【正文】 船舶下沉吃水增加反之船舶從淡水進入海水則船舶上浮吃水減少又船體水線面上船首方向和船尾方向面積分布是不同的存在差異則船體在上 浮或下沉?xí)r將引起船舶吃水差的改變即縱傾變化特別是當(dāng)船舶從海水進入淡水時如果忽視舷外水密度的變化船體下沉后有可能觸底甚至擱淺進而危及船舶的安全 以船舶從海水進入淡水為例設(shè)由于船舶舷外水密度減少而引起的平均吃水增加量為Δ d 則可以認(rèn)為在初始水線面上將有一薄水層被淹沒水層厚度為面積大小跟水線面相同被該薄水層淹沒的船體所受到的浮力大小可近似的認(rèn)為是該浮力的作用點坐標(biāo)可認(rèn)為是即漂心的縱坐標(biāo)由于船舶排水量不變初始水線面下船體所受到的浮力因著舷外水密度的減小而減小的量剛好等于上述增加的薄水層所產(chǎn)生的浮力該部分的浮力從原先的 浮心處轉(zhuǎn)移至初始水線面上的漂心處作用點則沿船舶縱向移動了于是由于船舶舷外水密度改變而引起的吃水差改變量為 21 式中水密度變化引起的平均吃水改變量 初始水線面下船舶浮心距離船中的距離 船舶漂心距船中的距離 TPC 船舶厘米吃水噸數(shù) MTC 船舶厘米縱傾力矩 然后根據(jù)公式 計算新的船舶首尾吃水 式中分別表示水密度變化前后的船舶首吃水 分別表示水密度變化前后的船舶尾吃水９ 通過計算我們會發(fā)現(xiàn)由于船舶舷外水密度的變化而引起的 船體縱傾變化是不可忽視的因此當(dāng)船舶航經(jīng)密度不同的水域時應(yīng)特別注意特別是出發(fā)港和目的港的及航經(jīng)水域的密度如果存在較大差異的話船舶航行過程中將產(chǎn)生更加明顯的縱傾變化 24 船速大小的影響 在淺水區(qū)航行時隨著船速的提高船體下沉量增加船舶的縱傾變化更為顯著１０ 幾十年前我們主要的水上交通工具不是舢板就是一些裝個小型發(fā)動機的小船盡管在航行的過程中理論上也該出現(xiàn)下沉和縱傾的變化但對船舶的影響可謂是微乎其微的然而隨著現(xiàn)代航運的發(fā)展新造的船舶不但尺寸大而且速度快特別是一些高速集裝箱船為了追求效益最大化其速度甚至可以開 到 30 節(jié)馬士基博特蒙號雖然由于其只有四到五年的船齡現(xiàn)已停運但船舶大型化高速化發(fā)展必將是今后船舶發(fā)展的趨勢而在這么高的速度下船體出現(xiàn)下沉和縱傾變化都較低速時明顯再者在淺水區(qū)中高速航行時船體周圍水流相對船體的流速更大使得原來二維流動的水流流速進一步提高船體周圍水壓力改變船體下沉然后船體和河床之間的過水?dāng)嗝孀兊酶有〈w下沉和縱傾變化加劇 總之淺水中航行的船舶其縱傾變化是跟多個因素有關(guān)的而現(xiàn)代船舶的大型化發(fā)展是其產(chǎn)生的根本原因船舶排水量的增加使得相對水深減小淺水效應(yīng)加劇于是當(dāng)船舶載重量改變船舶方形系數(shù)不同船舶舷 外水密度改變和船速變化時都將對船體的縱傾變化產(chǎn)生一定的影響而且載重量越大方形系數(shù)越大舷外水密度改變越大船速越高時其產(chǎn)生的縱傾變化將是不可忽視的 3 船體下沉量的估計 船舶在淺水區(qū)航行可視為受限水域航行的一種特殊情況有其獨特的航行規(guī)律特別是因?qū)Υw下沉量的估計不足導(dǎo)致船舶觸底擱淺等海損事故也較為常見而船舶在淺水區(qū)安全航行的一個重要因素便是富余水深對于某一船型從安全和經(jīng)濟角度出發(fā)設(shè)計可航水域的水深時也應(yīng)先考慮船舶的富余水深而與富余水深相關(guān)的眾多因素中船體的下沉量在傳統(tǒng)上是比較難以確定的然而船體下沉量的計算精度又對 