海浪飞沫积冰生成及其对船舶的影响

邹忠胜

(海口经济学院,海南海口 570203)

冬天的强冷空气给中国沿海海域带来剧烈降温和狂风恶浪,对航行的船舶会造成严重影响:操纵变得困难、船速显著下降、上浪冲击毁坏船舶设备等。同时,海浪砰击船舶,会在船壳附近破碎并产生大量海浪飞沫,部分水沫由于直径较大重新回到海里,而直径较小的飞沫,在船舶运动和风的影响下,落在船舶上层建筑上,在低温和强风的作用下容易形成积冰。在强冷空气的影响下,中小型船舶一般会选择抛锚避风;南下航行,船舶处于顺风顺浪状态上浪较少;北上航行,船舶大都是空载,干舷比较高,不易上浪。由于上述原因,驾驶人员和公司管理人员容易忽视飞沫积冰对船舶的危害。但是如果中小型船舶在黄海北部、渤海遭遇强冷空气,航行时间较长且干舷较低,飞沫积冰对船舶的稳性和浮性等会造成严重危害,甚至导致船舶发生倾覆、沉没。

1 海浪飞沫积冰的条件

船舶上层建筑积冰主要由低温海浪飞沫、雾与冻雨、下雪等三种因素引起的,其中海浪飞沫造成积冰的概率最大,为96.2﹪[1]。适宜于船舶上层建筑积冰的外界因素有[2]:

(1)气温:-26℃～ 0℃。

(2)风速:海浪飞沫积冰一般在风速较高时发生,利于海浪飞沫热量的散失。

(3)表面海水温度:海浪飞沫积冰通常发生在表面海水温度-1.8～+6.0℃时。当温度低于-1.8℃时,海水已经开始结冰,飞沫不易产生;当温度高于6.0℃时,飞沫不能在下一次飞沫到来之前结冰,不能形成积冰。

在强冷空气的作用下,渤海的风速可达25m/s,气温在-10℃或以下,表面海水温度在0℃左右,在上述自然条件下,海上航行的船舶有严重积冰的危险。

2 海浪飞沫量的计算

海浪砰击船舶产生的波浪飞沫,在风和船舶运动的作用下,将落在船舶上层建筑上。在较低气温和较大风速的作用下,低温的海浪飞沫容易在较短的时间内散失大量热量而结冰。随着船舶——海浪之间的砰击运动的不断进行,积冰得到积累。当船舶上层建筑的积冰量达到一定的程度,积冰的表面会迅速地增大,同时积冰的表面温度降低,加速积冰的积累,从而形成——种恶性循环。这会使船舶的稳性降低,甚至会导致船舶的倾覆、沉没。根据Zarling的观察与分析,假设海浪飞沫的直径为1.75mm,相对海面是静止的。在上述假设的基础上,通过经验公式得到飞沫的垂直质量分布,在风和船舶运动的影响下计算飞沫运动轨迹和冷却过程,进而确定积冰质量分布,分析飞沫积冰对船舶的影响。海浪飞沫生成时的垂直质量分布[3]:

式中:ω—海浪飞沫垂直质量密度分布(kg/m3),Ur—船舶的相对风速(m/s),Ps—上浪持续时间(s),N—每分钟上浪次数。

2.1 海浪飞沫质量密度分布

飞沫垂直质量密度分布W是表示距船舶艏部甲板平面不同高度z的飞沫垂直质量密度分布,与波浪高度、船舶——波浪相对速度、船体某处距艏部甲板平面高度有关,其取值为[3]:

式中:Hs—有义波高H1/3(m);Z—飞沫距离船艏甲板平面的高度(m);VSW—波浪与船舶的相对速度(m/s),其取值如下式(3),其中α是船首向与波浪向的夹角(迎浪是180°,顺浪是0°)。

