浅水影响造成的船舶下沉量分析

2014-05-07 07:43吴兆阳

船舶与海洋工程 2014年2期

吴兆阳

（上海外高桥造船有限公司设计研究院开发所，上海 200137）

0 引言

船舶从无限深水域行驶进浅水或限制航道（例如运河、海峡）的时候，由于水深及航道宽度的影响，船舶的航态会随之发生较明显的变化，出现船体下沉的现象[1]。这种下沉现象是浅水影响的一部分，实际上，很早就被人们发现了，只是最初船体航速低，下沉量不明显。随着船舶建造的大型化以及航速的提高，下沉量逐渐受到关注，尤其对于较高航速船舶，下沉量可能导致船舶触底，造成海损事故，影响航行安全。

1 影响下沉量的因素

影响下沉量的因素主要有：1)水深；2)方形系数；3)航速；4)航道限制程度。

一般说来，当水深小于7倍吃水时，会出现船体下沉现象，当水深减少至2.5倍吃水时，下沉现象将非常明显。当船型和吃水一定时，下沉量和航速的平方成正比例关系，航速对下沉量的作用十分显著。浅水分为敞开水域和限制航道，其中，敞开水域只考虑水深影响，而限制航道除考虑水深外，还需要考虑航道宽度影响，船舶在限制航道中，下沉量更大。

导致这种下沉现象的原因，可以用流体力学的运动转换原理进行分析。船舶以一定航速在水中行驶，可以等效为水以一定速度流经静止的船体，即船舶前进相当于四周围的大量水流以与船舶运动相反方向的速度从船舶周围，尤其是船底流经静止的船体。当船舶行驶进浅水水域时，周围区域截面积变小，流体流速变大，流体压力变小，引起船舶下沉，可能触底。具体分析如下：首先根据理想流体的连续性方程[2]，单位时间内流过不同截面的水量应该相等，见下式：

式中：ρ——流体密度；A——截面积；v——流体速度。

流体流过不同截面积时的压力和流速的示意图见图1。

相对于无限深水，浅水中船底区域水流截面积 A2＜A1，根据连续性方程（1），得到流体的流速v2=A1/A2×v1＞ v1。

根据流体力学[3]的伯努利方程：

式中：ρ——流体密度；P——静压力；v——流体速度；h——水深；constant——常数。

由式（2）可以得出式（3）：

当h1=h2，v2＞v1时，压力P2＜P1，从而引起负压力，导致行驶中的船舶下沉，并产生一定程度的纵倾，如图2所示。

图1 流体流过不同截面时的压力和流速

图2 负压力导致的船舶下沉

同理，船舶在运河中行驶时，除了会引起船体下沉外，左右两侧水流的回流还会产生一定的压力差，引起岸吸现象，导致船体偏离航道，严重时会碰撞河堤。因此，要通过计算分析，得到船舶在不同装载状态、航速、航道中的下沉量，检验是否存在触底的危险，减小船体、舵叶或者螺旋桨损坏的概率。并根据航道特点，计算出安全航速，保证航行的安全。