[科普中國(guó)]-自由液面

概念

所謂自由液面，是船體總?cè)魏窝b載液體部分，包括水艙、油艙、雙層底以及鍋爐、凝水柜等，沒(méi)有將液體裝滿，而存留著液體的表面與空氣相接觸，當(dāng)船擺動(dòng)或傾側(cè)時(shí)，這種液體的表面也將擺動(dòng)或傾側(cè)，所以稱(chēng)為自由液面。這種存留著自由液面的水稱(chēng)為自由水或稱(chēng)為散水。2

自由液面修正船舶液艙柜中的自由液面(free surface)對(duì)船舶穩(wěn)性的影響是航海生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的問(wèn)題。對(duì)這一問(wèn)題，人們從造船的角度進(jìn)行了深人理解研究，從航海生產(chǎn)的角度進(jìn)行了許多應(yīng)用研究。以下論述自由液面對(duì)船舶穩(wěn)性的影響原理，給出了各種艙形中自由液面對(duì)穩(wěn)性減小值的計(jì)算公式以及液艙中的縱向隔壁對(duì)自由液面影響值的計(jì)算公式；分析了自由液面對(duì)穩(wěn)性的影響與船舶傾角的關(guān)系、與艙內(nèi)液體數(shù)量的關(guān)系、與艙內(nèi)液體密度的關(guān)系、與艙內(nèi)連通閥作用的關(guān)系，并且一并給出有關(guān)的計(jì)算公式；

生產(chǎn)中，船員應(yīng)熟練掌握各種自由液面對(duì)船舶穩(wěn)性減小值的計(jì)算方法，深入了解在各種情況下削弱自由液面影響的方法。3

自由液面修正的理論公式實(shí)船中可能出現(xiàn)的液艙液面形狀，可概括成圖1所示各種，這里將(a)～(i)各種液面形狀對(duì)穩(wěn)性影響的公式一并給出，以供船員在生產(chǎn)中應(yīng)用。3

梯形公式位于船中左右的雙層底液艙、橫貫左右舷的雙層底液艙、首尾尖艙、深艙等的液面多呈圖1(a)～(d)形狀，這時(shí)各液面的面積慣矩 (m4)可以寫(xiě)成統(tǒng)一公式，

式中， 為梯形的長(zhǎng)度(m)，b1和b2分別為梯形的上底和下底寬度(m)。這一公式直接適用于(d)形液面的情形。

對(duì)于(a)形液面， =b1=b2=b，即

對(duì)于(b)形液面，b1=b2=b，即

對(duì)于(c)形液面，b1=0，b2=b，即3

橢圓形公式一些液化氣體船上，艙柜呈球形、圓柱形、橢圓柱形，其自由液面呈圓形和橢圓形，如圖1(e)～(g)。這類(lèi)液面的面積慣矩可以統(tǒng)一寫(xiě)成

這一公式直接適用于(g)形液面。

對(duì)于(e)形液面，a=b=r，即

對(duì)于(f)形液面，3

邊艙公式位于首尾的邊艙(雙層底、邊壓載艙、邊油水艙和邊貨油艙等)的液面多呈圖1(h)和(i)形，其自由液面慣矩可寫(xiě)成統(tǒng)一的公式，

該公式直接適用于(h)形液面。對(duì)于(i)形液面，b1=0，b2=b，即3

縱向隔壁的影響設(shè)在矩形液面中部設(shè)置一道縱同隔壁(longitudinal division)，如圖2(a)所示，則面積慣矩減小3/4，即

而在矩形液面中等間距設(shè)置二道縱向隔壁，如圖2(b)所示，則面積慣矩減小8/9，即

易見(jiàn)，設(shè)置縱向隔壁是減小自由液面的有效方法。3

自由液面對(duì)穩(wěn)性的影響值自由液面始終減小船舶的穩(wěn)性，其影響值δGM為

式中，ρ為艙內(nèi)液體的密度(t/m3)；△為船舶排水量(t)。

而且，從以上的分析中可以得出如下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）自由液面在縱向上、橫向上或垂向上平移，不改變其對(duì)穩(wěn)性的影響值；

（2）自由液面橫向上的尺度對(duì)穩(wěn)性的影響值遠(yuǎn)大于其縱向上的尺度對(duì)穩(wěn)性的影響值；

（3）自由液面橫傾軸由自由面積的形狀完全確定，該軸必過(guò)其面積形心，并與船舶首尾線平行。3

自由液面修正的經(jīng)驗(yàn)公式實(shí)船中可能出現(xiàn)的液艙液面形狀有時(shí)并不能在圖1中找到確切的對(duì)應(yīng)形狀。這時(shí)，若進(jìn)行理論計(jì)算，可能需要較大的工作量。這在船上常常不可行。為此，國(guó)際海事組織等國(guó)際機(jī)構(gòu)建議采用下式進(jìn)行估算。

式中，ρ為液體密度(t/cm3)；△為船舶排水量(t)；b為液艙寬度(m)；δ為液艙方形系數(shù)，即液艙總體積與其最大長(zhǎng)L、最大寬B、最大高度H的乘積的比值；k以B/H為引數(shù)在表1上查取。查表中，

若，則取；

若，則取。3