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1、航行船舶在浅水中的纵倾变化研究摘 要：基于航行船舶在浅水中的纵倾变化研究，本文从浅水域的概念入手，明确了何为浅水区，通过对浅水效应产生的条件、原因和现象的分析来引出船舶在浅水中的纵倾变化。对于船舶的纵倾变化，主要考虑了几个比较重要的影响因素，例如船舶的排水量，船型系数，船体舷外的水密度变化，船舶速度大小等，从而对船舶的纵倾变化有了定性的认识。再根据现有的理论和经验公式对船舶的下沉量和纵倾变化进行定量的计算，且利用计算结果来分析船舶因纵倾变化而可加载的载货量，并用实例进行了论证。在此基础上，再给出具体的建议，希望通过船舶浅水中的纵倾变化能够充分利用船舶的载货量从而提高船舶营运的效益，最终能为船公
2、司带来一定的效益增长。关键词：航行船舶；浅水效应；纵倾变化；傅汝德数Analysis of the Navigating Shipschange of Trim in Shallow WaterZheng jianwei(Professional:Maritime Navigation Student ID:074120126)Instructor:Hu Yunping & Zhang yuanqiangAbstract: The research of the trim change in shallow water. This article begin with the concept
3、of the shallow water, where is the shallow water has been defined, and then through the analysis of the conditions, reasons and phenomenon of the shallow water effect leads to the ships trim change in shallow water. For the change of the ships trim, we mainly consider several of the more important f
4、actors , such as, displacement tonnage of the ship, ships coefficient, the change of water density outboard, ships speed, thus we can have a qualitative understanding of the ships trim. Then we use the existing theory and empirical formula to calculate the amount of quantitative changes of the ships
5、 sinking and trimming, and then analyze the results of the calculation to decide the amount of cargo can be loaded due to the trim change and use the example to demonstrate the results. On this basis, and with the specific suggestions, we hope to use the changes of ships trim in shallow water to tak
6、e full advantage of the ships cargo capacity and then improve the efficiency of the ship and finally it can bring some efficiency gains to the shipping companies.Keywords: navigating ship; shallow water effect; the change of ships trim; Froude coefficient引言 1987年，渡轮”Herald of Free Enterptis”在Zeebrug
7、ge倾覆，导致近200人死亡。相关人员对船舶及自然环境等进行了全面的调查后发现，由于船舶在浅水域中高速航行时，船体下沉导致船首首尖舱进水，淹没了汽车甲板，最终导致了船舶稳性丧失而倾覆【】。随着航运的发展，此类事件发生的频率日渐增大。究其原因，则归咎于船舶在浅水域航行时所受的影响越来越大。我国是一个航运大国。近年来，国内航运业得到迅猛发展，随之便带动了我国造船业的发展。为了满足航运市场的需求，新造的船舶便逐渐朝着大型化发展，吃水越来越深。于是，可航水域的水深相对于船舶的吃水就越来越小，相对的浅水域也就越来越多了。因相对水深减小而引起的船舶的浅水效应也越来越显著，出现船体下沉量增加，船舶摇晃剧烈，
8、船舶纵倾变化加剧等现象。而船舶的纵倾变化，不但影响到船舶在浅水域航行时的操纵性能，还对船舶安全和船舶效益等产生一定的影响。虽然国内外有许多专家都对船舶在受限水域的操纵性进行了大量的研究，但有针对性的对浅水中航行船舶的纵倾变化进行研究的却不多。而且与许多年前相比，由船舶纵倾变化带来的各方面影响也越来越大了。本文希望通过对浅水中船舶纵倾变化的研究，探寻船舶纵倾变化的规律及其影响因素，并以此来提高船舶的载货量最终增加船公司的营运效益。毕竟作为一家航运公司，追求的是安全、经济、高效这三者的完美结合，以达到获得高营业额的最终目标。浅水域的概况1.1浅水区界定虽然人们逐渐认识到相对于船舶的大型化，可航水域
