海浪飛沫積冰生成及其對船舶的影響

鄒忠勝

(?？诮?jīng)濟(jì)學(xué)院,海南?？?570203)

冬天的強(qiáng)冷空氣給中國沿海海域帶來劇烈降溫和狂風(fēng)惡浪,對航行的船舶會造成嚴(yán)重影響:操縱變得困難、船速顯著下降、上浪沖擊毀壞船舶設(shè)備等。同時(shí),海浪砰擊船舶,會在船殼附近破碎并產(chǎn)生大量海浪飛沫,部分水沫由于直徑較大重新回到海里,而直徑較小的飛沫,在船舶運(yùn)動和風(fēng)的影響下,落在船舶上層建筑上,在低溫和強(qiáng)風(fēng)的作用下容易形成積冰。在強(qiáng)冷空氣的影響下,中小型船舶一般會選擇拋錨避風(fēng);南下航行,船舶處于順風(fēng)順浪狀態(tài)上浪較少;北上航行,船舶大都是空載,干舷比較高,不易上浪。由于上述原因,駕駛?cè)藛T和公司管理人員容易忽視飛沫積冰對船舶的危害。但是如果中小型船舶在黃海北部、渤海遭遇強(qiáng)冷空氣,航行時(shí)間較長且干舷較低,飛沫積冰對船舶的穩(wěn)性和浮性等會造成嚴(yán)重危害,甚至導(dǎo)致船舶發(fā)生傾覆、沉沒。

1 海浪飛沫積冰的條件

船舶上層建筑積冰主要由低溫海浪飛沫、霧與凍雨、下雪等三種因素引起的,其中海浪飛沫造成積冰的概率最大,為96.2﹪[1]。適宜于船舶上層建筑積冰的外界因素有[2]:

(1)氣溫:-26℃～ 0℃。

(2)風(fēng)速:海浪飛沫積冰一般在風(fēng)速較高時(shí)發(fā)生,利于海浪飛沫熱量的散失。

(3)表面海水溫度:海浪飛沫積冰通常發(fā)生在表面海水溫度-1.8～+6.0℃時(shí)。當(dāng)溫度低于-1.8℃時(shí),海水已經(jīng)開始結(jié)冰,飛沫不易產(chǎn)生;當(dāng)溫度高于6.0℃時(shí),飛沫不能在下一次飛沫到來之前結(jié)冰,不能形成積冰。

在強(qiáng)冷空氣的作用下,渤海的風(fēng)速可達(dá)25m/s,氣溫在-10℃或以下,表面海水溫度在0℃左右,在上述自然條件下,海上航行的船舶有嚴(yán)重積冰的危險(xiǎn)。

2 海浪飛沫量的計(jì)算

海浪砰擊船舶產(chǎn)生的波浪飛沫,在風(fēng)和船舶運(yùn)動的作用下,將落在船舶上層建筑上。在較低氣溫和較大風(fēng)速的作用下,低溫的海浪飛沫容易在較短的時(shí)間內(nèi)散失大量熱量而結(jié)冰。隨著船舶——海浪之間的砰擊運(yùn)動的不斷進(jìn)行,積冰得到積累。當(dāng)船舶上層建筑的積冰量達(dá)到一定的程度,積冰的表面會迅速地增大,同時(shí)積冰的表面溫度降低,加速積冰的積累,從而形成——種惡性循環(huán)。這會使船舶的穩(wěn)性降低,甚至?xí)?dǎo)致船舶的傾覆、沉沒。根據(jù)Zarling的觀察與分析,假設(shè)海浪飛沫的直徑為1.75mm,相對海面是靜止的。在上述假設(shè)的基礎(chǔ)上,通過經(jīng)驗(yàn)公式得到飛沫的垂直質(zhì)量分布,在風(fēng)和船舶運(yùn)動的影響下計(jì)算飛沫運(yùn)動軌跡和冷卻過程,進(jìn)而確定積冰質(zhì)量分布,分析飛沫積冰對船舶的影響。海浪飛沫生成時(shí)的垂直質(zhì)量分布[3]:

式中:ω—海浪飛沫垂直質(zhì)量密度分布(kg/m3),Ur—船舶的相對風(fēng)速(m/s),Ps—上浪持續(xù)時(shí)間(s),N—每分鐘上浪次數(shù)。

2.1 海浪飛沫質(zhì)量密度分布

飛沫垂直質(zhì)量密度分布W是表示距船舶艏部甲板平面不同高度z的飛沫垂直質(zhì)量密度分布,與波浪高度、船舶——波浪相對速度、船體某處距艏部甲板平面高度有關(guān),其取值為[3]:

式中:Hs—有義波高H1/3(m);Z—飛沫距離船艏甲板平面的高度(m);VSW—波浪與船舶的相對速度(m/s),其取值如下式(3),其中α是船首向與波浪向的夾角(迎浪是180°,順浪是0°)。

