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浅水水域航行作为限制水域航行的一种航行状态,有其独特的航行规律,诸如
船速降低、应舵性下降、旋回性下降、船体下沉和纵倾变化的增大等。而在
浅水水域航行时,因对船体下沉量考虑不足造成船舶拖底、触礁、搁浅和失控
等,也是较常见的一种海损事故。如:1992年8月7日英国皇家邮船伊丽莎白
二号,从OakBluffs到纽约的途中,在VineyardSound的出口处,由于船长和引
航员对船舶高速航行时的下沉量和富余水深计算失误等原因,造成船舶在
,损失惨重。
因此,如何正确认识和确定船舶在浅水域航行时的船体下沉量及富余水深,确
保航行安全,是驾驶人员值得重视和认真商榷的。
1浅水水域航行中的船体下沉
有学者实验研究表明,处于一定状态的船舶,在运动中影响其所受水动力大小
的重要参数之一是绝对水深与吃水之比值(H/d),EH相对水深。H是指海底至
水面的高度;d是指船舶吃水。而怎样确定浅水水域,目前尚无统一的国际标准,
但就从水深影响船体阻力的试验结果来看,通常用相对水深(H/d)的比值来区
分浅水与深水,即H/d<4时,可近似的认为是浅水水域;反之,当H/d>4则为深水
水域。
船舶在深水水域航行时,与之相对运动的水流是从船体的两舷和底部由船首
流向船尾的三向度水流。当船舶驶入浅水水域时,由于流入船底下面的水流受
到限制而被推向船体的左右两侧时,会因阻力增加,导致船速下降、船体下沉。
船体下沉量与底水深度和航速紧密相关;底水深度愈小,下沉量愈大,船速愈快,
下沉量愈大,首下沉量大于尾下沉量。
2下沉量(SQUAT)的确定
对于大多数船舶而言,在浅水水域中航行时,为保证航行安全,防止船舶搁浅触
礁等事故的发生,驾驶汰员对船体下沉量需有精确计算(尤其是大型高速船的
船体下沉量),以便留有充分的富余水深。下面有几种方法以供参考。
经验方法的出处有多种,如出自于"商船航运通告(M930)"的经验方法是:在浅
水水域航行而船速较高的船舶,应避免因船体下沉而造成搁浅的危险,1Okn速
度应有吃水的10%的增加量。当速度降低时,下沉量也减少。
又如出自于"英版航海手册"推荐的三个经验公式,分别为:
下沉量(Squat)=10%吃水(1)
下沉量(Squat)=(2)
下沉量(Squat)=V2/100(m),式中V=kn(3)
式(1)方法与商船航运通告(M930)的经验方法相同,一般指船速为1Okn的条
件下的下沉量估算,但并不适用于所有船速。
式(2)方法说明下沉量与船速的增加呈线性关系,但下沉量并非与船速一直保
持为呈线性关系,因此,式(2)仅适用于某一速度段范围内。
式(3)方法说明下沉量与船速的平方呈正比关系,但没有考虑到船型、水深等因
素的影响。
不难看出,作为一种经验公式,是有局限性的,其所导致的误差也可能是很大的。
但从告戒驾驶人员应注意船舶在浅水水域航行时有下沉量,要注意留有足够
的富余水深来说是起到积极作用的。
在考虑到水深、船速、船型等因素的影响下,有学者经过推导并试验后得出简
化公式如下:
受限水域下沉量S=2Cb×V2/100(4)
开阔水域下沉量S=Cb-V2/100(5)
式中:V为船速(kn);Cb为船舶方型系数(Ñ/LppBd);Ñ为排水量;Lpp为垂线
间长;B为船宽;d为吃水。
在考虑到影响船体在浅水水域下沉的各种因素后,有学者提出了一些纯理论
计算下沉量的方法,其中具有代表性的是Tuck/Hooft计算公式。(这些理论计
算公式在船模试验时,下沉量的计算精度很高,但与实船做对比时,还是有一定
出入)。
Tuck理论是在细长体(瘦形船舶)假定的基础上,将速度势在船体附近及远场
作渐进展开,根据两速度势的匹配求解,并最终得出浅水航行中船体重心的平
均下沉量的计算公式。
上《海港引航实用于册》中根据这种理论,也推荐了船舶下沉量计算公式即将
船体下沉量S分解为两个分量分别计算,其和即为船体下沉量Squat=S1+S2。
现将其公式介绍如下:
(1)求平均下沉量(Tuck/塔克公式)
S1=15Lpp[Cb/(H/d)×(Lpp/B)]×Fr2(6)