船舶安全航行所需的水深確定有著極其重要的影響 目前對于船體下沉量的估計方法其基本思路有以下幾種第一種是以流體力學(xué)為基礎(chǔ)結(jié)合船舶的操縱性利用計算機進行模擬從而探尋其規(guī)律第二種是以船模試驗結(jié)果為基礎(chǔ)根據(jù)船舶操縱性的理論進行分析和研究第三種則是憑借現(xiàn)有的理論和實驗研究成果或者一些經(jīng)驗公式給出結(jié)論１１ 對于經(jīng)驗方法英版航海手冊給出了三個經(jīng)驗公式 １下沉量 10 吃水此公式一般適用于船速為 10kn 的船舶下沉量估計并不適用于所有船舶２下沉量 每 5kn 前進速度下沉 03m 此公式表明在一定的速度范圍內(nèi)船體下沉量與船速保持的一定 的線性關(guān)系 ３下沉量 式中的單位是 kn 此公式說明下沉量與船速平方成正比但并沒有考慮到船型水深等問題１２因此作為一種經(jīng)驗公式是有其較大的局限性的但如若只需粗略的估計船體下沉量時運用該公式是比較方便的從某種角度講也是有其積極意義的 然而經(jīng)驗公式有時可能有較大出入相比較而言定量的數(shù)值計算則更具科學(xué)性和實用性從 1967年到 1977Tuck應(yīng)用細長體理論首先給出了船體下沉量和縱傾變化的一個理論計算方法而后在 1970年 Tuck和Ｔ aylor提出了一種近似的計算公式 31 式中為船體平均下沉量Δ t 為吃水差的改變量為船舶垂線間長▽為船舶排水體積水深傅汝德數(shù)為船速為水深為平均下沉量系數(shù)為吃水差變化量系數(shù)４ 隨后在此基礎(chǔ)上衍生出了許多的解析式或一些經(jīng)驗公式如 Hooft1974 公式Huuska1976 公式 Eryuzlu 和 Hausser1978 公式 Barrass1981 公式 Romisch1989公式 Millward1990 公式 Millward1992 公式 Eryuzlu1994 公式 Ankudinov1996公式等而不同的公式有其不同的適用條件對于不同的水域不同的船型誤差大小也不盡相同所 以在估算下沉量時應(yīng)視具體情況而定 31 基于傅汝德數(shù)的船體升沉和縱傾變化 在無限深水域船體的升沉和縱傾變化主要取決于船型和船速而其改變量則可以用傅汝德數(shù)其中為船速為船長來衡量隨著船速的提高逐漸增大在不同的區(qū)間船舶表現(xiàn)出不同的浮態(tài) １ 01 025 時船體開始出現(xiàn)下沉船尾吃水基本不變主要表現(xiàn)為首下沉 ２ 025 03 時船尾開始下沉但其下沉量小于首下沉量即船舶在該速度區(qū)間主要表現(xiàn)為船體下沉和首傾而一般的船舶其 03 所以在船舶航行過程中原來平吃水的船舶狀態(tài)將變?yōu)槭變A狀態(tài) ３ 03 時是一個過渡狀態(tài)此時船首停止下沉而船尾 下沉則繼續(xù)增大 ４ 03 06 時由于船首開始上浮而船尾繼續(xù)下沉當(dāng)船尾下沉量超過船首下沉量時船舶的浮態(tài)將由低速時的首傾變?yōu)槲矁A而在此速度區(qū)間內(nèi)隨船速提高變大船首進一步上浮而船尾則將降至最低點則船舶開始表現(xiàn)為下沉而后隨船速增加表現(xiàn)為上浮總體上船舶表現(xiàn)為尾傾當(dāng)然大部分船舶是不能達到此速度區(qū)間的除了個別高速客船或集裝箱船外 ５ 06 時船尾因已降至最低點而開始上浮而船首則繼續(xù)上升隨船速提高船首上升至一定程度便開始下沉總體上船舶浮態(tài)表現(xiàn)為尾傾并上浮當(dāng)達到某一程度將保持某一浮態(tài)不變而處于水面滑行狀態(tài)４ 而在淺水區(qū)航行時由 于船舶周圍水流態(tài)勢由三維空間流動變?yōu)槎S平面流動而導(dǎo)致船體周圍水動力的分布和大小的改變船底水流速度的變大使得船體的下沉量比深水中大長期的實踐也表明淺水區(qū)航行船底富余水深變小不但船舶操縱性能降低嚴(yán)重時船舶因下沉和縱傾變化加劇而觸底甚至擱淺以致造成財產(chǎn)損失和人員傷亡 32 船首下沉量的定量計算 在一般商船速度范圍內(nèi)船首的下沉量往往要大于船尾下沉量所以在計算船舶淺水中航行時的最大下沉量一般就計算船首下沉量 1974 年 Hooft 利用 Tuck在 1970 提出的計算公式將取 14153 取 10 給出以下開敞水域淺水中船 首下沉量的計算公式 32 式中 船首下沉量 ▽ 船舶排水體積 船長垂線間長 水深傅汝德數(shù)為船速 ms 為水深 m４ 對于長江口航行的船舶我們可以運用此公式進行首下沉量的計算但考慮到長江口航道的寬度有限因此受其航道寬度影響首下沉量將受到影響大小視航道寬度而定但總體上航行在寬度受限的航道中船體的下沉量比無限水域中要大如圖 31 表示船舶在寬度受限的航道中航行時船體下沉量和與在無限水域中相比吃水差變化的增加率 圖 31 航行船體下沉量和吃水差變化的增加率 ４利 用縱傾變化提高船舶載貨量 41 通過實例計算船舶可加載的載貨量 長江口地跨江蘇省和上海市有著優(yōu)越的地理位置做為長江沿線港口和上海港的唯一通道有著舉足輕重的作用據(jù)不完全統(tǒng)計我國華東地區(qū)的煤油和其他一些原料等有將近百分之八十是由船舶乘潮過長江口來完成的因此長江口航道的深淺便制約著船舶運輸 自改革開放以來長江三角洲地區(qū)社會經(jīng)濟得到飛快的發(fā)展沿岸重要建筑的不斷增多使得長江口的治理越來越迫切經(jīng)過三期治理長江口的水深由原來的 6米多增加到了現(xiàn)今的 125 米可以靠離的船舶噸數(shù)也增加到近 10 萬噸 然而長江口雖經(jīng)治理航道加深但對于 大型船舶來講航經(jīng)此處時仍舊將產(chǎn)生淺水效應(yīng)使船體下沉首尾吃水改變縱傾變化加劇為安全起見大型船舶都要等漲潮時才能過長江口以防觸底擱淺１３為此當(dāng)船舶抵達長江口時若還沒漲潮則既延誤了船期又降低了船舶的經(jīng)營效益這對于船公司來講是最不愿意發(fā)生的事那么既然如此我們除了在船期安排上做工作外還可以考慮船舶因縱傾變化而損失的載貨量使船舶在這個問題上能多爭取一些主動 下面將通過實例來進行計算船舶因縱傾變化而損失的載貨量 １設(shè)散貨船Ａ輪船長 200 米垂線間長為 190 米型寬 32 米型深 18 米吃水 11米載重 55000 噸進港船速 12 由 31船舶深水中的升沉變化可知當(dāng)＜ 03時船體下沉但總體上表現(xiàn)為首傾而多數(shù)商船船速在該速度范圍內(nèi)所以靜水中平吃水的船舶在深水中將表現(xiàn)為平均吃水增加并出現(xiàn)首傾由變化得而一般出于燃料消耗的考慮航行中船速基本都在26 以內(nèi)再加上長江口船舶密度變大為了安全進出長江口的船舶速度將進一步減小一般都在 