式中:Ts—有义波浪周期(s),VS——船速(kn)。

产生飞沫的阀值x,如果x＜0,则不会产生飞沫上浪。X的取值为[4]:

飞沫所到达的最大高度:

2.2 船舶的相对风速

船舶的相对风速Us(m/s)与真风速度、船速、风向航向之间的夹角有关,其表达式为式(6),

式中:Vs—船速(m/s),U—风速(m/s)。

α—船首向与风向的夹角(°)。

2.3 海浪飞沫持续时间

海浪飞沫持续时间表示每次海浪飞沫作用在某处的持续时间,与船舶—波浪相对速度、波浪高度、风速有关,其取值为[3]:

式中:VSW、Hs分别见式(3)、(11),U—表示10米高空处风速(m/s)。

2.4 海浪飞沫上浪频率

并不是每次船舶——波浪之间的遭遇都会产生飞沫,因此须观察每分钟的平均飞沫上浪的次数[3]:

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

2.5 有义波高与有义波周期

在算式(2)、(3)、(4)、(5)、(7)、(9)中,相关计算与船舶所在海域的有义波周期 Ts、有义波高Hs有关,而在风速较大时,渤海、黄海北部海域的风浪由于风区和水深的限制得不到充分发展。因此,在计算有义波周期Ts、有义波高 Hs时,采用海港水文规范公式[5]:

式中:F—船舶所在海区的风区长度(m),U—10 m高空处的风速(m/s),d—平均水深(m),g—重力加速度。

3 海浪飞沫的运动轨迹

假设波浪飞沫生成后相对于海平面是静止的,飞沫液滴呈球形而且没有破碎,只受重力加速度和风的影响,那么可以算出每一高度处液滴下落到船舶甲板的时间,结合船舶运动速度和飞沫在风作用下的水平加速度α,最后得出落在船舶甲板的位置。确定每一次海浪飞沫在船舶甲板的质量分布。在风的作用下,水平加速度为α[4]:

不计水滴水平速度的变化对水平加速度的影响,则可简化写成:

式中:Vd—飞沫的速度(m/s),U—风速(m/s),v—空气的运动粘度(1.3×10-5),ρa—空气密度(kg/m3),ρw—飞沫密度(kg/m3),D—飞沫直径(m),d—飞沫半径(m)。

4 海浪飞沫的冷却

假设飞沫液滴生成时的温度与海水表面温度一致,并且气温比水温低,那么液滴在空气中运动时开始失热冷却。在两次飞沫上浪的时间间隔内,液滴通过感热、蒸发潜热、辐射热通量与周围的空气进行热交换。忽略在两次飞沫上浪时间间隔内未能结冰的飞沫液滴,可以得到每次波浪飞沫上浪的结冰量及其分布。飞沫液滴的温度变化率为[2]:

式中:Td—液滴的温度,d—液滴的半径(m),ρd—液滴的密度(Kg/m3),Cb—海水比热容量3900J/KG-1K-1,QC—感热通量(J◦m-2s-1),QE—蒸发潜热通量(J◦m-2s-1),QR—辐射热通量(J◦m-2s-1)。

4.1 感热通量

感热通量是由于空气的湍流运动从水滴向大气进行热传导的热量通量,主要和海-气温差、海面风速有关,其取值为[6]:

式中:ρa—空气的密度(Kg/m3)取 1.29 Kg/m3,Ch—海气界面热交换系数,取值为1.3×10-3,Cp—空气定压比热,取值为 Cp=1004+0.0046Ta,Ta—大气温度(K),Td—液滴温度(k),U—船舶的相对风速(m/s)。

4.2 蒸发潜热通量

蒸发潜热通量是由于水汽相变向大气进行热传导的热量通量,其取值为[6]:

式中:ρa—空气密度(Kg/m3),Ce—海气界面水汽交换系数,其取值为1.4×10-3,U—船上的相对风速(m/s),qa—空气的饱和比湿(hpa),求法如下:

式中:e0—6.11(hpa),t—温度(℃),qd—海水表层温度的比湿(hpa),求法同式(19)、(20)。

L—蒸发潜热(J/kg),其取值如下式,式中:Td—液滴温度(k)。

4.3 辐射热通量

辐射热通量是物体因其温度而产生的以电磁波形式辐射的热量通量,其取值为[2]:

式中:σ—为 Stefan-Boltzmann常 数5.67×10-8,Td—液滴温度(k),Ta—空气温度(K)。

5 冰的积累

假设每个飞沫落在甲板的最大厚度为1 mm[2],可以计算每次海浪飞沫积冰的质量及其分布。累加每次飞沫上浪的积冰量,得到总结冰量及其分布。通过计算积冰对船舶稳性和浮性等的影响,得到飞沫积冰对船舶的危害。

6 海浪飞沫积冰对船舶稳性、浮性的影响

某中小型船舶从莱州湾海域驶往鲅鱼圈,途中遭遇强冷空气,计算飞沫积冰对船舶的危害。船舶资料:排水量 3453 t,船长 76 m,船宽 12 m,吃水5.05 m,干舷 1.00 m,首吃水4.68 m,尾吃水5.39 m,满载时的TPC为6.23,初稳性高度0.799 m。在莱州湾附近海域,水深20 m,风向NNE,风区400,000 m。渤海中南部在冬季一、二月份的水温在零度左右,在强冷空气来临时,气温可降至-15℃。假设船舶以6节船速航行,遭遇6级NNE风,在7.1 s的上浪间隔中,液滴的温度可下降3°,即每次上浪的飞沫都能积冰。在24 h内船舶飞沫积冰166 t,随着风速、船速的增大,飞沫上浪量迅速增加。计算结果与Lozow ski测算数据[4]的曲线趋势基本吻合。积冰对船舶的浮性、稳性和操纵造成很大的影响:

(1)海浪飞积冰重心高于船舶重心,船舶重心升高 0.17 m,船舶稳性 GM=KM-KG为0.629 m。

(2)海浪飞沫积冰引起的吃水差改变量为+1.21 m,船舶由原来尾倾0.71 m变为首倾0.50 m,容易造成飞车现象,影响船舶快速性和操纵性。

另外,积冰增大受风面积,增加风倾覆力矩;如果在斜顶浪的情况下,积冰分布不对称,将会产生初始横倾角 θ=arctan(p◦y/Δ◦GM),根据斜浪横摇理论 φ″+rcφ′+n2φ=n2φae0 sinωt,存在初始横倾角增加横摇幅度,船舶的抗风能力下降;如果是船侧来风,船舶上风侧的积冰会引起持续性横倾,甚至使船舶失去稳性,最终引起船舶倾覆;增加弯矩,影响船舶强度;甲板设备表面积冰,造成设备使用困难,如抛锚设备、开关舱设备,雷达等助航设备不能正常工作;甲板行走困难等。

船舶操纵在飞沫积冰过程中也起着重要的作用,随着船速的增加,飞沫上浪量增加较快,所以在大风浪减小速度或顺风航行可以明显减小飞沫上浪量和飞沫结冰的速度。另外,露点温度、气压、海表面的盐度、风时风区、船舶干舷、船舶装载情况也对船舶积冰产生影响。

7 结 语

通过计算和分析飞沫积冰对船舶稳性、浮性的影响,得到飞沫积冰对船舶的危害。因此,在渤海、黄海北部等寒冷海区航行时,当有强冷空气过境时,就应保持高度警觉,慎重考虑船舶航向,寻找避风锚地。如果无法寻到避风锚地,最好的办法就是船首迎风浪,以尽可能慢的速度航行,将浪沫飞溅的程度减至最小。

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 中华人民共和国交通部.海港水文规范[S],JTJ-98-213(1998)

6 陈锦年.中国近海海面热平衡[M].海洋出版社