1、0大连海事大学毕业论文二一四年十月一日0浅析船舶下沉量对航行安全的影响及计算方法专业班级：航海技术 10-5 班姓 名： 李文栋 指导教师： 吕宝刚 航海学院0内容摘要摘要：随着时代的发展，全球贸易量的增加，海上交通也越来越忙碌。船舶在海上航行时，受到外界环境和船舶运动的影响，船舶吃水将增加。在浅水水域、狭窄航道和复杂航区航行时，特别是在狭窄水道航行时，这种情况将更加严重。船舶吃水受限使船舶操纵性能开始变差，严重时可能造成船舶触底或搁浅，这就要求每一位驾驶员在工作中都应了解船舶在浅水水域航行时的船体下沉量，要注意留有足够的富余水深并保持适当的吃水差。本文介绍了航行中船舶的船体下沉量和富余水深的
2、基础知识，谈及船体下沉量对船舶操纵性能和富余水深的重要影响，并讨论了七种关于船体下沉量计算的经验方法、简化公式和理论计算公式，并且通过实例计算较了这几种计算方法，分析了各自的特点和局限性。关键词：受限水域 船体下沉量 富余水深ABSTRACT:Keyword: Restricted water or confined water Squat UKC 1目录1 绪论 01 1.1 研究的背景和意义011.2 本文的主要工作012 船体下沉量和富余水深的基础知识012.1 船体下沉量 01 2.1.1 航行中的船体升沉 01 2.1.2 深水中的船体下沉 01 2.1.3 浅水中的船体下沉 022
3、.2 富余水深 023 受限水域航行的船舶船体下沉量的计算 02 3.1 经验方法 023.2 Barrass 公式 023.2.1 简化公式 023.2.2 狭窄航道中下沉量的计算公式 023.3 Hooft 计算公式 033.4 实例演算 043.5 各种计算方法的比较 044 富余水深（UKC ）的确定 055 结论与建议 060浅析船舶下沉量对航行安全的影响及计算方法1 绪论1.1 研究的背景和意义浅水水域航行作为限制水域航行的一种航行状态，有其独特的航行规律，诸如船速降低、应舵性下降、旋回性下降、船体下沉和纵倾变化的增大等。而在浅水水域航行时，因对船体下沉量考虑不足造成船舶拖底、触礁
4、、搁浅和失控等，也是较常见的一种海损事故。如 1992 年 8 月 7 日英国皇家邮船伊丽莎白二号，从 Oak Bluffs 到纽约的途中，在 Vineyard Sound 的出口处，由于船长和引航员对船舶高速航行时的下沉量和富余水深计算失误等原因，造成船舶在 Cuttyhunk 岛以南 2.5nmail 处搁浅，损失惨重。因此，如何正确认识和确定船舶在浅水域航行时的船体下沉量及富余水深,确保航行安全，是驾驶人员值得重视和认真商榷的。1.2 本文的主要工作船舶在海上航行时，受外界条件和船舶运动的影响，船舶吃水将增加。在受限水域，这种吃水的增加将影响船舶的操纵性能，严重时可能造成船舶触底或搁浅，
5、这就要求驾驶员对船体下沉量进行精确计算（尤其是大型高速船舶的船体下沉量），以便留有充分的富余水深。本文浅析了航行中船舶的船体下沉和受限水域船体下沉量的计算，希望文中所讨论的内容能给各位航海界同仁提供一些建议，为海上船舶交通安全尽一份微薄之力。2 船体下沉量及富余水深的基础知识2.1 船体下沉量2.1.1 航行中的船体升沉船舶在水中的运动过程中，由于运动速度不同使船体周围压力分布发生变化。船舶运动时，船体将水向船体周围排开，使船体首尾方向的流态发生变化，造成水压力分布的不均匀。这种不均匀表现在船首和船尾附近产生高压区，在船中附近产生一个低压区。由此造成船体周围水面的水位下降或上升，从而造成船体的
