畢業(yè)論文淺析船舶下沉量對(duì)航行安全的影響及計(jì)算方法

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　1 緒論…………………………………………………………………………………………… 01 </p><p>　　1.1 研究的背景和意義…………………………………………………………………………01</p><p>　　1.2 本文的主要工作…………………………………

2、…………………………………………01</p><p>　　2 船體下沉量和富余水深的基礎(chǔ)知識(shí)…………………………………………………………01</p><p>　　2.1 船體下沉量………………………………………………………………………………… 01 </p><p>　　2.1.1 航行中的船體升沉…………………………………………………………………… 01 <

3、;/p><p>　　2.1.2 深水中的船體下沉…………………………………………………………………… 01 </p><p>　　2.1.3 淺水中的船體下沉…………………………………………………………………… 02</p><p>　　2.2 富余水深…………………………………………………………………………………… 02</p><p>　　3

4、 受限水域航行的船舶船體下沉量的計(jì)算…………………………………………………… 02 </p><p>　　3.1 經(jīng)驗(yàn)方法…………………………………………………………………………………… 02</p><p>　　3.2 Barrass公式……………………………………………………………………………… 02</p><p>　　3.2.1 簡(jiǎn)化公式………………

5、……………………………………………………………… 02</p><p>　　3.2.2 狹窄航道中下沉量的計(jì)算公式……………………………………………………… 02</p><p>　　3.3 Hooft計(jì)算公式……………………………………………………………………………… 03</p><p>　　3.4 實(shí)例演算………………………………………………………………………

6、…………… 04</p><p>　　3.5 各種計(jì)算方法的比較……………………………………………………………………… 04</p><p>　　4 富余水深（UKC）的確定…………………………………………………………………… 05</p><p>　　5 結(jié)論與建議…………………………………………………………………………………… 06</p><

7、;p>　　淺析船舶下沉量對(duì)航行安全</p><p><b>　　的影響及計(jì)算方法</b></p><p><b>　　內(nèi)容摘要</b></p><p>　　摘要：隨著時(shí)代的發(fā)展，全球貿(mào)易量的增加，海上交通也越來(lái)越忙碌。船舶在海上航行時(shí)，受到外界環(huán)境和船舶運(yùn)動(dòng)的影響，船舶吃水將增加。在淺水水域、狹窄航道和復(fù)雜航區(qū)航行時(shí)

8、，特別是在狹窄水道航行時(shí)，這種情況將更加嚴(yán)重。船舶吃水受限使船舶操縱性能開(kāi)始變差，嚴(yán)重時(shí)可能造成船舶觸底或擱淺，這就要求每一位駕駛員在工作中都應(yīng)了解船舶在淺水水域航行時(shí)的船體下沉量，要注意留有足夠的富余水深并保持適當(dāng)?shù)某运?。本文介紹了航行中船舶的船體下沉量和富余水深的基礎(chǔ)知識(shí)，談及船體下沉量對(duì)船舶操縱性能和富余水深的重要影響，并討論了七種關(guān)于船體下沉量計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)方法、簡(jiǎn)化公式和理論計(jì)算公式，并且通過(guò)實(shí)例計(jì)算較了這幾種計(jì)算方法，分析了各

9、自的特點(diǎn)和局限性。</p><p>　　關(guān)鍵詞：受限水域　船體下沉量　富余水深</p><p>　　淺析船舶下沉量對(duì)航行安全</p><p><b>　　的影響及計(jì)算方法</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 研究的背景和意義<

10、;/p><p>　　淺水水域航行作為限制水域航行的一種航行狀態(tài)，有其獨(dú)特的航行規(guī)律，諸如船速降低、應(yīng)舵性下降、旋回性下降、船體下沉和縱傾變化的增大等。而在淺水水域航行時(shí)，因?qū)Υw下沉量考慮不足造成船舶拖底、觸礁、擱淺和失控等，也是較常見(jiàn)的一種海損事故。如1992年8月7日英國(guó)皇家郵船伊麗莎白二號(hào)，從Oak Bluffs到紐約的途中，在Vineyard Sound的出口處，由于船長(zhǎng)和引航員對(duì)船舶高速航行時(shí)的下沉量和富余