9、的相对水深正在逐渐变小，但怎样去定义浅水区一直没能给出一个明确的方式。以前，由于船舶小、船速低，浅水效应现象的发生较少，人们就根据水深数值的大小简单的定义了浅水区，超过某一常量便认为是深水区，而小于此值时则认为是浅水区【】。然而现在，随着船速的不断提高，船体的不断增大，浅水效应便常有发生，严重的甚至导致船舶毁损。所以人们不得不重新考虑浅水效应并进行深入的研究。那么，首先当然是给浅水域划个界限，在什么条件下可不考虑浅水效应，而在什么条件时则必须重视其带来的影响。目前，对于浅水区这个概念并没有给出一个定量的定义，因为出现浅水效应的水域跟船舶尺度、船速大小、船舶形状、航区水深等都存在着直接的关系【】
10、。在航区水深较浅时，如果船舶吃水较小，航速较低并不一定出现浅水效应，相反的在航区水深较深而船速较高，吃水又较大时也是可能出现浅水效应的。于是，人们便想到了水深吃水比（h/d）这么一个相对概念。国际上也根据水深对于船舶操纵性的影响程度将水深划分为深水、中等水深、浅水（1.2h/d1.5）和超浅水【】。虽然这里定义了水深吃水比小于1.5倍时才视为我们通常所指的浅水，但根据实际的操船经验来判断，当水深吃水比小于4倍时船舶的操纵性能就开始受到影响了，当水深吃水比接近2时则将产生明显的影响。所以在实际的操船中，当水深吃水比接近4倍时便要引起注意了，应及早的采取相应的措施来减小浅水效应的影响。1.2浅水效
11、应产生的原因船舶在浅水区航行时，船壳周围的水流与船体的相对运动跟深水中相比是有很大的区别的。当在深水中航行时，不论船舶首尾亦或是流经船底的水流由于不受空间上的限制而具有三维空间流动的特点，使得船舶相对于水的流速等于船速。在船首处水流既向两侧又向下方流动，并且向下的特点比较明显；而当接近船尾处时水流从两侧向纵中剖面又向上流动，并且向上的特点比较明显【】。而当船舶航经浅水域时，船舶首尾及船底受到空间上的限制，流经船底的水流的流态便发生了变化，从原来的三维空间流动变为了由两侧同时向内的二维平面流动，于是船体周围水压力的大小和分布便跟船舶在深水中时有很大不同，结果导致船舶阻力增加，使船体表面水动力的大
12、小和分布发生了变化，进而产生了浅水效应。1.3浅水效应产生的现象浅水区航行的船舶，在船壳底部和河床之间形成了一个狭小的空间，导致流经船底的水流流速增大；并且又由于液体都具有一定的粘滞性，于是船在水中运动时，会带动船体周围部分水一起运动，在船体和河床处便形成了有一定厚度的边界层，使得船底过水断面减小，流速进一步增加。根据伯努利效应，当流体的速度增加时，其与物体接触的边界层上的压力会减小；反之，压力便会增大。于是，由于浅水中流经船底的水流流速的增加，使得船体周围水压力减小，从而出现船舶下沉，吃水增加，船体附加质量和附加惯性较深水中航行时增加的更加明显。并且，船底和河床的边界层的厚度都是渐变的，从船
13、首到船尾逐渐的增加，使得船尾的过水断面比船首的小，因而流速在船尾处增加较船首明显，压力下降更多，故船尾下沉量比船首大，船舶呈尾倾状态，随船速提高，船舶的纵倾状态会发生改变【】。对于肥大型船和高速船，下沉和纵倾的变化更为剧烈。随着船舶下沉和纵倾变化的加剧，船舷两侧浸水面积增加，使得摩擦阻力增加，船速降低。阻力的增加使船舶的冲程减少。且兴波阻力的增加，使船尾涡流阻力增加，导致推进器效率下降；同时，浅水中伴流、涡流的增加使舵力下降、船速下降，而滑失比提高又使舵力增加，又接近海底的舵叶由于整流作用也提高了舵力，所以浅水中舵力变化不大，但舵效将变差。除此之外，由于船体周围水动力的分布和大小发生了变化，船
14、舶会产生剧烈的振动，横移和转向困难，船舶的操纵性也将发生变化。船舶纵倾变化的影响因素船舶在浅水区航行时，由于船体周围水流流速的不同，首尾处较小而两舷侧较大，使得船体周围的水压力变化，首尾压力高而船中压力低，为了在相同的排水量下保持平衡，船体便要多下沉一些【】。又首尾船壳的形状（船中附近比较肥胖，向首尾逐渐瘦削）不同，于是就产生了纵倾变化。2.1船舶排水量及排水体积变化的影响船舶载重量越大，排水量越大，则船舶的纵倾变化就越大【】。现在的船舶大小已经不是几十年前的小型船可以相比的。为了提高船舶营运的效益，船公司总是希望能够最大限度的利用船舶的载重量，于是在一个港口卸货后便会另外装上一批运往其他港口
15、的货物，并且由于淡水、食物、燃油的补给，船舶的总载重量便会发生变化。在驶进和驶出港口时，随着载重量的不同，船舶的纵倾变化也不同。又现在的大多数港口的水深相对于大型船舶而言均可视为是浅水区。于是受浅水效应的影响，在一般商船速度范围内，在船速较低时船体就开始下沉，随着船速的提高，下沉增加量变大，船首上浮的时机较早，且水越浅，船体达到首倾变为尾倾所需的船速就越低【】。并且，当船舶尾倾时，其操纵性比首倾时要好，所以大多时候人们习惯将船舶调成尾倾航行。于是，船舶在靠离港过程中如航经浅水区时，若船舶原来是尾倾的，那么随着船速的提高，船舶的尾倾将减轻，逐渐变为平吃水或者首倾；反之，如船舶原来是首倾，那么首倾
16、将加剧。因为船壳并不是直上直下的形状，当船舶纵倾发生变化时，其吃水也随着改变，而船壳的形状是由下向上逐渐变大的，因此与小型船比较，当吃水增加量相同时，排水量大的船舶受到的影响更大，船壳所受的水动力变化也将更大，由此引起的纵倾变化也更加剧烈。船舶排水体积的变化也将影响船舶纵倾的变化，这主要是船舶航经不同密度的水域时，由于船舶舷外水密度的改变而导致船舶出现上浮或下沉，由于船壳不同部位形状不同的原因，使得沉浮后的船体前后受力不一而出现了纵倾变化。2.2船舶的方形系数的影响 船舶的航海性能和船体强度的优劣与船体的几何形状是有着密切的关系的。而船体的形状通常指的是船体的大小、外形、肥瘦程度和船体表面的光顺与否。为了研究方便，通常用型线图来表示船体的几何形状，用主尺度表示船体的大小，用船体系数表示船体的肥瘦程度。 船体系数中，水线面系数表示水线面的肥瘦，中横剖面系数表示中横