6、升沉。2.1.2 深水中的船体下沉已有诸多学者实验研究表明，影响航行中的船舶其所受水动力大小的重要参数之一是绝对水深与吃水的比值 H/D，即相对水深。 H 是指海底至水面的高度； D 是指船舶吃水。而怎样确定浅水水域，目前尚无统一的国际标准，但就从水深影响船体阻力的试验结果来看，通常用相对水深 H/D 的比值来区分浅水与深水，即 H/D4 则为深水水域。船舶在深水水域航行时，与之相对运动的水流是从船体的两舷和底部由船首流向船尾的三向度水流。由于绝大多数运输船舶的船型特点，此时的船舶表现为船首下沉，而船尾只在较高速度时才开始发生下沉，且该下沉量小于船首的下沉量，即平静中为平吃水状态的船舶将表现为
7、首倾。2.1.3 浅水中的船体下沉当船舶驶入浅水水域时，由于流入船底下面的水流受到限制而被推向船体的左右两侧，流速增加，使船体周围水压力的变化加剧，船中低压区扩展至船尾，船体下沉和首倾变化均教深水中更为显著。此时，船舶阻力增加，船速下降、船体下沉，船体下沉量与底水深度和航速紧密相关。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。2.2 富余水深浅水水域中行船，往往横移阻力过大，操纵困难；且浅水中航行船舶的船体下沉所导致的富余水深减小，不但更使得船舶的操纵性能降低，严重时可能造成擦底或搁浅，对船舶安全构成威胁，这是船舶港内航行所面临的危险之一。因此为保护船舶航行安全，并使
8、船体水下有足够的空间供船舶操纵，在考虑航行水域条件和气象条件基础上，船舶龙骨下水深应留有一定的安全余量，这个安全余量被称为富余水深。 13 受限水域航行的船舶船体下沉量的计算3.1 经验方法经验方法的出处有多种,，如出自于商船航运通告（M930） 的经验方法是：在浅水水域航行且船速较高的船舶，应避免因船体下沉而造成擦底或搁浅的危险，10kn 速度应有吃水的 10%的增加量。当速度降低时，下沉量也减少。又如出自于英版航海手册推荐的三个经验公式,分别为：下沉量=10% 吃水 (1)下沉量=每 5kn 前进速度下沉 0.3m (2)下沉量=V 2/100(m)，式中 V 为船速(kn) (3)3.2
9、 Barrass 公式3.2.1 简化公式Barrass 于 1979 年在实船实验和模型试验基础上，给出了适合于 h/d 在 1.082.78 之间，Cb 在 0.500.90 之间的船舶在浅水水域船首下沉量，按照下式计算：开敞浅水水域 S=CbV2/100 （4）受限浅水水域 S=CbV2/50 （5） 式中：V 为船速(kn) ；Cb 为船舶方型系数。3.2.2 狭窄航道中下沉量的计算公式230/2.32SVnCbS （6） 2式中： 2为速度回复系数n=A2/A1A2 为船舶水下横截面积A1 为航道剩余横截面积3.3 Hooft 计算公式在考虑到影响船体在浅水水域下沉的各种因素后，很多
10、专家提出根据参数估算下沉量的方法，其中具有代表性的是 Tuck 和 Taylor 的计算公式。 Tuck 理论是在细长体（瘦形船舶）假定的基础上,将速度势在船体附近及远场作渐进展开，根据两速度势的匹配求解，并最终得出浅水航行中船体重心的平均下沉量的计算公式。Hooft 则根据 Tuck 和 Taylor 的计算公式给出了适用于在开敞水域的浅水中船首下沉量的计算公式。现将 Hooft 公式介绍如下：（1） 船首的下沉量 S =S1+S2 （7）（2）求船体平均下沉量21146.nhPFLS（8） 3 式中：P为船舶垂线间长（m ） ；为船舶排水体积；nhF为水深傅汝德数；gVnhg 为重力加速度
