一种测量自由液面效应的实验装置的设计

陈 玲 刘 威 张 鹭

(南通理工学院电气与能源工程学院，江苏 南通 226002)

0 引言

什么是自由液面呢？船上设有淡水舱、燃油舱、压载水舱等舱柜，运输液体货物即液货舱，如果舱内液体没有装满，那么船舶在倾斜时，舱内的液体也将流向一舷，且液面保持与水面平行，这种可以自由流动的液面称为自由液面。同时当液体流动后，液体体积的形状发生变化，重心向倾斜一侧移动，因而产生一个额外的倾斜力矩，其结果是降低船舶的稳性[1]。所以需要采取措施降低自由液面的不利影响，具体措施就是在液货舱内部设置纵向舱壁，例如油轮、液货船都会设置一道至两道纵向舱壁，纵舱壁的设置有制荡作用，可以减少自由液面的不利影响，而且纵向舱壁数量设置越多不利影响就越小。

在日常的教学中，主要以理论推导为主，根据数学模型建立方程，通过方程求出问题的解析解。因此采用理论分析讲解船上自由液面的不利影响以及其具体的应对措施，学生学起来费力又不易理解。因此考虑采用实验教学，希望通过这种能够测量自由液面效应的实验船舶来帮助学生加深对自由液面效应不利性的认识，同时理解设置纵向舱壁可以降低其不利影响这一举措的合理性。通过实验装置讲解简单直观深入，然而现阶段并没有相关的专业教学设备。

1 实验装置的总体设计

该实验装置主要由水槽、船体模型、压力传感器和计算机系统组成。该水槽的周围和底部设置造浪、造风等装置，同时配合造波机可以制造不同方向、不同强度的波浪。船体模型货舱区域的纵向舱壁可以实现自动伸出与收回，同时舷侧外板都均匀分布安装压力传感器，并且压力传感器实时与计算机连接，将数据传递到计算机上，船体模型见下图1。

图1 船体模型图

利用该设备装置操作时，将船体模型放置于水槽上，装载液体后再模拟船的三种状态：无纵向舱壁、一道纵向舱壁和两道纵向舱壁，利用波浪水槽制造波浪施加相同方向和强度的倾斜力矩，通过压力传感器的数据获取得到船体外板的受压情况。观察模拟船在这三种不同状态下的外板受力的差异。通过压力传感器实时传递数据，即可看到自由液面的存在确实对船体外板产生了额外的倾斜力矩，同时纵向舱壁的设置会降低这种额外的倾斜力矩的数值，提高船舶的复原力矩[2-3]。

2 测量自由液面效应的实施效果

通过上述实验方案发现，纵向舱壁的设置减小了因为自由液面产生的横倾力矩。自由液面产生的横倾力矩数值越大，船舶的复原力矩越小，复原力矩的大幅减少说明船舶能自行恢复到原来位置的能力就降低，即船舶稳性会降低，因此对船舶的安全不利。实验实施后，会在计算机上看到这艘模拟船舶在不同状态下的船体外板压力分布图，通过压力分布图差异性的讲解帮助学生深入理解自由液面存在的不利影响以及其具体的对应措施的合理性。

3 总结

自由液面对船舶稳性不利影响的教学，传统是采用理论教学，考虑通过实验教学，结合与之相关的专业教学设备，更加简单直观深入，帮助学生透彻理解自由液面侧存在会降低船舶的稳性，同时掌握其具体的应对措施设置纵向舱壁的合理性。