陳 玲 劉 威 張 鷺

(南通理工學(xué)院電氣與能源工程學(xué)院，江蘇 南通 226002)

0 引言

什么是自由液面呢？船上設(shè)有淡水艙、燃油艙、壓載水艙等艙柜，運(yùn)輸液體貨物即液貨艙，如果艙內(nèi)液體沒有裝滿，那么船舶在傾斜時(shí)，艙內(nèi)的液體也將流向一舷，且液面保持與水面平行，這種可以自由流動的液面稱為自由液面。同時(shí)當(dāng)液體流動后，液體體積的形狀發(fā)生變化，重心向傾斜一側(cè)移動，因而產(chǎn)生一個(gè)額外的傾斜力矩，其結(jié)果是降低船舶的穩(wěn)性[1]。所以需要采取措施降低自由液面的不利影響，具體措施就是在液貨艙內(nèi)部設(shè)置縱向艙壁，例如油輪、液貨船都會設(shè)置一道至兩道縱向艙壁，縱艙壁的設(shè)置有制蕩作用，可以減少自由液面的不利影響，而且縱向艙壁數(shù)量設(shè)置越多不利影響就越小。

在日常的教學(xué)中，主要以理論推導(dǎo)為主，根據(jù)數(shù)學(xué)模型建立方程，通過方程求出問題的解析解。因此采用理論分析講解船上自由液面的不利影響以及其具體的應(yīng)對措施，學(xué)生學(xué)起來費(fèi)力又不易理解。因此考慮采用實(shí)驗(yàn)教學(xué)，希望通過這種能夠測量自由液面效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)船舶來幫助學(xué)生加深對自由液面效應(yīng)不利性的認(rèn)識，同時(shí)理解設(shè)置縱向艙壁可以降低其不利影響這一舉措的合理性。通過實(shí)驗(yàn)裝置講解簡單直觀深入，然而現(xiàn)階段并沒有相關(guān)的專業(yè)教學(xué)設(shè)備。

1 實(shí)驗(yàn)裝置的總體設(shè)計(jì)

該實(shí)驗(yàn)裝置主要由水槽、船體模型、壓力傳感器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。該水槽的周圍和底部設(shè)置造浪、造風(fēng)等裝置，同時(shí)配合造波機(jī)可以制造不同方向、不同強(qiáng)度的波浪。船體模型貨艙區(qū)域的縱向艙壁可以實(shí)現(xiàn)自動伸出與收回，同時(shí)舷側(cè)外板都均勻分布安裝壓力傳感器，并且壓力傳感器實(shí)時(shí)與計(jì)算機(jī)連接，將數(shù)據(jù)傳遞到計(jì)算機(jī)上，船體模型見下圖1。

圖1 船體模型圖

利用該設(shè)備裝置操作時(shí)，將船體模型放置于水槽上，裝載液體后再模擬船的三種狀態(tài)：無縱向艙壁、一道縱向艙壁和兩道縱向艙壁，利用波浪水槽制造波浪施加相同方向和強(qiáng)度的傾斜力矩，通過壓力傳感器的數(shù)據(jù)獲取得到船體外板的受壓情況。觀察模擬船在這三種不同狀態(tài)下的外板受力的差異。通過壓力傳感器實(shí)時(shí)傳遞數(shù)據(jù)，即可看到自由液面的存在確實(shí)對船體外板產(chǎn)生了額外的傾斜力矩，同時(shí)縱向艙壁的設(shè)置會降低這種額外的傾斜力矩的數(shù)值，提高船舶的復(fù)原力矩[2-3]。

2 測量自由液面效應(yīng)的實(shí)施效果

通過上述實(shí)驗(yàn)方案發(fā)現(xiàn)，縱向艙壁的設(shè)置減小了因?yàn)樽杂梢好娈a(chǎn)生的橫傾力矩。自由液面產(chǎn)生的橫傾力矩?cái)?shù)值越大，船舶的復(fù)原力矩越小，復(fù)原力矩的大幅減少說明船舶能自行恢復(fù)到原來位置的能力就降低，即船舶穩(wěn)性會降低，因此對船舶的安全不利。實(shí)驗(yàn)實(shí)施后，會在計(jì)算機(jī)上看到這艘模擬船舶在不同狀態(tài)下的船體外板壓力分布圖，通過壓力分布圖差異性的講解幫助學(xué)生深入理解自由液面存在的不利影響以及其具體的對應(yīng)措施的合理性。

3 總結(jié)

自由液面對船舶穩(wěn)性不利影響的教學(xué)，傳統(tǒng)是采用理論教學(xué)，考慮通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)，結(jié)合與之相關(guān)的專業(yè)教學(xué)設(shè)備，更加簡單直觀深入，幫助學(xué)生透徹理解自由液面?zhèn)却嬖跁档痛暗姆€(wěn)性，同時(shí)掌握其具體的應(yīng)對措施設(shè)置縱向艙壁的合理性。