11、 9.807 2/smV 为船速（m/s） ；h 为水深（m） ；由此可见,船体下沉量与水深、船舶尺度及船速是有关的 ,，特别是与船速是紧密相关的。 （3） 求纵倾变化引起的首倾量3)1sin(5.022 nhPFLS(9)3除此之外，第 23 届 ITTC 操纵委员会提出一些实际应用比较广泛的计算公式，如Huuska （1976 ）公式、 Romisch （1989）公式、Millward （1992）公式和Eryuzlu（1994）公式等等。3.4 实例演算根据以上所有公式，假定货船 A 轮满载出港，船长 Lpp=292.00m，船宽 B=45.00m，吃水 d=20.00m，方形系数 C
12、b=0.835，水深 H=12.00m，航道宽度 170m，当以不同的速度航行时船首下沉量计算如下：速度（kn） 0 3 7 8 10 12 14由式（1）求得 S 1.8 1.8 1.8 1.8 1.8 1.8 1.8由式（2）求得 S 0 0.18 0.42 0.48 0.60 0.72 0.84由式（3）求得 S 0 0.09 0.49 0.64 1.00 1.44 1.96由式（4）求得 S 0 0.08 0.40 0.53 0.83 1.20 1.63由式（5）求得 S 0 0.15 0.82 1.07 1.67 2.40 3.27由式（6）求得 S 0 0.13 0.73 0.97
13、 1.54 2.25 3.07由式（7）求得 S 0 0.06 0.31 0.41 0.66 0.98 1.403.5 各种计算方法的比较式(1)方法与商船航运通告(M930) 的经验方法相同，一般指船速为 10kn 的条件下的下沉量估算，但并不适用于所有船速。当船速较低时，通过该方法得出的下沉量偏大。式(2)方法说明下沉量与船速的增加呈线性关系，但下沉量并非与船速完全保持为呈线4性关系，因此，式(2)仅适用于某一速度段范围内。当船速超过 10kn 时，通过该方法得出的下沉量开始偏小。式(3)方法说明下沉量与船速的平方呈正比关系，但没有考虑到船型、水深等因素的影响，故通过这种方法得出的下沉量误
14、差也很大。式（4） 、式（5）和式（6）考虑了船速、方形系数及所处航道宽度和深度对下沉量的影响，相比较可以看出，船型越宽，吃水越大，航道越窄，船体下沉量就越大。当航道宽度与船长的比 W/L2 时，出现侧壁效应，这个值可作为窄水域对待。这里所述的水道宽度是指航道的底部宽度。在其它条件相同的情况下，在窄水域航行的船舶的下沉量近似为在开敞水域航行船舶下沉量的 2 倍。式（7）的计算精度最高，但也最复杂，并且仅适用于开敞的浅水水域。 上海港引航实用手册中根据 Hooft 计算理论，也推荐了将船舶下沉量 S 分解为两个分量即船体平均下沉量 S1 和纵倾变化引起的首倾量 S2 分别计算，其和即为船体下沉量
15、 Squat =S1+S2 。通过上述实例计算不难看出影响船体下沉量变化的两大因素是：船舶的方型系数和船速，而相比之下，船速引发的下沉量的变化要大于方型系数所引起的变化。就船舶而言，船速的快慢是直接因素，在一定的条件下（水域条件、装载状况和吃水、方型系数等均相差不大的情况下）只有船速是可改变的，船速快，下沉量就大；船速慢，下沉量相对就小。所以控制好船速是保证船舶顺利通过浅滩、浅水水域时安全航行的关键之一。4 富余水深（UKC）的确定富余水深 UKC(UnderKeelClearance)是船舶在通过浅滩或在浅水水域航行时船底以下必须保留的水深余量，是防止船舶拖底、触底、搁浅和失控的基本要素。当