11、水深計(jì)算失誤等原因，造成船舶在Cuttyhunk島以南2.5nmail處擱淺，損失慘重。</p><p>　　因此，如何正確認(rèn)識(shí)和確定船舶在淺水域航行時(shí)的船體下沉量及富余水深,確保航行安全，是駕駛?cè)藛T值得重視和認(rèn)真商榷的。</p><p>　　1.2 本文的主要工作</p><p>　　船舶在海上航行時(shí)，受外界條件和船舶運(yùn)動(dòng)的影響，船舶吃水將增加。在受限水域，這種吃

12、水的增加將影響船舶的操縱性能，嚴(yán)重時(shí)可能造成船舶觸底或擱淺，這就要求駕駛員對(duì)船體下沉量進(jìn)行精確計(jì)算（尤其是大型高速船舶的船體下沉量），以便留有充分的富余水深。本文淺析了航行中船舶的船體下沉和受限水域船體下沉量的計(jì)算，希望文中所討論的內(nèi)容能給各位航海界同仁提供一些建議，為海上船舶交通安全盡一份微薄之力。</p><p>　　2 船體下沉量及富余水深的基礎(chǔ)知識(shí)</p><p><b>

13、;　　2.1 船體下沉量</b></p><p>　　2.1.1 航行中的船體升沉</p><p>　　船舶在水中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于運(yùn)動(dòng)速度不同使船體周圍壓力分布發(fā)生變化。船舶運(yùn)動(dòng)時(shí)，船體將水向船體周圍排開(kāi)，使船體首尾方向的流態(tài)發(fā)生變化，造成水壓力分布的不均勻。這種不均勻表現(xiàn)在船首和船尾附近產(chǎn)生高壓區(qū)，在船中附近產(chǎn)生一個(gè)低壓區(qū)。由此造成船體周圍水面的水位下降或上升，從而造成船體

14、的升沉。</p><p>　　2.1.2 深水中的船體下沉</p><p>　　已有諸多學(xué)者實(shí)驗(yàn)研究表明，影響航行中的船舶其所受水動(dòng)力大小的重要參數(shù)之一是絕對(duì)水深與吃水的比值H/D，即相對(duì)水深。H是指海底至水面的高度；D是指船舶吃水。而怎樣確定淺水水域，目前尚無(wú)統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，但就從水深影響船體阻力的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，通常用相對(duì)水深H/D的比值來(lái)區(qū)分淺水與深水，即H/D<4時(shí)，可近似的認(rèn)

15、為是淺水水域；反之，當(dāng)H/D>4則為深水水域。</p><p>　　船舶在深水水域航行時(shí)，與之相對(duì)運(yùn)動(dòng)的水流是從船體的兩舷和底部由船首流向船尾的三向度水流。由于絕大多數(shù)運(yùn)輸船舶的船型特點(diǎn)，此時(shí)的船舶表現(xiàn)為船首下沉，而船尾只在較高速度時(shí)才開(kāi)始發(fā)生下沉，且該下沉量小于船首的下沉量，即平靜中為平吃水狀態(tài)的船舶將表現(xiàn)為首傾。</p><p>　　2.1.3 淺水中的船體下沉</p>

16、;<p>　　當(dāng)船舶駛?cè)霚\水水域時(shí)，由于流入船底下面的水流受到限制而被推向船體的左右兩側(cè)，流速增加，使船體周圍水壓力的變化加劇，船中低壓區(qū)擴(kuò)展至船尾，船體下沉和首傾變化均教深水中更為顯著。此時(shí)，船舶阻力增加，船速下降、船體下沉，船體下沉量與底水深度和航速緊密相關(guān)。底水深度越小，下沉量越大；船速越快，下沉量越大；首下沉量大于尾下沉量。</p><p><b>　　2.2 富余水深</b

17、></p><p>　　淺水水域中行船，往往橫移阻力過(guò)大，操縱困難；且淺水中航行船舶的船體下沉所導(dǎo)致的富余水深減小，不但更使得船舶的操縱性能降低，嚴(yán)重時(shí)可能造成擦底或擱淺，對(duì)船舶安全構(gòu)成威脅，這是船舶港內(nèi)航行所面臨的危險(xiǎn)之一。因此為保護(hù)船舶航行安全，并使船體水下有足夠的空間供船舶操縱，在考慮航行水域條件和氣象條件基礎(chǔ)上，船舶龍骨下水深應(yīng)留有一定的安全余量，這個(gè)安全余量被稱為富余水深。［1］</p>

