船舶傾斜試驗中吃水讀數(shù)的影響因素

宋峰 林慰

摘要：船舶設(shè)計時穩(wěn)性計算所采用的船舶重心位置只是理論計算的結(jié)果。為了確保船舶使用時的穩(wěn)性，在船舶接近完工狀態(tài)時須進行傾斜試驗，以測得船舶的真正重心位置，用于進行各種工況的穩(wěn)性核算。傾斜試驗結(jié)果正確與否直接關(guān)系到船舶穩(wěn)性校核的正確與否,而傾斜試驗中船舶吃水讀數(shù)的準確性，直接影響試驗的準確性。而通過采用一定的技術(shù)方法降低甚至消除波浪對水尺讀數(shù)的影響是一種有效的方法。

關(guān)鍵詞：傾斜試驗；船舶吃水；讀數(shù)；因素

中圖分類號：U661.78文獻標識碼：A

The Influence Factors of Draft of Ship Inclining Test

SONG Feng1，LIN Wei2

（1.China Classification Society Guangzhou Branch，Guangzhou 510235；

2.South China University of Technology, Department of Naval Architecture and Ocean Engineering，Guangzhou 510640）

Abstract： In ship design's period, the preliminary position of the center of gravity is the only theoretical calculation results, in order to determine the stability of the ship when it sails, the clinging test should be carried out when ship's building is almost completed. The result is used for calculating various process conditions. The result of inclining test is very important to the calculation of stability. There are many factors influence the accuracy of the test. But the accuracy of the draft affects the result a lot. Using certain technical methods to reduce or eliminate the wave effect on the draft data is a kind of effective method.

keyword：Inclining test; Draft; Measure; Factor

1引言

船舶設(shè)計時穩(wěn)性計算所采用的船舶重心位置只是理論計算的結(jié)果，為了確保船舶使用時的穩(wěn)性，船舶接近完工狀態(tài)時須進行傾斜試驗，以測得船舶的真正重心位置，從而進行各種工況的穩(wěn)性核算。由于船舶存在著建造過程中尺寸、位置的改變、結(jié)構(gòu)和設(shè)備的增減等，都可能使實際穩(wěn)性與理論計算有較大差別，但通過傾斜試驗后所計算出來的穩(wěn)性即可知道實際穩(wěn)性如何，若穩(wěn)性不能滿足規(guī)范要求，則可以采取補救措施使穩(wěn)性達到要求。因此,傾斜試驗結(jié)果直接關(guān)系到船舶穩(wěn)性的校核。本文根據(jù)有關(guān)標準和實踐經(jīng)驗，提出了采取一定的技術(shù)方法，降低甚至消除風(fēng)浪對水尺讀數(shù)的影響，從而提高傾斜試驗時水尺讀數(shù)的精準性。

在傾斜試驗過程中，要求風(fēng)力不超過2級, 特殊情況不超過3級。但即便如此，水面上也會有幾十厘米波高的波浪，在這種條件下，如何準確地讀出船舶吃水是試驗前需要考慮的問題。

一般鋼質(zhì)船舶都會在首、中、尾共勘劃三對六組水尺。在船舶下水前，該水尺被永久勘劃在船舷兩側(cè)。水尺最小間距一般都是0.2 m，在船舶靜止狀態(tài)且無風(fēng)無浪的條件下，目測的精度也只能到0.2 m，即200 mm。如果將該讀數(shù)用作測量空船試驗的數(shù)據(jù)，試驗結(jié)果的誤差將較大，所以要想辦法準確讀數(shù)，一是提高讀數(shù)精度，二是如何降低風(fēng)浪對讀數(shù)的影響。

2影響水尺讀數(shù)精度的因素

大型船舶傾斜試驗過程中，試驗人員一般會駕駛小艇，在水尺附近以某個水尺刻度為基準，用卷尺近距離進行讀數(shù)，這樣可以提高讀數(shù)的精度。一般卷尺的精度可以達到1 mm。但如何準確讀取水尺的數(shù)值，相關(guān)的要求并不明確。

