【摘要】：為研究礦砂運輸船上貨物的液化流動機理及該類型船的傾覆機理,以某鎳礦砂運輸船為研究對象,對液化鎳礦砂晃蕩與船舶運動的耦合影響進(jìn)行研究。對均艙裝載下船模的運動響應(yīng)進(jìn)行試驗研究后發(fā)現(xiàn),液化鎳礦砂的晃蕩移動會引發(fā)貨物偏載和航舶橫傾累積,最終導(dǎo)致船舶傾覆沉沒;而通過添加縱艙壁可以避免這一現(xiàn)象發(fā)生。液化鎳礦砂會對船舶運動響應(yīng)產(chǎn)生類似"減搖水艙"的耦合影響。作為比較,對隔艙裝載工況進(jìn)行試驗研究,發(fā)現(xiàn)在隔艙裝載工況中沒有明顯的貨物偏載和船舶橫傾現(xiàn)象。該試驗說明,隔艙裝載會大大減小橫搖運動幅值及因偏載產(chǎn)生的橫傾角,加大船舶進(jìn)水角裕度,有利于船舶在海上安全航行。
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圖片說明： 該研究，為鎳礦砂船舶傾覆機理研究及其安全運輸提供技術(shù)參考。1研究對象研究對象原型全長189．99m，船寬32．26m，型深18m，載重量57500t。試驗船模的縮尺比為1∶45。船模由玻璃鋼船殼、5個有機玻璃貨艙模型及甲板蓋板等組成。要求試驗船模能夠在貨艙中裝載一定量的鎳礦砂，貨艙模型基本滿足型線要求，且能夠完整地放進(jìn)或取出于玻璃鋼船模(見圖1)。圖1玻璃鋼船模鎳礦砂屬于大密度貨物，在海洋運輸過程中即使是少量的移動也會對船舶產(chǎn)生較大的力和力矩。根據(jù)搖擺臺試驗研究，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)［3，8，9］，選取含水量為35%的鎳礦砂作為貨物。液化后的鎳礦砂會析出部分水形成自由液面，表層還會形成一定厚度的泥漿層，底層沒有液化的鎳礦砂堆積成類似“山丘”形狀。上層呈現(xiàn)流態(tài)化的泥漿層，是發(fā)生貨物晃蕩移動的主要內(nèi)因。2鎳礦砂晃蕩與船舶運動耦合的影響2．1五艙均艙裝載下的耦合運動分析試驗借助上海船舶運輸科學(xué)研究所航運技術(shù)與安全國家重點實驗室風(fēng)浪流水池，分別對裝載液化前/后鎳礦砂貨物的船模進(jìn)行橫浪規(guī)則波下的運動響應(yīng)研究。鎳礦砂屬于比重較大的貨物，在滿載吃水、均艙裝載時，船舶重心高度較低(VCG為7．06m)，具有較大的初穩(wěn)心高度(GM值為6．35m)。2．1．1貨物晃蕩對船舶浮態(tài)的影響試驗中觀測到，在裝載未液化鎳礦砂的工況下，幾乎沒有發(fā)生貨物移動，船�；静粫l(fā)生偏載，靜置后不會產(chǎn)生橫傾。鎳礦砂液化后，液化的鎳礦砂泥漿隨船模運動而發(fā)生明顯移動。在波浪中運動一定時間后，船模會因貨物的晃蕩而引發(fā)偏載累積，并逐漸產(chǎn)生橫傾(圖2中，船模在波浪中運動約15min后，偏載引發(fā)的橫傾從5．8°加劇到11．4°)。當(dāng)波浪周期在船模橫搖固有周期附近時，船模搖擺運動加劇，由于貨物偏載引發(fā)的橫傾變得十分
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圖片說明： 國家重點實驗室風(fēng)浪流水池，分別對裝載液化前/后鎳礦砂貨物的船模進(jìn)行橫浪規(guī)則波下的運動響應(yīng)研究。鎳礦砂屬于比重較大的貨物，在滿載吃水、均艙裝載時，船舶重心高度較低(VCG為7．06m)，具有較大的初穩(wěn)心高度(GM值為6．35m)。2．1．1貨物晃蕩對船舶浮態(tài)的影響試驗中觀測到，在裝載未液化鎳礦砂的工況下，幾乎沒有發(fā)生貨物移動，船�；静粫l(fā)生偏載，靜置后不會產(chǎn)生橫傾。鎳礦砂液化后，液化的鎳礦砂泥漿隨船模運動而發(fā)生明顯移動。在波浪中運動一定時間后，船模會因貨物的晃蕩而引發(fā)偏載累積，并逐漸產(chǎn)生橫傾(圖2中，船模在波浪中運動約15min后，偏載引發(fā)的橫傾從5．8°加劇到11．4°)。當(dāng)波浪周期在船模橫搖固有周期附近時，船模搖擺運動加劇，由于貨物偏載引發(fā)的橫傾變得十分明顯且迅速，隨著試驗的進(jìn)行，可以預(yù)見船模將發(fā)生傾覆。圖2貨物晃蕩移動引起偏載和橫傾累積當(dāng)采取相似裝載方案的船舶在海浪中航行時，由于不斷遭遇風(fēng)浪，船舶劇烈運動，液化的鎳礦砂貨物周期性移動并不斷加劇偏載，橫傾幅度不斷加大，甲板進(jìn)水角裕度逐漸減少，相應(yīng)的船舶穩(wěn)性會越來越差，最終只要遭遇稍微惡劣的海況，船舶就極可能傾覆沉沒。作為比較，在裝載液化后的鎳礦砂的工況中對每個貨艙添加一道縱艙壁，以防止流態(tài)化鎳礦砂貨物發(fā)生長距離晃蕩或移動。通過試驗發(fā)現(xiàn)，此工況下，貨物偏載和船模橫傾的現(xiàn)象已不明顯，試驗中只監(jiān)測到1°～2°的橫傾，且橫傾角度基本穩(wěn)定，不會發(fā)生橫傾加劇的情況。試驗結(jié)果表明，在鎳礦砂運輸船貨艙內(nèi)加裝一道臨時縱艙壁，能有效提升其航行安全性。2．1．2橫搖耦合運動的阻尼比較對裝載液化后的鎳礦砂的船模，在耐波性試驗前后分別進(jìn)行自由橫搖衰減試驗，比較二者的差異。圖3中上圖為船模進(jìn)行試驗開始?
【作者單位】： 上海船舶運輸科學(xué)研究所航運技術(shù)與安全國家重點實驗室;
【基金】：國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2012CB723804)
【分類號】：U661;U695.2

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