式中pp为垂线间长(m);B为船舶型宽(m);Cb为方型系数;H为航道水深
(m);d为船舶吃水(m);Fr为船长度佛汝德数
;Vs为船速=V´(m/s);g为重力加速度()。
由此可见,船体下沉量与水深、船舶尺度、船舶方型系数及船速是有关的,特别
是与方型系数和船速是紧密相关的。
(2)求纵倾变化引起的艏倾量(Hooft/霍夫特公式)
(7)
式中:Fnh为水深佛汝德数
;Vs为船速(V´);H为水深(m);g为重力加速度();Ñ为
排水体积(Lpp×B×d×Cb)。
当然,还有其他学者导出的求平均下沉量S1的计算公式,经过演算,与上面介
绍的Tuck公式计算结果基本一致,即:平均下沉量
(8)
式中pp为垂线间长;d为船舶吃水;H为水深;Cb为方型系数,Ñ/LBd(Ñ排
水量,L垂线间长,B船宽,d吃水);Fr为船长度佛汝德数(FroudeNumber=;Vs为
船速(m/s),1kn=;g为标准重力加速度()。
3水深受限制时的吃水差调整
船舶航行时会出现的船体下沉现象,受相对水深(H/d)的大小而变化,相对水深
越小,首尾下沉量越大。有资料介绍,当佛汝德数Fn≤,首下沉量大于尾
下沉量。大型船舶因吃水大进出港或过浅滩时受实际水深的制约,往往需要通
过调整吃水差,尽可能的保持平吃水,以满足最大装货量的需求。此时,若将船
舶调整为平吃水,处示无纵倾的标准状态,航行时将会出现首倾。
有艘VLCC船模的试验表明,当相对水深(H/d)≥,预先给船舶以适当
的尾倾,则可利用浅水航行时所引起的首倾,使船舶自然形成平吃水状态O(可
惜没有给出一个大概尾倾的数值以供实际使用时参考)。但应注意的是,当驶入
相对水深(H/d)≤,%的初始尾倾,则不会自然形
成平吃水状态,反而会保持并增大尾倾状态。
船舶是否具有适当的吃水差,不但对浅水水域航行有实际意义,同时也对船舶
操纵有积极作用。在浅水水域、狭窄航道和复杂航区航行时特别是在狭窄水
道航行的情况下,船舶是否具有好的航向稳定性和应舵性是首要的,旋回性则
次之,船舶如保持有适当的尾倾,便可获得较好的航向稳定性和应舵性。如船舶
产生首倾,虽提高了旋回性,却降低了航向稳定性,不论何种原因产生了首倾都
将使航向稳定性变坏。
4船体下沉量的几种实例演算
(1)(3802TEU)半载出港,分别用式(6)和(8)求船体下沉量
Lpp=,B=,d=,Ñ=54140MT,H=,V=12kn;
Cb=Ñ/LBd=;
用式(6)求船体下沉量S1:
用式(8)求船体下沉量S1:
经过计算可以证明,用式(6)或者用式(8),其计算结果是一样的。
(2)ZH轮(1686TEU)满载出港过浅水水域,用改变船速求船体下沉量
Lpp=,B=,d=,Ñ=42890MT,H=,V=15kn。
风力的大小、风向持续时间的长短也会影响潮高和潮时。
(2)摇摆增量:船舶在风浪中左右摇摆,导致单侧瞬间吃水增大,特别是江河入海
口处有涌浪涌进的港口,必须要考虑到船体纵横摇摆和升沉的合成运动所增
加的下沉量。
(3)船体下沉量:船舶在航进中产生的物理现象,浅水航道更为明显。因此要根
据本船的实际情况,求出在不同的水深、吃水、航道宽度、航速咸淡水密度的
变化等条件下的下沉量。
上述三项中以(3)最重要,不但数值大,变量大,且不易准确掌握。一旦船体下沉
量确定后,应怎样来确定船舶航经浅水水域时的富余水深?
为了方便使用和掌握富余水深的取值,各有关当局都会依据本港的具体情况
制定标准,有的为固定值,有的以吃水的比值定量也有的以船舶吨位,分级和划
分航区采用不同标准等。
如欧洲引航协会建议采用以吃水的比值定量来确定富余水深值,即:海外水道:
船舶吃水的20%;港外航道:船舶吃水的15%;港内航道:船舶吃水的10%。
我国航海界的经验是,在考虑了船体下沉量后,~
深,即:
富余水深=船体下沉量+(~)。
2005年6月开始实行的《长江口深水航道(10m)通航安全管理办法》(沪海通
航[2005]345号)第七条富余水深要求:“船舶应保留足够的富余水深,船舶富余
水深应当不小于船舶的吃水的12%。”
作者:董存义吴东江来源:航海技术