參考JT/T227－1996《駁船水尺計重技術(shù)規(guī)程》中的要求，常用測量工具有:鋼卷尺一把，鉛錘密度計一支，1 000 ml玻璃量筒一只，水銀溫度計一支。為了保證吃水測量準確性和降低波浪及其他隨機因素的影響，每一吃水值應(yīng)根據(jù)測量環(huán)境具體情況，測量數(shù)次后取其平均值。如果條件允許，建議用長玻璃管插人水中，以玻璃管中的水平面為基準測量吃水值。

這種方法，實際上也是用卷尺直接進行測量，理論精度能達到1 mm。但是通過長玻璃管的方法進行消波，多長才能達到效果，標準并沒有說明。

3 波浪的影響因素

實際上，讀吃水值面臨的最大問題是如何消除波浪對讀數(shù)的影響。通過反復(fù)讀取最高、最低吃水取其平均值的做法，在讀數(shù)足夠多的情況還是比較準確的。徹底解決辦法是平息波浪，營造靜止水面，從而得到唯一確定的吃水值。在室外，令水面波浪整個平息下來是無法實現(xiàn)的，但可以使用技術(shù)手段，在某個時間段內(nèi)令測量局部水域的波浪平息，以該相對靜止水面作為測量吃水的基準，從而取得和船舶在靜止水域測量的相當效果。

正如《駁船水尺計重技術(shù)規(guī)程》中提到的，用玻璃管進行消波是一種常用的方法，而另外一種微管連通器消波的方法，也經(jīng)常被用到。

3.1玻璃管水尺計消波的原理和方法

水尺計消波主要和水尺計的外型有關(guān)，而最重要的兩個參數(shù)就是管徑和管長。

一般情況，如果玻璃管水尺計的管徑與波浪的波長相同或者近似相同，水尺加上止回閥后，水尺讀數(shù)即為實際水平面水位。由于波浪的波長較長且非固定值，一般達到幾米或者更大，而試驗用的玻璃管管徑難以達到這樣的大小。

無限的增大玻璃管直徑顯然無法滿足實際使用的需要，那么再考慮增加管的長度進行消波。如果管徑與波浪波長不同，管外液面明顯高于管內(nèi)液面，這時向管內(nèi)進水，一旦有波浪傳入水尺管，必定影響精度。有人實驗過，當800 t級機動駁船急馳而過時，掀起的波浪浪高在10~20 cm，1.4 m長的透明塑料管中水面上下波動的波幅達20~30 mm[1]。

根據(jù)波浪的相關(guān)知識，將波浪分為淺水波、中度水深波和深水波：

（1）淺水波（，h為水深，L為波長）時如圖1所示，由于沿水深方向都有波浪的較大影響，只有在接近水底時波浪的影響才消失，所以此時通過加長管段來消波效果不大。

此時，理想的管長在h+d左右（d為出水高度），一般為了觀測方便，至少應(yīng)露出水面200 mm左右。

圖1 淺水中測量的消波原理示意圖

（2）中等水深 時，如圖2所示，由于沿水深方向波浪的影響逐漸變小，在接近水底一段距離時波浪的影響就已消失。

此時，理想的管長為左右（H為波高）。

圖2 中等水深中測量的消波原理示意圖

（3）深水情況時

如圖3所示，由于沿水深方向波浪的影響逐漸變小，在接近Z=L/2（Z為管長）時波浪的影響就已消失。

此時，理想的管長為約 。

圖3 深水中測量的消波原理示意圖

在傾斜試驗前，考慮到較好的狀態(tài)，即在港池內(nèi)，基本忽略外來的海浪波的干擾。在2級風(fēng)(風(fēng)速為1.6-3.3 m/s)情況下進行試驗. 參考龍造基地港池的參數(shù)（D為1 000 m，水深約10 m，風(fēng)速取2 m/s），根據(jù)《內(nèi)河航道與港口水文規(guī)范》中風(fēng)浪要素的計算公式。

