航海技术专业精品毕业论文--航行船舶在浅水中的纵倾变化研究

航海技术专业精品毕业论文--航行船舶在浅水中的纵倾变化研究内容摘要：

是凭借现有的理论和实验研究成果 ， 或者 一些经验公式给出结论 【 １１ 】。 对于经验方法 ， 英版航海手册给出了三个经验公式 ： （１） 下沉量 =10%吃水 ， 此公式一般适用于船速为 10kn 的船舶下沉量估计 ， 并不适用于所有船舶 ；（２） 下沉量 =每 5kn 前进速度下沉 ， 此公式 表明在一定的速度范围内 ， 船体 下沉量与船速保持的一定的线性关系 ； （３） 下沉量 = )(1002 mV ， 式中 V 的单位是 kn， 此公式说明下沉量与船速平方成正比 ， 但并没有 考虑 到 船型 、 水深等问题 【 １２ 】。 因此作为一种经验公式 ， 是有其较大的局限性的 ， 但 如若 只需粗略的估计船体下沉量时 ， 运用该公式是比较方便的 ， 从某种角度讲也是有其积极意义的。 然而 ， 经验公式有时可能有较大出入 ， 相比较而言 ， 定量的数值计算则更具科学性和实用性。 从 1967 年到 1977， Tuck 应用细长体理论首先给出了船体下沉量和纵倾变化的一个理论计算方法。 而后 ， 在 1970 年 ， Tuck 和Ｔ aylor 提出了一种近似的计算公式 ： 22n222n2 1t1 nPPnPPZm FFLCFFLCS▽， Δ▽ Θ (31) 式中 ： mS 为船体平均下沉量 ， Δ t 为吃水差的改变量 ， PPL 为船舶垂线间长 ， ▽为船舶排水体积 ， nF水深傅汝德数 ， ghVFn  ， V 为船速（ sm ） ， h 为水深（ m ） ， ZC 为平均下沉量系数 ， ΘC 为吃水差变化量系数 【 ４ 】。 随后在此基础上衍生出了 许多的解析式或一些经验公式 ， 如 Hooft（ 1974）公式 、 Huuska（ 1976）公式 、 Eryuzlu 和 Hausser（ 1978）公式 、 Barrass（ 1981）公式 、 Romisch（ 1989）公式 、 Millward（ 1990） 6 公式 、 Millward（ 1992）公式 、 Eryuzlu（ 1994）公式 、 Ankudinov（ 1996）公式等。 而不同的公式有其不同的适用条件 ， 对于不同的水域 、 不同的船型误差 大小也不尽相同 ， 所以在估算下沉量时应视具体 情况而定。 基于傅汝德数的船体升沉和纵倾变化 在无限深水域 ， 船体的升沉和纵倾变化主要取决于船型和船速 ， 而其改变量则可以用 傅汝德数gLVFn  （其中 ， V 为船速（ sm ） ， L 为船长（ m ）） 来衡量。 随着船速的提高 ， nF 逐渐增大 ， 在不同的区间 ， 船舶表现出不同的浮态。 （１） nF 时 ， 船体开始出现下沉 ， 船尾吃水基本不变 ， 主要表现为首下沉。 （２） nF 时 ， 船尾开始下沉 ， 但其下沉量小于首下沉量 ， 即船舶在该速度区间主要表现为船体下沉和首倾。 而一般的船舶其 nF ， 所以在船舶航行过程中 ， 原来平吃水的船舶状态将变为首倾状态。 （３） nF = 时 ， 是一个过渡状态 ， 此时船首停止下沉 ， 而船尾下沉则继续增大。 （４） nF ， 由于船首开始上浮而船尾继续下沉 ， 当船尾下沉量超过船首下沉量时 ， 船舶的浮态将由低速时的首倾变为尾倾。 而在此速度区间内 ， 随船速提高 ， nF 变大 ， 船首进一步上浮 ，而船尾则将降至最低点 ， 则船舶开始表现为下沉而后随船速增加表现为上浮 ， 总体上船舶表现为尾倾。 当然 ， 大部分船舶是不能达到此速度区间的 ， 除了个别高速客 船或集装箱船 外。 （５） nF ， 船尾因已降至最低点而开始上浮 ， 而船首则继续上升。 随船速提高 ， 船首上升至一定程度便开始下沉。 总体上 ， 船舶浮态表现为尾倾并上浮 ， 当达到某一程度将保持某一浮态不变而处于水面滑行状态 【 ４ 】。 而在浅水区航行时 ， 由于船舶周围水流态势由三维空间流动变为二维平面流动而导致船体周围水动力的分布和大小的改变 ， 船底水流速度的变大使得船体的下沉量比深水中大。 长期的实践也表明 ， 浅水区航行 ， 船底富余水深变小 ， 不但船舶操纵性能降低 ， 严重时船舶因下沉和纵倾 变化加剧而触底甚至搁浅以致造成财产损失和人员伤亡。 