到限制時，將同時發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。發生阻塞效應時，由於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並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。自此之後，受限水域從內河擴展到了海洋範圍，而受力的影響不毋究範圍也從阻力發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，並對船舶在無規則岸壁的非穩性流體做實驗。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一起對基於障礙物格林方程算法計算船舶適航於複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將勻速航行於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，易於簡化解決方法;船舶的方形係數較小，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。

六十年代之後，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。

P.W.Ch'ng在1993年基於對兩艘MarAd系列的船模以及一艘貨櫃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生的影響。

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

而Event LATAIRE等學者在2007年基於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生的影響，進而給出了岸壁能夠影響船舶水動力導數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，船舶將發生“岸吸”現象;當h/d小於上述數值範圍時，船舶將發生“岸推”現象，且岸推力矩顯著增加。
(4)螺旋槳的作用:右舷螺旋槳正車時，船尾將發生“岸吸”現象;在h/d較小、螺旋槳轉速為零時，“岸吸”可能會變成“岸推”現象。
(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。

斜壁效應

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，用於航運。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於水面的岸壁效應。從本質上說，也是由於船舶兩舷所受水動力不平衡而造成的。

實例

如在填充床中，靠近壁面處的顆粒比主體區的顆粒裝填得疏鬆，相應地靠近壁面處的空隙率比主體區為大。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於塔壁，並有部分順著壁面流下而不經過填料層。壁流的產生不利於塔內兩相的密切接觸，使傳遞係數降低。這稱為壁效應。為了減小壁效應，填料直徑與塔徑之比要小於1/10，填料層高度與直徑之比要小於5。