一種測量自由液面效應的實驗裝置的設計

陳 玲 劉 威 張 鷺

(南通理工學院電氣與能源工程學院，江蘇 南通 226002)

0 引言

什么是自由液面呢？船上設有淡水艙、燃油艙、壓載水艙等艙柜，運輸液體貨物即液貨艙，如果艙內液體沒有裝滿，那么船舶在傾斜時，艙內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。同時當液體流動后，液體體積的形狀發生變化，重心向傾斜一側移動，因而產生一個額外的傾斜力矩，其結果是降低船舶的穩性[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部設置縱向艙壁，例如油輪、液貨船都會設置一道至兩道縱向艙壁，縱艙壁的設置有制蕩作用，可以減少自由液面的不利影響，而且縱向艙壁數量設置越多不利影響就越小。

在日常的教學中，主要以理論推導為主，根據數學模型建立方程，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對措施，學生學起來費力又不易理解。因此考慮采用實驗教學，希望通過這種能夠測量自由液面效應的實驗船舶來幫助學生加深對自由液面效應不利性的認識，同時理解設置縱向艙壁可以降低其不利影響這一舉措的合理性。通過實驗裝置講解簡單直觀深入，然而現階段并沒有相關的專業教學設備。

1 實驗裝置的總體設計

該實驗裝置主要由水槽、船體模型、壓力傳感器和計算機系統組成。該水槽的周圍和底部設置造浪、造風等裝置，同時配合造波機可以制造不同方向、不同強度的波浪。船體模型貨艙區域的縱向艙壁可以實現自動伸出與收回，同時舷側外板都均勻分布安裝壓力傳感器，并且壓力傳感器實時與計算機連接，將數據傳遞到計算機上，船體模型見下圖1。

圖1 船體模型圖

利用該設備裝置操作時，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：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度的傾斜力矩，通過壓力傳感器的數據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下的外板受力的差異。通過壓力傳感器實時傳遞數據，即可看到自由液面的存在確實對船體外板產生了額外的傾斜力矩，同時縱向艙壁的設置會降低這種額外的傾斜力矩的數值，提高船舶的復原力矩[2-3]。

2 測量自由液面效應的實施效果

通過上述實驗方案發現，縱向艙壁的設置減小了因為自由液面產生的橫傾力矩。自由液面產生的橫傾力矩數值越大，船舶的復原力矩越小，復原力矩的大幅減少說明船舶能自行恢復到原來位置的能力就降低，即船舶穩性會降低，因此對船舶的安全不利。實驗實施后，會在計算機上看到這艘模擬船舶在不同狀態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生深入理解自由液面存在的不利影響以及其具體的對應措施的合理性。

3 總結

自由液面對船舶穩性不利影響的教學，傳統是采用理論教學，考慮通過實驗教學，結合與之相關的專業教學設備，更加簡單直觀深入，幫助學生透徹理解自由液面側存在會降低船舶的穩性，同時掌握其具體的應對措施設置縱向艙壁的合理性。