18、;<p>　　3 受限水域航行的船舶船體下沉量的計(jì)算</p><p><b>　　3.1 經(jīng)驗(yàn)方法</b></p><p>　　經(jīng)驗(yàn)方法的出處有多種,，如出自于《商船航運(yùn)通告（M930）》的經(jīng)驗(yàn)方法是：在淺水水域航行且船速較高的船舶，應(yīng)避免因船體下沉而造成擦底或擱淺的危險(xiǎn)，10kn速度應(yīng)有吃水的10%的增加量。當(dāng)速度降低時(shí)，下沉量也減少。</p&g

19、t;<p>　　又如出自于《英版航海手冊(cè)》推薦的三個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式,分別為：</p><p>　　下沉量=10%吃水 (1)</p><p>　　下沉量=每5kn前進(jìn)速度下沉0.3m (2)</p><p>　　下沉量=V2/100(m)，式中V為船速(kn) (3)</p><p>　　3.2 Barrass公式</p

20、><p>　　3.2.1 簡(jiǎn)化公式</p><p>　　Barrass 于1979年在實(shí)船實(shí)驗(yàn)和模型試驗(yàn)基礎(chǔ)上，給出了適合于h/d在1.08~2.78之間，Cb在0.50~0.90之間的船舶在淺水水域船首下沉量，按照下式計(jì)算：</p><p>　　開(kāi)敞淺水水域 S=Cb×V2/100 （4）</p><p>　　受限淺水水域 S=Cb

21、×V2/50 （5） </p><p>　　式中：V為船速(kn)；Cb為船舶方型系數(shù)。</p><p>　　3.2.2 狹窄航道中下沉量的計(jì)算公式</p><p><b>　?。?）［2］</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p&

22、gt;<b>　　為速度回復(fù)系數(shù)</b></p><p><b>　　=A2/A1</b></p><p>　　A2為船舶水下橫截面積</p><p>　　A1為航道剩余橫截面積</p><p>　　3.3 Hooft計(jì)算公式</p><p>　　在考慮到影響船體在淺水水域下

23、沉的各種因素后，很多專家提出根據(jù)參數(shù)估算下沉量的方法，其中具有代表性的是Tuck和Taylor的計(jì)算公式。Tuck理論是在細(xì)長(zhǎng)體（瘦形船舶）假定的基礎(chǔ)上,將速度勢(shì)在船體附近及遠(yuǎn)場(chǎng)作漸進(jìn)展開(kāi)，根據(jù)兩速度勢(shì)的匹配求解，并最終得出淺水航行中船體重心的平均下沉量的計(jì)算公式。Hooft則根據(jù)Tuck和Taylor的計(jì)算公式給出了適用于在開(kāi)敞水域的淺水中船首下沉量的計(jì)算公式。</p><p>　　現(xiàn)將Hooft公式介紹如下：

24、</p><p>　?。?） 船首的下沉量S =S1+S2 （7）</p><p>　　（2）求船體平均下沉量</p><p>　?。?）［3］ </p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　為船舶垂線間長(zhǎng)（m）；</p><p>

25、<b>　　為船舶排水體積；</b></p><p><b>　　為水深傅汝德數(shù)；</b></p><p>　　g為重力加速度9.807</p><p>　　V為船速（m/s）；</p><p><b>　　h為水深（m）；</b></p><p>　　

26、由此可見(jiàn),船體下沉量與水深、船舶尺度及船速是有關(guān)的,，特別是與船速是緊密相關(guān)的。 </p><p>　　（3） 求縱傾變化引起的首傾量</p><p><b>　　(9)［3］</b></p><p>　　除此之外，第23屆ITTC操縱委員會(huì)提出一些實(shí)際應(yīng)用比較廣泛的計(jì)算公式，如Huuska （1976）公式、Romisch （1989）公式、

27、Millward（1992）公式和Eryuzlu（1994）公式等等。</p><p><b>　　3.4 實(shí)例演算</b></p><p>　　根據(jù)以上所有公式，假定貨船A輪滿載出港，船長(zhǎng)Lpp=292.00m，船寬B=45.00m，吃水d=20.00m，方形系數(shù)Cb=0.835，水深H=12.00m，航道寬度170m，當(dāng)以不同的速度航行時(shí)船首下沉量計(jì)算如下：<