船首下沉量的定量计算 在一般商船速度范围内 ， 船首的下沉量往往要大于船尾下沉量。 所以 ， 在计算船舶浅水中航行时的最大下沉量 ， 一般就 计 算船首下沉量。 1974 年 Hooft 利用 Tuck 在 1970提出的计算公式 ， 将 ZC 取 ~， ΘC 取 ， 给出以下开敞水域浅水中船首下沉量的计算公式 ： )1s i n( 22n322n2nPPppnPPb FFLLFFLS  ▽▽ (32) 式中 ： bS —— 船首下沉量 ▽ —— 船舶排水体积 7 ppL —— 船长（垂线间长） nF —— 水深傅汝德数 ， ghVFn  ， V 为船速（ m/s） ， h 为水深（ m） 【 ４ 】 对于长江口航行的船舶 ， 我们可以运用此公式进行首下沉量的计算 ， 但考虑 到长江口航道的宽度有限 ， 因此受其航道宽度影响 ， 首下沉量将受到影响 ， 大小视航道宽度而定。 但 总体上 航行在宽度受限的航道中 ， 船体的下沉量比无限水域中要大。 如图 31表示船舶在宽度受限的航道中航行时 ，船体下沉量和与 在 无限水域 中 相比吃水差变化的增加率。 图 31 航行船体下沉量和吃水差变化的增加率 ４ 利用纵倾变化提高船舶载货量 通过实例计算船舶可加载的载货量 长江口地跨江苏省和上海市 ， 有着优越的地理位置 ， 做为长江沿线港口和上海港的唯一通道有着举足轻重的作用。 据不完全统计 ， 我国华东地区的煤 、 油和其他一些原料等 有将近百分之八十是由船舶乘潮过长江口来完成的 ， 因此长江口航道的深浅便制约着船舶运输。 自改革开放以来 ， 长江三角洲地区社会经济得到飞快的发展 ， 沿岸重要建筑的不断增多 ， 使得长江口的治理越来越迫切。 经过三期治理 ， 长江口的水深由原来的 6米 多 增加到了现今的 米 ，可以靠离的船舶吨数也增加到近 10 万吨。 然而 ， 长江口虽经治理 ， 航道加深 ， 但对于大型船舶来讲 ， 航经此处时仍旧 将 产生浅水效应 ，使船体下沉 ， 首尾吃水改变 ， 纵倾变化加剧。 为安全起见 ， 大型船舶都要等涨潮 时 才能过长江口 ，以防触底搁浅 【 １３ 】。 为此 ， 当船舶抵达长江口时 若还没涨潮 ， 则既延误了船期 ， 又降低了船舶的经营效益 ， 这对于船公司来讲是最不愿意发生的事。 那么 ， 既然如此 ， 我们除 了在船期安排上做工作外 ， 还可以考虑船舶因纵倾变化而损失的载货量 ， 使船舶在这个问题上能多争取一些主动。 下面将通过实例来进行计算船舶 因纵倾变化而 损失的载货量。 （１）设散货船Ａ 轮 ， 船长 200 米 ， 垂线间长为 190 米 ， 型宽 32米 ， 型深 18 米 ， 吃水 11 米 ， 载重55000 吨。 进港船速 12kn。 8 由 船舶深水中的升沉变化可知 ， 当 nF ＜ ， 船体下沉 ， 但总体上表现为首倾。 而多数商船船速在该速度范围内 ， 所以静水中平吃水的船舶 ， 在深水中将表现为平均吃水增加 ， 并出现首 倾。 由 gLVFn  变化得 knsmgLFVn )(*** 。 而一般出 于燃料消耗的考虑 ， 航行中船速基本都在 26kn 以内 ， 再加上长江口船舶密度变大 ， 为 了 安全 ， 进出长江口的船舶速度将进一步减小 ， 一般都在 12kn 左右。 所以根据 nF 的变化规律 ， 航行在长江口的船舶 nF 远小于 ， 基本上都将出现船首下沉的情况。 于是 ， 我们可以利用船舶首倾 ， 再结合船舶吃水和船舶的初始浮态来增加载货量。 由水深傅汝德数可知 ， * ghVF nh 根据公式 (32)可得船首下沉量 ： mSb  因为 此公式 适用于 开敞水域 ， 故当船舶进入长江口时还需考虑航道宽度受限带来的影响。 根据公式 (31)得 吃水差变化量 Δ 又 由图 31 可知 ， 当船舶下沉量为 时 ， 船舶吃水差变化的增加率为 %， 即船舶吃水差变化增加了 ， 则 tΔ 变为 ， mSb ＇ ， 即相对于开敞水域 ， 船首下沉量增加了。 （２）已知下沉量求吃水的改变 假定 Ａ 轮入长江口 前处于尾倾 ， 则当进入长江口航道时 ， 由于船速的降低 ， 使得船舶的傅汝德数 nF ， 于是 ， 船舶表现为首下沉量大于尾下沉量 ， 而后逐渐变为平吃水。 