海浪飛沫積冰生成及其對船舶的影響

鄒忠勝

(海口經(jīng)濟學院,海南?？?570203)

冬天的強冷空氣給中國沿海海域帶來劇烈降溫和狂風惡浪,對航行的船舶會造成嚴重影響:操縱變得困難、船速顯著下降、上浪沖擊毀壞船舶設備等。同時,海浪砰擊船舶,會在船殼附近破碎并產(chǎn)生大量海浪飛沫,部分水沫由于直徑較大重新回到海里,而直徑較小的飛沫,在船舶運動和風的影響下,落在船舶上層建筑上,在低溫和強風的作用下容易形成積冰。在強冷空氣的影響下,中小型船舶一般會選擇拋錨避風;南下航行,船舶處于順風順浪狀態(tài)上浪較少;北上航行,船舶大都是空載,干舷比較高,不易上浪。由于上述原因,駕駛人員和公司管理人員容易忽視飛沫積冰對船舶的危害。但是如果中小型船舶在黃海北部、渤海遭遇強冷空氣,航行時間較長且干舷較低,飛沫積冰對船舶的穩(wěn)性和浮性等會造成嚴重危害,甚至導致船舶發(fā)生傾覆、沉沒。

1 海浪飛沫積冰的條件

船舶上層建筑積冰主要由低溫海浪飛沫、霧與凍雨、下雪等三種因素引起的,其中海浪飛沫造成積冰的概率最大,為96.2﹪[1]。適宜于船舶上層建筑積冰的外界因素有[2]:

(1)氣溫:-26℃～ 0℃。

(2)風速:海浪飛沫積冰一般在風速較高時發(fā)生,利于海浪飛沫熱量的散失。

(3)表面海水溫度:海浪飛沫積冰通常發(fā)生在表面海水溫度-1.8～+6.0℃時。當溫度低于-1.8℃時,海水已經(jīng)開始結冰,飛沫不易產(chǎn)生;當溫度高于6.0℃時,飛沫不能在下一次飛沫到來之前結冰,不能形成積冰。

在強冷空氣的作用下,渤海的風速可達25m/s,氣溫在-10℃或以下,表面海水溫度在0℃左右,在上述自然條件下,海上航行的船舶有嚴重積冰的危險。

2 海浪飛沫量的計算

海浪砰擊船舶產(chǎn)生的波浪飛沫,在風和船舶運動的作用下,將落在船舶上層建筑上。在較低氣溫和較大風速的作用下,低溫的海浪飛沫容易在較短的時間內(nèi)散失大量熱量而結冰。隨著船舶——海浪之間的砰擊運動的不斷進行,積冰得到積累。當船舶上層建筑的積冰量達到一定的程度,積冰的表面會迅速地增大,同時積冰的表面溫度降低,加速積冰的積累,從而形成——種惡性循環(huán)。這會使船舶的穩(wěn)性降低,甚至會導致船舶的傾覆、沉沒。根據(jù)Zarling的觀察與分析,假設海浪飛沫的直徑為1.75mm,相對海面是靜止的。在上述假設的基礎上,通過經(jīng)驗公式得到飛沫的垂直質(zhì)量分布,在風和船舶運動的影響下計算飛沫運動軌跡和冷卻過程,進而確定積冰質(zhì)量分布,分析飛沫積冰對船舶的影響。海浪飛沫生成時的垂直質(zhì)量分布[3]:

式中:ω—海浪飛沫垂直質(zhì)量密度分布(kg/m3),Ur—船舶的相對風速(m/s),Ps—上浪持續(xù)時間(s),N—每分鐘上浪次數(shù)。

2.1 海浪飛沫質(zhì)量密度分布

飛沫垂直質(zhì)量密度分布W是表示距船舶艏部甲板平面不同高度z的飛沫垂直質(zhì)量密度分布,與波浪高度、船舶——波浪相對速度、船體某處距艏部甲板平面高度有關,其取值為[3]:

式中:Hs—有義波高H1/3(m);Z—飛沫距離船艏甲板平面的高度(m);VSW—波浪與船舶的相對速度(m/s),其取值如下式(3),其中α是船首向與波浪向的夾角(迎浪是180°,順浪是0°)。

式中:Ts—有義波浪周期(s),VS——船速(kn)。

產(chǎn)生飛沫的閥值x,如果x＜0,則不會產(chǎn)生飛沫上浪。X的取值為[4]:

飛沫所到達的最大高度:

2.2 船舶的相對風速

船舶的相對風速Us(m/s)與真風速度、船速、風向航向之間的夾角有關,其表達式為式(6),

式中:Vs—船速(m/s),U—風速(m/s)。

α—船首向與風向的夾角(°)。

2.3 海浪飛沫持續(xù)時間

海浪飛沫持續(xù)時間表示每次海浪飛沫作用在某處的持續(xù)時間,與船舶—波浪相對速度、波浪高度、風速有關,其取值為[3]:

式中:VSW、Hs分別見式(3)、(11),U—表示10米高空處風速(m/s)。

2.4 海浪飛沫上浪頻率

并不是每次船舶——波浪之間的遭遇都會產(chǎn)生飛沫,因此須觀察每分鐘的平均飛沫上浪的次數(shù)[3]:

式中:Pw—船舶波浪之間的遭遇周期,其取值如下式,式中 :Ts、VSW如式(10)、(3)。

2.5 有義波高與有義波周期

在算式(2)、(3)、(4)、(5)、(7)、(9)中,相關計算與船舶所在海域的有義波周期 Ts、有義波高Hs有關,而在風速較大時,渤海、黃海北部海域的風浪由于風區(qū)和水深的限制得不到充分發(fā)展。因此,在計算有義波周期Ts、有義波高 Hs時,采用海港水文規(guī)范公式[5]:

式中:F—船舶所在海區(qū)的風區(qū)長度(m),U—10 m高空處的風速(m/s),d—平均水深(m),g—重力加速度。

3 海浪飛沫的運動軌跡

假設波浪飛沫生成后相對于海平面是靜止的,飛沫液滴呈球形而且沒有破碎,只受重力加速度和風的影響,那么可以算出每一高度處液滴下落到船舶甲板的時間,結合船舶運動速度和飛沫在風作用下的水平加速度α,最后得出落在船舶甲板的位置。確定每一次海浪飛沫在船舶甲板的質(zhì)量分布。在風的作用下,水平加速度為α[4]:

不計水滴水平速度的變化對水平加速度的影響,則可簡化寫成:

式中:Vd—飛沫的速度(m/s),U—風速(m/s),v—空氣的運動粘度(1.3×10-5),ρa—空氣密度(kg/m3),ρw—飛沫密度(kg/m3),D—飛沫直徑(m),d—飛沫半徑(m)。

4 海浪飛沫的冷卻

假設飛沫液滴生成時的溫度與海水表面溫度一致,并且氣溫比水溫低,那么液滴在空氣中運動時開始失熱冷卻。在兩次飛沫上浪的時間間隔內(nèi),液滴通過感熱、蒸發(fā)潛熱、輻射熱通量與周圍的空氣進行熱交換。忽略在兩次飛沫上浪時間間隔內(nèi)未能結冰的飛沫液滴,可以得到每次波浪飛沫上浪的結冰量及其分布。飛沫液滴的溫度變化率為[2]:

式中:Td—液滴的溫度,d—液滴的半徑(m),ρd—液滴的密度(Kg/m3),Cb—海水比熱容量3900J/KG-1K-1,QC—感熱通量(J?m-2s-1),QE—蒸發(fā)潛熱通量(J?m-2s-1),QR—輻射熱通量(J?m-2s-1)。

4.1 感熱通量

感熱通量是由于空氣的湍流運動從水滴向大氣進行熱傳導的熱量通量,主要和海-氣溫差、海面風速有關,其取值為[6]:

式中:ρa—空氣的密度(Kg/m3)取 1.29 Kg/m3,Ch—海氣界面熱交換系數(shù),取值為1.3×10-3,Cp—空氣定壓比熱,取值為 Cp=1004+0.0046Ta,Ta—大氣溫度(K),Td—液滴溫度(k),U—船舶的相對風速(m/s)。

4.2 蒸發(fā)潛熱通量

蒸發(fā)潛熱通量是由于水汽相變向大氣進行熱傳導的熱量通量,其取值為[6]:

式中:ρa—空氣密度(Kg/m3),Ce—海氣界面水汽交換系數(shù),其取值為1.4×10-3,U—船上的相對風速(m/s),qa—空氣的飽和比濕(hpa),求法如下:

式中:e0—6.11(hpa),t—溫度(℃),qd—海水表層溫度的比濕(hpa),求法同式(19)、(20)。

L—蒸發(fā)潛熱(J/kg),其取值如下式,式中:Td—液滴溫度(k)。

4.3 輻射熱通量

輻射熱通量是物體因其溫度而產(chǎn)生的以電磁波形式輻射的熱量通量,其取值為[2]:

式中:σ—為 Stefan-Boltzmann常 數(shù)5.67×10-8,Td—液滴溫度(k),Ta—空氣溫度(K)。

5 冰的積累

假設每個飛沫落在甲板的最大厚度為1 mm[2],可以計算每次海浪飛沫積冰的質(zhì)量及其分布。累加每次飛沫上浪的積冰量,得到總結冰量及其分布。通過計算積冰對船舶穩(wěn)性和浮性等的影響,得到飛沫積冰對船舶的危害。

6 海浪飛沫積冰對船舶穩(wěn)性、浮性的影響

某中小型船舶從萊州灣海域駛往鲅魚圈,途中遭遇強冷空氣,計算飛沫積冰對船舶的危害。船舶資料:排水量 3453 t,船長 76 m,船寬 12 m,吃水5.05 m,干舷 1.00 m,首吃水4.68 m,尾吃水5.39 m,滿載時的TPC為6.23,初穩(wěn)性高度0.799 m。在萊州灣附近海域,水深20 m,風向NNE,風區(qū)400,000 m。渤海中南部在冬季一、二月份的水溫在零度左右,在強冷空氣來臨時,氣溫可降至-15℃。假設船舶以6節(jié)船速航行,遭遇6級NNE風,在7.1 s的上浪間隔中,液滴的溫度可下降3°,即每次上浪的飛沫都能積冰。在24 h內(nèi)船舶飛沫積冰166 t,隨著風速、船速的增大,飛沫上浪量迅速增加。計算結果與Lozow ski測算數(shù)據(jù)[4]的曲線趨勢基本吻合。積冰對船舶的浮性、穩(wěn)性和操縱造成很大的影響:

(1)海浪飛積冰重心高于船舶重心,船舶重心升高 0.17 m,船舶穩(wěn)性 GM=KM-KG為0.629 m。

(2)海浪飛沫積冰引起的吃水差改變量為+1.21 m,船舶由原來尾傾0.71 m變?yōu)槭變A0.50 m,容易造成飛車現(xiàn)象,影響船舶快速性和操縱性。

另外,積冰增大受風面積,增加風傾覆力矩;如果在斜頂浪的情況下,積冰分布不對稱,將會產(chǎn)生初始橫傾角 θ=arctan(p?y/Δ?GM),根據(jù)斜浪橫搖理論 φ″+rcφ′+n2φ=n2φae0 sinωt,存在初始橫傾角增加橫搖幅度,船舶的抗風能力下降;如果是船側來風,船舶上風側的積冰會引起持續(xù)性橫傾,甚至使船舶失去穩(wěn)性,最終引起船舶傾覆;增加彎矩,影響船舶強度;甲板設備表面積冰,造成設備使用困難,如拋錨設備、開關艙設備,雷達等助航設備不能正常工作;甲板行走困難等。

船舶操縱在飛沫積冰過程中也起著重要的作用,隨著船速的增加,飛沫上浪量增加較快,所以在大風浪減小速度或順風航行可以明顯減小飛沫上浪量和飛沫結冰的速度。另外,露點溫度、氣壓、海表面的鹽度、風時風區(qū)、船舶干舷、船舶裝載情況也對船舶積冰產(chǎn)生影響。

7 結 語

通過計算和分析飛沫積冰對船舶穩(wěn)性、浮性的影響,得到飛沫積冰對船舶的危害。因此,在渤海、黃海北部等寒冷海區(qū)航行時,當有強冷空氣過境時,就應保持高度警覺,慎重考慮船舶航向,尋找避風錨地。如果無法尋到避風錨地,最好的辦法就是船首迎風浪,以盡可能慢的速度航行,將浪沫飛濺的程度減至最小。

1 DAV ID M.FEIT,SUPERSTRUCTURE ICING IN A LASKAN W ATERS,3-4

2 V ictor Kw ok Keung Chung,SH IP ICING AND STABILITY,National Lib rary of Canada(1995),2-135

3 W.P.Zakrzew ski,ICING OF SHIP,NOAA,35-54

4 EP.LOZOWSK I,Com puter simu lation of marine ice accretion,THE ROYAL SOCIETY(2000),2817-2825

5 中華人民共和國交通部.海港水文規(guī)范[S],JTJ-98-213(1998)

6 陳錦年.中國近海海面熱平衡[M].海洋出版社