28、;/p><p>　　3.5 各種計(jì)算方法的比較</p><p>　　式(1)方法與商船航運(yùn)通告(M930)的經(jīng)驗(yàn)方法相同，一般指船速為10kn的條件下的下沉量估算，但并不適用于所有船速。當(dāng)船速較低時(shí)，通過(guò)該方法得出的下沉量偏大。</p><p>　　式(2)方法說(shuō)明下沉量與船速的增加呈線性關(guān)系，但下沉量并非與船速完全保持為呈線性關(guān)系，因此，式(2)僅適用于某一速度段范圍

29、內(nèi)。當(dāng)船速超過(guò)10kn時(shí)，通過(guò)該方法得出的下沉量開(kāi)始偏小。</p><p>　　式(3)方法說(shuō)明下沉量與船速的平方呈正比關(guān)系，但沒(méi)有考慮到船型、水深等因素的影響，故通過(guò)這種方法得出的下沉量誤差也很大。</p><p>　　式（4）、式（5）和式（6）考慮了船速、方形系數(shù)及所處航道寬度和深度對(duì)下沉量的影響，相比較可以看出，船型越寬，吃水越大，航道越窄，船體下沉量就越大。當(dāng)航道寬度與船長(zhǎng)的比W

30、/L≦2時(shí)，出現(xiàn)側(cè)壁效應(yīng)，這個(gè)值可作為窄水域?qū)Υ?。這里所述的水道寬度是指航道的底部寬度。在其它條件相同的情況下，在窄水域航行的船舶的下沉量近似為在開(kāi)敞水域航行船舶下沉量的2倍。</p><p>　　式（7）的計(jì)算精度最高，但也最復(fù)雜，并且僅適用于開(kāi)敞的淺水水域。《上海港引航實(shí)用手冊(cè)》中根據(jù)Hooft計(jì)算理論，也推薦了將船舶下沉量S分解為兩個(gè)分量即船體平均下沉量S1和縱傾變化引起的首傾量S2分別計(jì)算，其和即為船體下

31、沉量 Squat =S1+S2 。</p><p>　　通過(guò)上述實(shí)例計(jì)算不難看出影響船體下沉量變化的兩大因素是：船舶的方型系數(shù)和船速，而相比之下，船速引發(fā)的下沉量的變化要大于方型系數(shù)所引起的變化。就船舶而言，船速的快慢是直接因素，在一定的條件下（水域條件、裝載狀況和吃水、方型系數(shù)等均相差不大的情況下）只有船速是可改變的，船速快，下沉量就大；船速慢，下沉量相對(duì)就小。所以控制好船速是保證船舶順利通過(guò)淺灘、淺水水域時(shí)安

32、全航行的關(guān)鍵之一。</p><p>　　4 富余水深（UKC）的確定</p><p>　　富余水深UKC(UnderKeelClearance)是船舶在通過(guò)淺灘或在淺水水域航行時(shí)船底以下必須保留的水深余量，是防止船舶拖底、觸底、擱淺和失控的基本要素。當(dāng)船舶航行在淺水水域時(shí)，因其周圍流場(chǎng)的變化，使船體下沉、縱傾變化和操縱性能變差。為了避免船舶拖底、觸底、擱淺、和失控等險(xiǎn)情的發(fā)生，船舶在進(jìn)入淺

33、水水域航行前，必須充分地考慮到船底與水底間的安全距離，即富余水深值。由于影響富余水深的因素較多，且具有不確定性，要求精確測(cè)算很難作到，如果富余水深保留過(guò)多，在經(jīng)濟(jì)上將會(huì)受到一定的損失。因此用確定船舶過(guò)淺點(diǎn)、航道時(shí)的富余水深值來(lái)保證船舶航行安全是行之有效的。</p><p>　　富余水深在取值時(shí)還應(yīng)考慮以下因素：</p><p>　?。?）水位誤差：由潮沙預(yù)報(bào)、航道測(cè)量、氣候氣壓等引起的誤差