（1）

（2）

（3）

式中： ——平均波高；

——平均周期；

——平均波長；

W——計算水域設(shè)計水位以上10 m處,10 min平均風(fēng)速(m/s)；

d ——計算水域平均水深(m)；

D ——風(fēng)區(qū)長度(m)；

g ——重力加速度(m)；

可以得到，港池內(nèi)因為風(fēng)浪引起的波浪的參數(shù)：

當風(fēng)速為2 m/s時，=0.05 m，=0.99 s，=1.58 m

當風(fēng)速為3 m/s時，=0.12 m，=1.60 s，=3.99 m

根據(jù)上述計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速對波浪要素的影響起著決定性作用，風(fēng)速越大，波高就越大，周期也越長，波長也隨之增大。

在試驗條件下，水深一般都會大于2倍的海浪波長，屬于深水波。因此僅考慮第三種情況。

當風(fēng)速為2m/s時，玻璃管的長度至少為Zmin=1.58/2+0.05/2+0=0.82 m；

當風(fēng)速為3m/s時，玻璃管的長度至少為Zmin=3.94/2+0.12/2+0=2.06 m。

顯然，風(fēng)速對水尺讀數(shù)的干擾非常之大。在實際操作過程中，只有當風(fēng)平浪靜的時候, 使用長度適中的玻璃管讀數(shù)能夠保證讀數(shù)的準確性。一般來說，2級風(fēng)況狀態(tài)下，2 m長的玻璃管基本能夠滿足要求。如果風(fēng)大一些，即達到3級的時候，此時由于風(fēng)引起的海浪波長過大，上述加長管段消波的能力將大大減弱，甚至無明顯效果。

3.2 微管連通器消波的方法

另外一種消波的方式即微管消波，其主要原理就是普通的連通器原理。將一玻璃管固定在船體舷側(cè)水線處，玻璃管的上口與大氣相通，而下口僅留細微通道，插入水中，供水進出。原先空的玻璃管中將會有水緩慢上升，待上升到一定高度，即自行停止。此時盡管管外的水面存在波浪，但管中水面卻處于相對靜止狀態(tài)。只在偶遇一陣相當持久的高波時，即當玻璃管所在處的波峰明顯偏高一段時間時，管中水面才會跟著緩慢上升，直到高波消失后，管內(nèi)水面又仍逐漸下降至原來靜止位置。徜若向玻璃管里注水，則玻璃管里水面會逐漸上升，停止注水，則玻璃管里水面又逐漸回落到原來的靜止位置。當上方玻璃管管徑和微管管徑相比盡可能大的時候，這種波浪對管中水面的影響會隨之減小，直至忽略不計[2]。

經(jīng)過試驗，這種微管消波的辦法確實不錯。因其制造簡單，攜帶方便，精度也能夠保證, 因此一些船廠都在使用這種原理的水尺測量儀。

4 小結(jié)

在傾斜試驗中，水尺讀數(shù)是一個非常重要的數(shù)據(jù)。提高水尺讀數(shù)精度和避免外界因素干擾，對試驗數(shù)據(jù)有著非常重要的影響。通過水尺計測量管或者微管連通器的方法來消波讀數(shù)，不但減少工作量，降低工作強度，更重要的是提高測量的精度和準確性。

參考文獻

[1].郭順福.特殊連通器實驗[J].物理實驗,2005(5):33-38.

[2].郭順福.一項駁船水尺計重技術(shù)原理[J]. 造船技術(shù), 2003(6):23-25.

作者簡介：宋峰（1983-），男，碩士，工程師。研究方向：船舶設(shè)計和建造工藝。

林慰（1980-），男，碩士，講師。研究方向：船舶結(jié)構(gòu)。

收稿日期：2014-01-14