自由液面对舰艇性能的影响

自由液面的存在使稳性降低，本质上是倾斜时液体向倾斜方向流动，形成倾斜力矩，从而抵消了一部分复原力矩所致。

要确定自由液面对大角稳性的影响，只需求出不同倾角时液体搬动所构成的倾斜力矩，该力矩的大小就是舰艇在相应各倾角下复原力矩减少的值。

设舰艇在正浮时舱内液体的表面为ab，重心位于g点。当舰艇横倾φ角后，舱内液体向倾斜一侧移动，液面为cd，重心自g点移至g1点，移动的横向距离为e，因此产生倾斜力矩：

式中　v——舱内液体的体积；

ρ——舱内液体的密度。

设舰艇原来的复原力矩为Mr=P·lr，则考虑自由液面的影响后，舰艇的复原力矩为

式中　Δl——考虑自由液面的影响时的复原力臂修正值，Δl=。

当舰艇的横倾角φ较大时，液体重心的移动距离y不能同初稳性研究中一样按y=（ix/v）sinφ求得，而必须直接计算。由此计算自由液面的倾斜力矩，最后得出Δl=MH/P的值。

计算MH和Δl的方法有许多，下面介绍《舰船通用规范》中的M30法。

（1）在各液体舱形心附近，取一等效横剖面：其面积乘以舱长与实际舱容相近，且横倾后横剖面形心的移动距离与液体重心的移动距离也相近。

（2）利用作简单几何图形形心的方法，求取各等效横剖面半截液面ab下的形心g和横倾30°时液面cd下的形心g1，如图4-16所示。

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图4-16　M30计算示意图

（3）设各舱液体重心g沿横向移动的距离为ei；半截液体重量为Wi，则各舱半截液面横倾30°时产生的横倾总力矩为

式中　n——进行自由液面修正的舱数。

（4）横倾30°时的复原力臂修正值为

式中　P——核算装载状态下的舰艇重量。

（5）舰艇横倾角φ=0°～30°时lr的修正值按与Δl30成线性比例关系来计算；φ＞30°时均取为Δl30，如图4-17所示。

图4-17　静稳性曲线M30修正

以上的M30法表明，自由液面对大角稳性的影响与横倾角的大小有关，此外，在很大程度上还与液舱的形状和液舱内液体的数量有关。液舱内液体的数量较少或较满时，自由液面对大角稳性的影响比较小，一般液舱内液体的数量在半舱时对大角稳性的影响最大。

计算结果表明，扁平和狭深的舱，自由液面产生的倾斜力矩较小，而正方体舱自由液面产生的则较大，因此在设计上要避免设置正方体形状的液体舱。