Эффект свободной поверхности

Эффект свободной поверхности – это механизм, который может привести к тому, что гидроцикл станет неустойчивым и опрокинется . ^{[ 1 ]}

Это относится к тенденции жидкостей – и несвязанных агрегатов небольших твердых предметов, таких как семена, гравий или измельченная руда, поведение которых приближается к поведению жидкостей – двигаться в ответ на изменения положения грузовых трюмов, палуб и т.д. или резервуары с жидкостью в ответ на движения, вызванные оператором (или состояние моря , вызванное волнами и ветром, действующими на судно). Что касается эффекта свободной поверхности , то состояние неполного бака описывается как «слабый бак», тогда как полный бак «под давлением». ^{[ 2 ]}

Стабильность и равновесие

На нормально загруженном судне любому крену от перпендикуляра противодействует восстанавливающий момент , возникающий из-за увеличенного объема воды, вытесняемой корпусом на опущенной стороне. Это предполагает, что центр тяжести судна относительно постоянен. Если движущаяся масса внутри судна движется в направлении крена, это противодействует эффекту выпрямления, перемещая центр тяжести в сторону опущенной стороны. Эффект свободной поверхности может стать проблемой на судне с большими, частично заполненными грузовыми отсеками, топливными баками или резервуарами для воды (особенно если они занимают всю ширину судна) или из-за случайного затопления, как это произошло в нескольких авариях. с участием паромов с роликовым приводом .

Если отсек или бак пуст или полон, центр масс судна не изменяется при его перекатывании из стороны в сторону (при сильном ветре, сильном волнении, при резких движениях и поворотах). судна Однако, если отсек заполнен лишь частично, жидкость в отсеке будет реагировать на качку, наклон, крен, пульсацию, раскачивание или рыскание . Например, когда судно кренится влево, жидкость будет смещаться к левому борту отсека, и это сместит центр массы судна влево. Это приводит к замедлению возврата судна в вертикальное положение.

Импульс больших объемов движущихся жидкостей вызывает значительные динамические силы, которые действуют против восстанавливающего эффекта. Когда судно возвращается в вертикальное положение, крен продолжается, и эффект повторяется на противоположной стороне. В условиях сильного волнения это может стать петлей положительной обратной связи , в результате чего каждый крен становится все более и более резким, в конечном итоге преодолевая восстанавливающий эффект, приводящий к опрокидыванию. Хотя повторяющиеся колебания возрастающей величины обычно связаны с эффектом свободной поверхности, они не являются необходимым условием. Например, в случае с SS Normandie и MS al-Salam Boccaccio 98 постепенное накопление воды в результате пожаротушения привело к опрокидыванию в результате одного непрерывного переворота.

смягчение последствий

Чтобы снизить эту опасность, грузовые суда используют несколько меньших объемных отсеков или резервуаров для жидкости вместо меньшего количества более крупных и, возможно, перегородки внутри объемных отсеков или резервуаров для жидкости, чтобы минимизировать воздействие свободной поверхности на судно в целом. Сохранение отдельных отсеков для сыпучих материалов или резервуаров для жидкости либо относительно пустыми, либо полными – это еще один способ минимизировать эффект и сопутствующие проблемы. Гидравлические цистерны используют воду для вытеснения более легкого масла, чтобы бак всегда оставался полным. ^{[ 3 ]} Резервуары или отсеки, не выходящие за пределы осевой линии судна, несколько менее подвержены дестабилизирующим колебаниям. Аналогичным образом, узкие отсеки (выровненные по линии носа к корме) и отсеки, расположенные на крайних точках от центральной линии, менее склонны вызывать нестабильность.

Исторические примеры

Наводнение, утечка жидкого груза или непреднамеренное попадание воды (в результате осадков, волн или повреждения корпуса) в любые отсеки или на любую палубу плавсредства, а также возникающий в результате эффект свободной поверхности часто являются причиной аварий, опрокидываний и несчастных случаев, например, гибели TEV ( Wahine (Веллингтон, Новая Зеландия, апрель 1968 г.), MS Herald of Free Enterprise Зебрюгге, Бельгия, март 1987 г.) и MS Эстония (Балтийское море, сентябрь 1994 г.). В случае с паромом RORO al-Salam Boccaccio 98 (Красное море, февраль 2006 г.) неправильные процедуры пожаротушения вызвали наводнение, которое привело непосредственно к нестабильности и опрокидыванию. В обоих случаях « Аль-Салам Боккаччо 98» и «Коста Конкордия» серьезный крен последовал сразу после того, как корабль претерпел резкий поворот, в результате чего нестабильные объемы воды (в результате повреждений при столкновении в последнем) хлынули с одного борта корабля на другую сторону. другой.

Воздействие на землю и самолеты

Эффект свободной поверхности может затронуть любые виды транспортных средств, включая водные суда (где он наиболее распространен), сыпучих или жидкостных грузов - цистерны для полуприцепы и грузовики (вызывая складывание или опрокидывание), а также самолеты (особенно пожарные водные транспортные средства) . капельницы и заправщики, где перегородки смягчают, но не устраняют последствия). Термин «эффект свободной поверхности» подразумевает нахождение жидкости под действием силы тяжести. Динамика выплеска — это всеобъемлющая область, которая охватывает как эффекты свободной поверхности, так и такие ситуации, как космические аппараты, где гравитация несущественна, но инерция и импульс взаимодействуют со сложной механикой жидкости, вызывая нестабильность транспортного средства.

Регулирование

Чтобы уменьшить воздействие эффекта свободной поверхности, потенциально приводящего к опрокидыванию судна, ко всем судам на международном уровне применяются нормативные требования в соответствии с Конвенцией СОЛАС и Международным кодексом об остойчивости . ^{[ 4 ]}

См. также

Ссылки

^ Э.Льюис, редактор журнала «Принципы военно-морской архитектуры», 2-е место. Ред., 1988 (Общество военно-морских архитекторов и морских инженеров), стр. 93 и далее.
^ Морское руководство по инспекции судов.
^ Моррелл, Роберт В. (1931). Нефтяные танкеры (Второе изд.). Нью-Йорк: Издательская компания Simmons-Boardman. стр. 305 и 306.
^ «Кодекс нетронутой стабильности» . Международная морская организация . Проверено 29 февраля 2024 г.

Внешние ссылки

Обсуждение эффекта свободной поверхности на веб-сайте Transport Canada. Ссылка обновлена 15 февраля 2011 г.
Возможные причины катастрофы парома
Морское руководство по осмотру судов.
Marine Engineer World - анимация, иллюстрирующая влияние геометрии отсека на эффект свободной поверхности. Архивировано 20 июля 2012 г. на Wayback Machine.

[1] Э.Льюис, редактор журнала «Принципы военно-морской архитектуры», 2-е место. Ред., 1988 (Общество военно-морских архитекторов и морских инженеров), стр. 93 и далее.

[2] Морское руководство по инспекции судов.

[3] Моррелл, Роберт В. (1931). Нефтяные танкеры (Второе изд.). Нью-Йорк: Издательская компания Simmons-Boardman. стр. 305 и 306.

[IMO-4] «Кодекс нетронутой стабильности» . Международная морская организация . Проверено 29 февраля 2024 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]