由上面的计算可知 ， 在船舶变为平吃水时相对于船舶平吃水进入长江口而后变为首倾 ， 船舶的吃水减少了 ， 因此 ， 船舶在进入长江口前还可以适当的增加一定的货物。 （３）根据吃水变化量求可增加的载货量 根据静水力曲线图 ， 我们可以查得 55000吨的散货船 ， 其厘米吃水吨数 TPC 约为 cmt 那么由公式 d*ΔTPCP  得可以增加的货物量约为 1722 吨。 从计算结果我们可以看出 ， 利用船舶进入浅水区前后纵倾的变化可以给船舶适当增加一部分载货量。 而这只是一个航次的增加量。 如果从船舶一年的载运量考虑的话 ， 不同的季节都尽量将船舶配至满载 ， 在长江口涨潮时就有足够的富余水深可以安全的通过了 ， 再在进入长江口前配 载好货物使船舶具有一定量的尾倾 ， 进入长江口航道时则刚好变为平吃水。 这样 ， 对于 55000 吨的散货船而言 ， 每个航次都可以考虑增加载货 1722 吨左右。 而以上海和秦皇岛之间的航线为例 ， 由于航线较短 ，一般船舶每月可跑四个航次 ， 考虑到气象原因 ， 此航线一年可跑十个月左右。 于是 ， 对于 55000 吨的散货船来讲 ， 正常情况下一年可以跑 40 个航次 ， 按照每个航次增加 1722 吨货物 ， 则一年下来可以增加近 68880 吨货物。 而如果忽视掉这部分载货量 ， 在进长江口前就已经调成平吃水的话 ， 进入长江口航道则将受浅水效应影响 ， 船速降低 ， 船体下沉 ， 出 现首倾。 这样 ， 为了船舶安全 ， 不得不用压载水来调整船舶纵倾 ， 在无形中便损失 了一部分 的载货量。 由此可见 ， 利用好船舶的纵倾变化是可以 给 船舶营运带来一定的效益的。 提高载货量的具体建议 作为一家航运公司 ， 实现利润最大化当然是所追求的最终目标。 而利润要由支出和收入来衡量 ，对于支出 ， 船公司需考虑除了正常的船员工资 ， 船舶各项开销外 还 应尽量减少不必要的消耗 ， 这主要是船公司方面要解决的问题。 而对于收入 ， 除了船公司考虑货物的运输价格外 ， 对于船舶本身来讲 ， 当然是尽量达到满舱满载 ， 使得船舶的利用率达到最大。 那么作为船舶本身 要怎样才能实现对船舶舱容的充分利用。 9 首先 ， 当然是开航前的货物配积载问题。 大副应充分的考虑船舶将要航经的水域的密度 ， 船舶所装货物的积载因素。 在尽量多装货的前提下 ， 使船舶具有一定的尾倾。 这样不但使改善了船舶的操纵性 ， 还能够充分利用舱容。 其次 ， 便是确定船舶的初始尾倾量。 过大 ， 在浅水区航行时由于纵倾的变化 ， 虽然尾倾现象减轻但船舶的吃水相对于平吃水将增大 ， 甚至超过规定的载重线 ； 过小 ， 则浅水区航行中可能出现一定的首倾 ， 不但船舶操纵性变差 ， 而且将损失一部分舱容。 那么 ， 在计算船舶的尾倾量时 ， 我们应根据船舶的具体参数 ， 通 过对船舶的船 型 系数 、 船速等进行分析 ， 再结合航经浅水域的情况 ， 开敞或宽度受限等条件选择合适的下沉量计算公式。 最后再以经验公式作为参考 ， 确定最终的一个结果。 最后 ， 便是准确的把握船期。 以长江口为例 ， 由于其涨潮的时间不一定跟人们的生物钟吻合 ，那么船长应根据长江口潮汐的规律确定好航行过程中船舶的行驶速度 ， 使得船舶抵达长江口外时刚好涨潮 ， 这样就避免了候潮而浪费时间 ， 于是 ， 在有足够的富余水深的前提下 ， 船舶按时乘潮过长江口 ， 其浮态也有初始的尾倾变为平吃水 ， 使船舶的舱容得到了充分利用。 10 5 结束语 船舶的大型化使得相对的浅水区越来越多 ， 当船舶航经此处时 ， 受浅水效应影响将产生各种影响。 本文主要 针 对船舶航行于浅水区 时其纵倾的 变化 ， 通过对船舶载重量 、 船型系数 、 船舶舷外水密度的变化和船速的大小等因素的分析 ， 了解了纵倾变化的影响因素。 又从数学计算的角度 ， 利用现有的理论和 经验 公式进行了定量的计算 ， 从计算结果来推导出船舶可以利用纵倾变化而增加的载货量。 通过航行于长江口的船舶的实例分析可以看出 ， 原先尾倾的船舶进入长江口后变为平吃水 ，因船舶纵倾变化而可增加的载货量是非常 可 观的。 因此 ， 充分的利用好船舶在浅水中航行 时的纵倾变化对于提高船舶的营运效益是有 一定 的现实意义的。