淺水影響造成的船舶下沉量分析

吳 兆 陽(yáng)

（上海外高橋造船有限公司設(shè)計(jì)研究院開(kāi)發(fā)所，上海 200137）

0 引 言

船舶從無(wú)限深水域行駛進(jìn)淺水或限制航道（例如運(yùn)河、海峽）的時(shí)候，由于水深及航道寬度的影響，船舶的航態(tài)會(huì)隨之發(fā)生較明顯的變化，出現(xiàn)船體下沉的現(xiàn)象[1]。這種下沉現(xiàn)象是淺水影響的一部分，實(shí)際上，很早就被人們發(fā)現(xiàn)了，只是最初船體航速低，下沉量不明顯。隨著船舶建造的大型化以及航速的提高，下沉量逐漸受到關(guān)注，尤其對(duì)于較高航速船舶，下沉量可能導(dǎo)致船舶觸底，造成海損事故，影響航行安全。

1 影響下沉量的因素

影響下沉量的因素主要有：1)水深；2)方形系數(shù)；3)航速；4)航道限制程度。

一般說(shuō)來(lái)，當(dāng)水深小于7倍吃水時(shí)，會(huì)出現(xiàn)船體下沉現(xiàn)象，當(dāng)水深減少至2.5倍吃水時(shí)，下沉現(xiàn)象將非常明顯。當(dāng)船型和吃水一定時(shí)，下沉量和航速的平方成正比例關(guān)系，航速對(duì)下沉量的作用十分顯著。淺水分為敞開(kāi)水域和限制航道，其中，敞開(kāi)水域只考慮水深影響，而限制航道除考慮水深外，還需要考慮航道寬度影響，船舶在限制航道中，下沉量更大。

導(dǎo)致這種下沉現(xiàn)象的原因，可以用流體力學(xué)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換原理進(jìn)行分析。船舶以一定航速在水中行駛，可以等效為水以一定速度流經(jīng)靜止的船體，即船舶前進(jìn)相當(dāng)于四周?chē)拇罅克饕耘c船舶運(yùn)動(dòng)相反方向的速度從船舶周?chē)?，尤其是船底流?jīng)靜止的船體。當(dāng)船舶行駛進(jìn)淺水水域時(shí)，周?chē)鷧^(qū)域截面積變小，流體流速變大，流體壓力變小，引起船舶下沉，可能觸底。具體分析如下：首先根據(jù)理想流體的連續(xù)性方程[2]，單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)不同截面的水量應(yīng)該相等，見(jiàn)下式：

式中：ρ——流體密度；A——截面積；v——流體速度。

流體流過(guò)不同截面積時(shí)的壓力和流速的示意圖見(jiàn)圖1。

相對(duì)于無(wú)限深水，淺水中船底區(qū)域水流截面積 A2＜A1，根據(jù)連續(xù)性方程（1），得到流體的流速v2=A1/A2×v1＞ v1。

根據(jù)流體力學(xué)[3]的伯努利方程：

式中：ρ——流體密度；P——靜壓力；v——流體速度；h——水深；constant——常數(shù)。

由式（2）可以得出式（3）：

當(dāng)h1=h2，v2＞v1時(shí)，壓力P2＜P1，從而引起負(fù)壓力，導(dǎo)致行駛中的船舶下沉，并產(chǎn)生一定程度的縱傾，如圖2所示。

圖1 流體流過(guò)不同截面時(shí)的壓力和流速

圖2 負(fù)壓力導(dǎo)致的船舶下沉

同理，船舶在運(yùn)河中行駛時(shí)，除了會(huì)引起船體下沉外，左右兩側(cè)水流的回流還會(huì)產(chǎn)生一定的壓力差，引起岸吸現(xiàn)象，導(dǎo)致船體偏離航道，嚴(yán)重時(shí)會(huì)碰撞河堤。因此，要通過(guò)計(jì)算分析，得到船舶在不同裝載狀態(tài)、航速、航道中的下沉量，檢驗(yàn)是否存在觸底的危險(xiǎn)，減小船體、舵葉或者螺旋槳損壞的概率。并根據(jù)航道特點(diǎn)，計(jì)算出安全航速，保證航行的安全。

2 10.8萬(wàn)t成品油輪下沉量計(jì)算及分析

應(yīng)船東要求，對(duì)在建10.8萬(wàn)t成品油輪做了船舶淺水航行的下沉量分析。

下沉量的計(jì)算方法很多，本文選用英國(guó)Barras教授在實(shí)船和船模測(cè)量方面所總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：σ——下沉量/m；Cb——方形系數(shù)；v——航速，kn；k——航道限制系數(shù)，敞開(kāi)水域k=1，限制水域k=2，由式（4）得到下沉量數(shù)值表，如表1所示。

表1 下沉量數(shù)值 m

圖3 下沉量與航速關(guān)系的模擬曲線(xiàn)

根據(jù)計(jì)算所得數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到模擬曲線(xiàn)（見(jiàn)圖3）。從圖3所示曲線(xiàn)可以看出，隨航速增加，下沉量劇增。航速到達(dá)14.4kn，船體將觸底。這就涉及到船舶淺水中安全航速的問(wèn)題。以下將討論10.8萬(wàn)t油船在淺水中安全航行速度。

3 安全航速

因?yàn)榇嬖谙鲁亮?，為保證航行安全，通常船舶與水底之間保留富裕水深，此距離為航行水域考慮潮汐后的水深減去

吃水及下沉量所得之值。一般，主管機(jī)關(guān)都會(huì)給出相應(yīng)航道的 UCK（安全富裕水深），各國(guó)對(duì) UCK的規(guī)定有所不同。歐洲引航協(xié)會(huì)使用的UCK規(guī)定如下：海外水道：船舶吃水的20%；港外水道：船舶吃水的15%；港內(nèi)：船舶吃水的10%。

根據(jù)UCK、潮汐和Barras公式，得到船舶淺水航行的安全航速 Vs：

式中：Vs——淺水航行的安全速度/kn；h——航道水深/m；tide——潮汐高度/m；T——船舶吃水/m；UCK——安全富裕水深/m；Cb——方形系數(shù)。

對(duì)應(yīng)油船滿(mǎn)載時(shí)的各項(xiàng)參數(shù)，在水深為20m，潮汐為0.9m 的限制航道航行時(shí)，得到水下富裕深度曲線(xiàn)，如圖4所示。航道限制條件按歐洲引航協(xié)會(huì)規(guī)定中的港外水道計(jì)算，即UCK取2.3時(shí)，可以根據(jù)式（5）求得對(duì)應(yīng)的安全航行速度 Vs=9.36kn 。

圖4 水下富裕深度曲線(xiàn)

4 結(jié) 語(yǔ)

1)通過(guò)以上分析，可以計(jì)算出船舶在淺水水域航行時(shí)的下沉量，并且得到模擬曲線(xiàn)，直觀地看出不同航速時(shí)的下沉量及其變化規(guī)律；

2)通過(guò)給定富裕水深，可以相應(yīng)地求出船舶在各種海峽、運(yùn)河、淺灘的安全航行速度，從而了解船舶淺水的操縱性能，為安全航行提供依據(jù)，避免觸底事故的發(fā)生。

[1] 黃宏波.船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)（總體分冊(cè)）[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1997.

[2] 許維德.流體力學(xué)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1989.

[3] 王 健，李海濤.計(jì)算流體力學(xué)方法在船舶領(lǐng)域的實(shí)用性研究[J].船舶與海洋工程，2012, (4): 6-11.