16、船舶航行在浅水水域时，因其周围流场的变化，使船体下沉、纵倾变化和操纵性能变差。为了避免船舶拖底、触底、搁浅、和失控等险情的发生，船舶在进入浅水水域航行前，必须充分地考虑到船底与水底间的安全距离，即富余水深值。由于影响富余水深的因素较多，且具有不确定性，要求精确测算很难作到，如果富余水深保留过多，在经济上将会受到一定的损失。因此用确定船舶过浅点、航道时的富余水深值来保证船舶航行安全是行之有效的。富余水深在取值时还应考虑以下因素：（1）水位误差：由潮沙预报、航道测量、气候气压等引起的误差。潮汐测量误差、测深点位置的误差和海水密度变化的都会引起水深的变化和船舶吃水的变化。国际测深基准容许的误差为:水
17、深 020m 为 0.3m，水深 20l00m 为 1.0m，l00m 以上的水深为 10%。另外气压变化也会对水深产生影响，如气压上升,海平面受到的压力加大，水位就比正常情况下降。反之，气压下降，水位就升高。风力的大小、风向持续时间的长短也会影响潮高和潮时。（2）摇摆增量：船舶在风浪中左右摇摆，导致单侧瞬间吃水增大，特别是江河入海口处有涌浪涌进的港口，必须要考虑到船体纵横摇摆和升沉的合成运动所增加的下沉量。（3）船体下沉量：船舶在航进中产生的物理现象,浅水航道更为明显。因此要根据本5船的实际情况,求出在不同的水深、吃水、航道宽度、航速咸淡水密度的变化等条件下的下沉量。上述三项中以(3)船体下
18、沉量，不但数值大，变化大，且不易准确掌握。为了方便使用和掌握富余水深的取值，各有关当局都会依据本港的具体情况制定标准，有的为固定值，有的为吃水的比值，也有的以船舶吨位分级划分航区采用不同标准等。如欧洲引航协会建议采用以吃水的比值来确定富余水深值，即：水域 大型船 VLCC外海航道 吃水的 20% 吃水的 15%港外航道 吃水的 15% 吃水的 10%港内 吃水的 10% 吃水的 5%我国航海界的经验是在考虑了船体下沉量后，再留有 0.50m1.00m 的船底水深，即富余水深=船体下沉量+(0.50m1.00m) 。2005 年 6 月开始实行的长江口深水航道(10m)通航安全管理办法 （沪海通
19、航2005345 号）第七条富余水深要求：“船舶应保留足够的富余水深，船舶富余水深应当不小于船舶的吃水的 12%。 ”5 结论与建议本文本文浅析了航行中船舶的船体下沉及其计算方法。首先介绍了航行中船舶的船体下沉量和富余水深的基础知识，并讨论了几种关于船体下沉量计算的经验方法、简化公式和理论计算公式。然后列举实例，分别用各种方法求得下沉量 S，再进行了相互比较和分析。最后，谈及船体下沉量对富余水深的重要影响。此外，船舶是否具有适当的吃水差，不但对浅水水域航行的富余水深有重要影响，同时也对船舶操纵有积极作用。在浅水水域、狭窄航道和复杂航区航行时，特别是在狭窄水道航行的情况下，船舶是否具有好的航向稳定性和应舵性是首要的，旋回性则次之。船舶如保持有适当的尾倾，便可获得较好的航向稳定性和应舵性。如果船舶产生首倾，虽提高了旋回性，却降低了航向稳定性。文中所提及的经验公式，是有局限性的，其所导致的误差也可能是很大的。每一位航海者在工作中都应了解船舶在浅水水域航行时的船体下沉量，要注意留有足够的富余水深并保持适当的吃水差，在具体到计算时则应根据当时的具体条件选择适合的方法。【参考文献】1龚雪根主编船舶操纵人民交通出版社，20002王春久超大型船舶在浅水域中下沉量与富余水深的探讨20123洪碧光主编船舶操纵大连：大连海事大学出版社，20086
