Введение

Влияние жидкостей в незаполненных танках

Эффект свободной поверхности – это механизм, который может привести к потере устойчивости и опрокидыванию судна. Он описывает тенденцию жидкостей, а также несвязанных скоплений мелких твердых частиц, таких как семена, гравий или дробленый рудник, поведение которых приближено к поведению жидкостей, перемещаться в ответ на изменение положения грузовых отсеков, палуб или жидкостных танков судна при воздействии маневров (или морского состояния, вызванного волнами и ветром). Применительно к эффекту свободной поверхности, танком, который не заполнен полностью, называют "незаполненный танк", а полностью заполненный – "наполненный".

Стабильность и равновесие

На нормально загруженном судне любому крену от продольной оси противодействует восстанавливающий момент, создаваемый увеличенным объемом воды, вытесняемой корпусом на опущенной стороне. Это предполагает, что центр тяжести судна относительно постоянен. Если перемещающаяся масса внутри судна движется в направлении крена, это ослабляет восстанавливающий эффект, перемещая центр тяжести к опущенной стороне. Эффект свободной поверхности может стать проблемой на судах с большими частично заполненными грузовыми отсеками, топливными танками или танками для воды (особенно если они простираются по всей ширине судна), или при случайном затоплении, как это произошло в нескольких авариях с паромами ролкерного типа. Если отсек или танк пуст или полон, центр масс судна не меняется при крене с борта на борт (при сильном ветре, в шторм или при резких маневрах или поворотах). Однако, если отсек заполнен лишь частично, жидкость в отсеке будет реагировать на вертикальные, продольные, поперечные движения, а также на рыскание и дифферент судна. Например, при крене судна влево жидкость переместится к левому борту отсека, что сместит центр масс судна влево. Это замедляет возврат судна в вертикальное положение. Импульс больших объемов движущейся жидкости создает значительные динамические силы, которые действуют против восстанавливающего момента. Когда судно возвращается в вертикальное положение, крен продолжается, и эффект повторяется на противоположной стороне. В штормовых условиях это может привести к положительной обратной связи, при которой каждый крен становится все более и более сильным, в конечном итоге преодолевая восстанавливающий момент и приводя к опрокидыванию. Хотя повторяющиеся колебания возрастающей амплитуды обычно связаны с эффектом свободной поверхности, они не являются обязательным условием. Например, в случаях с и , постепенное накопление воды от тушения пожара привело к опрокидыванию в одном непрерывном крене.

Смягчение

Для снижения этой опасности грузовые суда используют несколько небольших грузовых отсеков или цистерн для жидкости вместо меньшего числа крупных, а также, возможно, перегородки внутри грузовых отсеков или цистерн для жидкости, чтобы минимизировать влияние свободной поверхности на судно в целом. Поддержание отдельных грузовых отсеков или цистерн с жидкостью либо почти пустыми, либо почти полными – еще один способ минимизировать это влияние и связанные с ним проблемы. Танкеры для перевозки жидких грузов используют воду для вытеснения более легкой нефти, поддерживая цистерны постоянно заполненными. Цистерны или отсеки, не расположенные по центральной линии судна, в меньшей степени подвержены дестабилизирующим колебаниям. Аналогично, узкие отсеки (вытянутые от носа к корме) и отсеки, расположенные по краям от центральной линии, менее склонны вызывать неустойчивость.

Исторические примеры

Затопление, утечка жидких грузов или непреднамеренное попадание воды (от осадков, волн или повреждения корпуса) в любые отсеки или на любые палубы судна, а также возникающий вследствие этого эффект свободной поверхности, часто являются способствующей причиной аварий, опрокидываний и катастроф, например, гибель TEV Wahine (Веллингтон, Новая Зеландия, апрель 1968 г.), (Зебрюгге, Бельгия, март 1987 г.) и (Балтийское море, сентябрь 1994 г.). В случае с RORO-паромом al Salam Boccaccio 98 (Красное море, февраль 2006 г.) неправильные действия при тушении пожара привели к затоплению, что напрямую вызвало потерю остойчивости и опрокидывание. В обоих случаях – с al Salam Boccaccio 98 и Costa Concordia – значительный крен последовал сразу после резкого поворота судна, что привело к перемещению неустойчивых объемов воды (в последнем случае – из-за повреждений от столкновения) с одного борта на другой.

Влияние на землю и воздушные суда

Эффект свободной поверхности может влиять на любые типы транспортных средств, включая водные суда (где он наиболее распространен), полуприцепы и грузовики, перевозящие сыпучие грузы или жидкости (вызывая занос или опрокидывание), и самолеты (особенно самолеты-водометы для тушения пожаров и самолеты-заправщики, где перегородки смягчают, но не устраняют эффект). Термин "эффект свободной поверхности" подразумевает наличие жидкости под воздействием силы тяжести. Динамика плеска – это широкая область, охватывающая как эффекты свободной поверхности, так и ситуации, например, с космическими аппаратами, где гравитация несущественна, но инерция и импульс взаимодействуют со сложной гидродинамикой, вызывая нестабильность транспортного средства.

Регулирование

Для снижения влияния эффекта свободной поверхности, способного привести к опрокидыванию судна, ко всем судам на международном уровне применяются нормативные требования, установленные Конвенцией СОЛАС и Международным кодексом о неповрежденной остойчивости.