式中:Ts—有義波浪周期(s),VS——船速(kn)。

產(chǎn)生飛沫的閥值x,如果x＜0,則不會產(chǎn)生飛沫上浪。X的取值為[4]:

飛沫所到達(dá)的最大高度:

2.2 船舶的相對風(fēng)速

船舶的相對風(fēng)速Us(m/s)與真風(fēng)速度、船速、風(fēng)向航向之間的夾角有關(guān),其表達(dá)式為式(6),

式中:Vs—船速(m/s),U—風(fēng)速(m/s)。

α—船首向與風(fēng)向的夾角(°)。

2.3 海浪飛沫持續(xù)時(shí)間

海浪飛沫持續(xù)時(shí)間表示每次海浪飛沫作用在某處的持續(xù)時(shí)間,與船舶—波浪相對速度、波浪高度、風(fēng)速有關(guān),其取值為[3]:

式中:VSW、Hs分別見式(3)、(11),U—表示10米高空處風(fēng)速(m/s)。

2.4 海浪飛沫上浪頻率

并不是每次船舶——波浪之間的遭遇都會產(chǎn)生飛沫,因此須觀察每分鐘的平均飛沫上浪的次數(shù)[3]:

式中:Pw—船舶波浪之間的遭遇周期,其取值如下式,式中 :Ts、VSW如式(10)、(3)。

2.5 有義波高與有義波周期

在算式(2)、(3)、(4)、(5)、(7)、(9)中,相關(guān)計(jì)算與船舶所在海域的有義波周期 Ts、有義波高Hs有關(guān),而在風(fēng)速較大時(shí),渤海、黃海北部海域的風(fēng)浪由于風(fēng)區(qū)和水深的限制得不到充分發(fā)展。因此,在計(jì)算有義波周期Ts、有義波高 Hs時(shí),采用海港水文規(guī)范公式[5]:

式中:F—船舶所在海區(qū)的風(fēng)區(qū)長度(m),U—10 m高空處的風(fēng)速(m/s),d—平均水深(m),g—重力加速度。

3 海浪飛沫的運(yùn)動軌跡

假設(shè)波浪飛沫生成后相對于海平面是靜止的,飛沫液滴呈球形而且沒有破碎,只受重力加速度和風(fēng)的影響,那么可以算出每一高度處液滴下落到船舶甲板的時(shí)間,結(jié)合船舶運(yùn)動速度和飛沫在風(fēng)作用下的水平加速度α,最后得出落在船舶甲板的位置。確定每一次海浪飛沫在船舶甲板的質(zhì)量分布。在風(fēng)的作用下,水平加速度為α[4]:

不計(jì)水滴水平速度的變化對水平加速度的影響,則可簡化寫成:

式中:Vd—飛沫的速度(m/s),U—風(fēng)速(m/s),v—空氣的運(yùn)動粘度(1.3×10-5),ρa(bǔ)—空氣密度(kg/m3),ρw—飛沫密度(kg/m3),D—飛沫直徑(m),d—飛沫半徑(m)。

4 海浪飛沫的冷卻

假設(shè)飛沫液滴生成時(shí)的溫度與海水表面溫度一致,并且氣溫比水溫低,那么液滴在空氣中運(yùn)動時(shí)開始失熱冷卻。在兩次飛沫上浪的時(shí)間間隔內(nèi),液滴通過感熱、蒸發(fā)潛熱、輻射熱通量與周圍的空氣進(jìn)行熱交換。忽略在兩次飛沫上浪時(shí)間間隔內(nèi)未能結(jié)冰的飛沫液滴,可以得到每次波浪飛沫上浪的結(jié)冰量及其分布。飛沫液滴的溫度變化率為[2]:

式中:Td—液滴的溫度,d—液滴的半徑(m),ρd—液滴的密度(Kg/m3),Cb—海水比熱容量3900J/KG-1K-1,QC—感熱通量(J?m-2s-1),QE—蒸發(fā)潛熱通量(J?m-2s-1),QR—輻射熱通量(J?m-2s-1)。

4.1 感熱通量

感熱通量是由于空氣的湍流運(yùn)動從水滴向大氣進(jìn)行熱傳導(dǎo)的熱量通量,主要和海-氣溫差、海面風(fēng)速有關(guān),其取值為[6]:

式中:ρa(bǔ)—空氣的密度(Kg/m3)取 1.29 Kg/m3,Ch—海氣界面熱交換系數(shù),取值為1.3×10-3,Cp—空氣定壓比熱,取值為 Cp=1004+0.0046Ta,Ta—大氣溫度(K),Td—液滴溫度(k),U—船舶的相對風(fēng)速(m/s)。

4.2 蒸發(fā)潛熱通量

蒸發(fā)潛熱通量是由于水汽相變向大氣進(jìn)行熱傳導(dǎo)的熱量通量,其取值為[6]:

式中:ρa(bǔ)—空氣密度(Kg/m3),Ce—海氣界面水汽交換系數(shù),其取值為1.4×10-3,U—船上的相對風(fēng)速(m/s),qa—空氣的飽和比濕(hpa),求法如下:

式中:e0—6.11(hpa),t—溫度(℃),qd—海水表層溫度的比濕(hpa),求法同式(19)、(20)。

L—蒸發(fā)潛熱(J/kg),其取值如下式,式中:Td—液滴溫度(k)。

4.3 輻射熱通量

輻射熱通量是物體因其溫度而產(chǎn)生的以電磁波形式輻射的熱量通量,其取值為[2]:

式中:σ—為 Stefan-Boltzmann常 數(shù)5.67×10-8,Td—液滴溫度(k),Ta—空氣溫度(K)。

5 冰的積累

假設(shè)每個(gè)飛沫落在甲板的最大厚度為1 mm[2],可以計(jì)算每次海浪飛沫積冰的質(zhì)量及其分布。累加每次飛沫上浪的積冰量,得到總結(jié)冰量及其分布。通過計(jì)算積冰對船舶穩(wěn)性和浮性等的影響,得到飛沫積冰對船舶的危害。

6 海浪飛沫積冰對船舶穩(wěn)性、浮性的影響

某中小型船舶從萊州灣海域駛往鲅魚圈,途中遭遇強(qiáng)冷空氣,計(jì)算飛沫積冰對船舶的危害。船舶資料:排水量 3453 t,船長 76 m,船寬 12 m,吃水5.05 m,干舷 1.00 m,首吃水4.68 m,尾吃水5.39 m,滿載時(shí)的TPC為6.23,初穩(wěn)性高度0.799 m。在萊州灣附近海域,水深20 m,風(fēng)向NNE,風(fēng)區(qū)400,000 m。渤海中南部在冬季一、二月份的水溫在零度左右,在強(qiáng)冷空氣來臨時(shí),氣溫可降至-15℃。假設(shè)船舶以6節(jié)船速航行,遭遇6級NNE風(fēng),在7.1 s的上浪間隔中,液滴的溫度可下降3°,即每次上浪的飛沫都能積冰。在24 h內(nèi)船舶飛沫積冰166 t,隨著風(fēng)速、船速的增大,飛沫上浪量迅速增加。計(jì)算結(jié)果與Lozow ski測算數(shù)據(jù)[4]的曲線趨勢基本吻合。積冰對船舶的浮性、穩(wěn)性和操縱造成很大的影響:

(1)海浪飛積冰重心高于船舶重心,船舶重心升高 0.17 m,船舶穩(wěn)性 GM=KM-KG為0.629 m。

(2)海浪飛沫積冰引起的吃水差改變量為+1.21 m,船舶由原來尾傾0.71 m變?yōu)槭變A0.50 m,容易造成飛車現(xiàn)象,影響船舶快速性和操縱性。

另外,積冰增大受風(fēng)面積,增加風(fēng)傾覆力矩;如果在斜頂浪的情況下,積冰分布不對稱,將會產(chǎn)生初始橫傾角 θ=arctan(p?y/Δ?GM),根據(jù)斜浪橫搖理論 φ″+rcφ′+n2φ=n2φae0 sinωt,存在初始橫傾角增加橫搖幅度,船舶的抗風(fēng)能力下降;如果是船側(cè)來風(fēng),船舶上風(fēng)側(cè)的積冰會引起持續(xù)性橫傾,甚至使船舶失去穩(wěn)性,最終引起船舶傾覆;增加彎矩,影響船舶強(qiáng)度;甲板設(shè)備表面積冰,造成設(shè)備使用困難,如拋錨設(shè)備、開關(guān)艙設(shè)備,雷達(dá)等助航設(shè)備不能正常工作;甲板行走困難等。

船舶操縱在飛沫積冰過程中也起著重要的作用,隨著船速的增加,飛沫上浪量增加較快,所以在大風(fēng)浪減小速度或順風(fēng)航行可以明顯減小飛沫上浪量和飛沫結(jié)冰的速度。另外,露點(diǎn)溫度、氣壓、海表面的鹽度、風(fēng)時(shí)風(fēng)區(qū)、船舶干舷、船舶裝載情況也對船舶積冰產(chǎn)生影響。

7 結(jié) 語

通過計(jì)算和分析飛沫積冰對船舶穩(wěn)性、浮性的影響,得到飛沫積冰對船舶的危害。因此,在渤海、黃海北部等寒冷海區(qū)航行時(shí),當(dāng)有強(qiáng)冷空氣過境時(shí),就應(yīng)保持高度警覺,慎重考慮船舶航向,尋找避風(fēng)錨地。如果無法尋到避風(fēng)錨地,最好的辦法就是船首迎風(fēng)浪,以盡可能慢的速度航行,將浪沫飛濺的程度減至最小。

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5 中華人民共和國交通部.海港水文規(guī)范[S],JTJ-98-213(1998)

6 陳錦年.中國近海海面熱平衡[M].海洋出版社