34、。潮汐測(cè)量誤差、測(cè)深點(diǎn)位置的誤差和海水密度變化的都會(huì)引起水深的變化和船舶吃水的變化。國(guó)際測(cè)深基準(zhǔn)容許的誤差為:水深0~20m為0.3m，水深20~l00m為1.0m，l00m以上的水深為10%。</p><p>　　另外氣壓變化也會(huì)對(duì)水深產(chǎn)生影響，如氣壓上升,海平面受到的壓力加大，水位就比正常情況下降。反之，氣壓下降，水位就升高。</p><p>　　風(fēng)力的大小、風(fēng)向持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短也會(huì)影響

35、潮高和潮時(shí)。</p><p>　?。?）搖擺增量：船舶在風(fēng)浪中左右搖擺，導(dǎo)致單側(cè)瞬間吃水增大，特別是江河入?？谔幱杏坷擞窟M(jìn)的港口，必須要考慮到船體縱橫搖擺和升沉的合成運(yùn)動(dòng)所增加的下沉量。</p><p>　　（3）船體下沉量：船舶在航進(jìn)中產(chǎn)生的物理現(xiàn)象,淺水航道更為明顯。因此要根據(jù)本船的實(shí)際情況,求出在不同的水深、吃水、航道寬度、航速咸淡水密度的變化等條件下的下沉量。</p>

36、<p>　　上述三項(xiàng)中以(3)船體下沉量，不但數(shù)值大，變化大，且不易準(zhǔn)確掌握。</p><p>　　為了方便使用和掌握富余水深的取值，各有關(guān)當(dāng)局都會(huì)依據(jù)本港的具體情況制定標(biāo)準(zhǔn)，有的為固定值，有的為吃水的比值，也有的以船舶噸位分級(jí)劃分航區(qū)采用不同標(biāo)準(zhǔn)等。</p><p>　　如歐洲引航協(xié)會(huì)建議采用以吃水的比值來(lái)確定富余水深值，即：</p><p>　　我國(guó)

37、航海界的經(jīng)驗(yàn)是在考慮了船體下沉量后，再留有0.50m~1.00m的船底水深，即富余水深=船體下沉量+(0.50m~1.00m)。</p><p>　　2005年6月開(kāi)始實(shí)行的《長(zhǎng)江口深水航道(10m)通航安全管理辦法》（滬海通航[2005]345號(hào)）第七條富余水深要求：“船舶應(yīng)保留足夠的富余水深，船舶富余水深應(yīng)當(dāng)不小于船舶的吃水的12%?！?lt;/p><p><b>　　5 結(jié)論與

38、建議</b></p><p>　　本文本文淺析了航行中船舶的船體下沉及其計(jì)算方法。首先介紹了航行中船舶的船體下沉量和富余水深的基礎(chǔ)知識(shí)，并討論了幾種關(guān)于船體下沉量計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)方法、簡(jiǎn)化公式和理論計(jì)算公式。然后列舉實(shí)例，分別用各種方法求得下沉量S，再進(jìn)行了相互比較和分析。最后，談及船體下沉量對(duì)富余水深的重要影響。此外，船舶是否具有適當(dāng)?shù)某运?，不但?duì)淺水水域航行的富余水深有重要影響，同時(shí)也對(duì)船舶操縱有積極

39、作用。在淺水水域、狹窄航道和復(fù)雜航區(qū)航行時(shí)，特別是在狹窄水道航行的情況下，船舶是否具有好的航向穩(wěn)定性和應(yīng)舵性是首要的，旋回性則次之。船舶如保持有適當(dāng)?shù)奈矁A，便可獲得較好的航向穩(wěn)定性和應(yīng)舵性。如果船舶產(chǎn)生首傾，雖提高了旋回性，卻降低了航向穩(wěn)定性。</p><p>　　文中所提及的經(jīng)驗(yàn)公式，是有局限性的，其所導(dǎo)致的誤差也可能是很大的。每一位航海者在工作中都應(yīng)了解船舶在淺水水域航行時(shí)的船體下沉量，要注意留有足夠的富余水

40、深并保持適當(dāng)?shù)某运睿诰唧w到計(jì)算時(shí)則應(yīng)根據(jù)當(dāng)時(shí)的具體條件選擇適合的方法。</p><p><b>　　【參考文獻(xiàn)】</b></p><p>　?。?］龔雪根主編．船舶操縱．人民交通出版社，2000．</p><p>　?。?］王春久．超大型船舶在淺水域中下沉量與富余水深的探討．2012．</p><p>　?。?］洪碧