12左右所以根據(jù)的變化規(guī)律航行在長江口的船舶遠小于 03基本上都將出現(xiàn)船首下沉的情況于是我們可以利用船舶首傾再結(jié)合船舶吃水和船舶的初始浮態(tài)來增加載貨量由水深傅汝德數(shù)可知 根據(jù)公式 32 可得船首下沉量 因為此公式適用于開敞水域故當(dāng)船舶 進入長江口時還需考慮航道寬度受限帶來的影響 根據(jù)公式 31 得吃水差變化量 又由圖 31 可知當(dāng)船舶下沉量為 078 時船舶吃水差變化的增加率為 75 即船舶吃水差變化增加了 004 則變?yōu)?057 即相對于開敞水域船首下沉量增加了 006 ２已知下沉量求吃水的改變 假定Ａ輪入長江口前處于尾傾則當(dāng)進入長江口航道時由于船速的降低使得船舶的傅汝德數(shù) 03 于是船舶表現(xiàn)為首下沉量大于尾下沉量而后逐漸變?yōu)槠匠运缮厦娴挠嬎憧芍诖白優(yōu)槠匠运畷r相對于船舶平吃水進入長江口而后變?yōu)槭變A船舶的吃水減少了 042 因此船舶在進入長江口前還可以適當(dāng) 的增加一定的貨物 ３根據(jù)吃水變化量求可增加的載貨量 根據(jù)靜水力曲線圖我們可以查得 55000 噸的散貨船其厘米吃水噸數(shù)約為4100 那么由公式得可以增加的貨物量約為 1722 噸 從計算結(jié)果我們可以看出利用船舶進入淺水區(qū)前后縱傾的變化可以給船舶適當(dāng)增加一部分載貨量而這只是一個航次的增加量如果從船舶一年的載運量考慮的話不同的季節(jié)都盡量將船舶配至滿載在長江口漲潮時就有足夠的富余水深可以安全的通過了再在進入長江口前配載好貨物使船舶具有一定量的尾傾進入長江口航道時則剛好變?yōu)槠匠运@樣對于 55000 噸的散貨船而言每個航次都可以 考慮增加載貨 1722 噸左右而以上海和秦皇島之間的航線為例由于航線較短一般船舶每月可跑四個航次考慮到氣象原因此航線一年可跑十個月左右于是對于55000 噸的散貨船來講正常情況下一年可以跑 40 個航次按照每個航次增加 1722噸貨物則一年下來可以增加近 68880 噸貨物而如果忽視掉這部分載貨量在進長江口前就已經(jīng)調(diào)成平吃水的話進入長江口航道則將受淺水效應(yīng)影響船速降低船體下沉出現(xiàn)首傾這樣為了船舶安全不得不用壓載水來調(diào)整船舶縱傾在無形中便損失了一部分的載貨量由此可見利用好船舶的縱傾變化是可以給船舶營運帶來一定的效益的 425Hooft1974 公式 Huuska1976 公式 Eryuzlu 和 Hausser1978 公式 Barrass1981 公式 Romisch1989 公式 Millward1990 公式 Millward1992 公式Eryuzlu1994公式 Ankudinov1996公式而在比較了結(jié)果發(fā)現(xiàn)各公式使用的船型略有區(qū)別得出數(shù)值的大小也是不同的但卻為船舶下沉量的估計提供了一個量化的結(jié)果 文獻 [5]和文獻 [6]中作者認(rèn)為我國港口和內(nèi)河航道普遍存在著水深不足致使船舶航行是經(jīng)常出現(xiàn)淺水效應(yīng)造成船舶的周圍水場分布水阻力航速吃水和操縱性等發(fā)生了一系列對船舶的安全操縱很不利的變化船舶在淺水區(qū)航行中 由于周圍水流流速變動沿舷側(cè)水流較首尾快使船體周圍水壓發(fā)生變化船首尾部高中間低船舶如果要保持其排水量為