下沉量的计算.docx

2009年8月19日 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Oak Bluffs到纽约的途中,在Vineyard Sound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Cuttyhunk岛以南2.5nmail处搁浅,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/d4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。 2.1经验方法 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)=每5kn前进速度下沉0.3m (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。 2.2简化的经验公式 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=2CbV2/100 （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(/LppBd)；为排水量;Lpp为垂线间长;B为船宽;d为吃水。 2.3理论方法 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=15LppCb/(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=V0.5144(m/s);g为重力加速度(9.807m/s2)。 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(V0.5144m/s);H为水深(m);g为重力加速度(9.807m/s2)；为排水体积(LppBdCb)。 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,/LBd(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=0.5144m/s;g为标准重力加速度(9.807m/s2)。 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Fn0.15时,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)1.3左右时,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)1.2的浅水水域时,若预先有0.3L%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)R.E轮(3802TEU)半载出港,分别用式(6)和(8)求船体下沉量 Lpp=259.90m,B=32.20m，d=10.50m,=54140MT,H=12.OOm，V=12kn；Cb=/LBd=0.62； 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=187.36m，B=28.40m,d=10.728m,=42890MT,H=12.00m,V=15kn。 通过上述实例计算不难看出影响船体下沉量变化的两大因素是:船舶的方型系数和船速,而相比之下,船速引起的变量要大于方型系数的变量。就船舶而言,船速的快慢是直接因素,在一定的条件下(水域条件、装载状况和吃水、方型系数等均不变的情况下)只有船速是可变的,也是唯一的变量,船速快,下沉量大;船速慢,下沉量小。所以控制好船速是保证船舶顺利通过浅滩、浅水水域时安全航行的关键。 5富余水深(UKC)的确定 富余水深UKC(UnderKeelClearance)是船舶在通过浅滩或在浅水水域航行时船底以下必须保留的水深余量,是防止船舶拖底、触底、搁浅和失控的基本要素。当船舶航行在浅水水域时,因其周围流场的变化,使船体下沉、纵倾变化和操纵性能变差为了避免船舶拖底、触底、搁浅、和失控等险情的发生,船舶在进入浅水水域航行前,必须充分地考虑到船底与水底间的安全距离,即富余水深值。由于影响富余水深的因素较多,且具有一定的不确定性,要求精确测算很难作到,如果富余水深保留过多,在经济上将会受到一定的损失。因此用确定船舶过浅点、航道时的富余水深值来保证船舶航行安全是行之有效的。 富余水深在取值时还应考虑以下因素: (1)水位误差:由潮沙预报、航道测量、气候气压等引起的误差。由于受测量仪器误差、测深点位置的误差、海水密度变化的影响都会影响到海图水深资料的精确度。国际测深基准容许的误差为:水深020m为0.3m,水深20l00m为1.0m;l00m以上的水深为10%。 另外气压变化也会对水深产生影响,如气压上升,海平面受到的压力加大,水位就比正常情况下降。反之,气压下降,水位就升高。 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