淺水效應
淺水效應
淺水效應（shallow water effect）是指（大型）浮體在淺水狀態下，隨著水深與吃水之比的減小，其運動特性會發生較大變化。
徠產生原因是因為水過淺或船體吃水過深及船速過高引起的。當在淺水域時，船速過高會引起船頭下方的水速加快，壓強減小，致使船頭下沉而觸礁、擱淺。
主要表現有平面漂移運動加大，垂直及橫向搖擺運動減緩。當浮體吃水接近水深時，垂直及橫向搖擺運動的減緩越來越明顯，大型船體底部面臨觸底的危險。
因此，人們以淺水效應來定義航道。一般出現淺水效應的航道定義為淺水航道，反之則為深水航道。
在淺水中，由於船與水的相對速度增大，以及船型波變為淺水波等影響，使航行狀態和受力狀況改變的作用。當水深與船舶吃水的比值小於一定值時，船舶的水動力係數及所受波浪擾動力等與深水情況有所不同。一般認為，當水深小於4倍吃水時就會出現所謂淺水效應，而小於2倍吃水時將發生很大差異。因船底與水底的間距減小，相對流速加大，使阻力增加。流速加大后，船底壓力減小，使船舶下沉，縱傾值相對增加，甚至發生觸底，造成船底破損。故當船進入淺水區后，若不降低主機功率，雖然水深仍大於船的正常吃水，船舶依然有觸底、擱淺的危險。船在淺水波中航行時應控制其吃水與航速，使船的垂盪、縱搖、橫搖值或耦合運動值小於船底與水底的距離，以保證船舶航行安全。
水深傅汝德數F為淺水航行時的重要參數。當F<0.5時，此效應可忽略；當F接近0.7時，淺水效應開始逐漸顯著，橫波長度減小，散波峰線與船中線間夾角增大；當F=1時，為淺水臨界航速，即航速達到相當於此水深的移動水波波速，散波與橫波合成為一巨大橫波，此時阻力最大，僅見移動水波隨船前進，且發生最大尾傾。若船有足夠的主機功率使船能超過此臨界航速航行，則橫波消失，僅有散波和首波飛濺，阻力反而大大降低。淺水臨界航速隨水深h而變化。對淺水急流中運行的船，淺水效應起決定作用。對一般海船雖不考慮淺水效應，但隨著大型船舶的發展．進出港口時，對此效應也逐漸引起注意。通過理論計算或模型試驗可求得淺水中船舶的水動力係數、波浪擾動力等數值，從而可預報船舶在淺水波中的運動。
圖1
漂浮物體置於液體中都有一定的液面下排水體積，以獲得浮力來平衡物體的重量，使物體漂浮，這就是我們常稱的阿基米得原理。船舶是漂浮物體，吃水對於船舶來講是非常重要的船型參數，它直接影響到船舶的阻力及運動特性等。
隨著我國海洋石油勘探開發的高速發展，大量浮式生產儲油裝置(FPSO)和海洋工程船舶在淺水海域的作業，給我們提出了許多挑戰性的新課題，特別是渤海大型油田的不斷發現與開發、淺水中的中小油田及邊際油田的開發。我們將在淺水海域建造多艘15萬噸級至30萬噸級的FPSO，還將在水深很淺的地區開發研究小型FPSO和自升式移動生產平台等設施，以使鋪管船、起重船、工程駁船、鑽井船進入這些淺水海域作業。這些浮體的共同特點如下：
(1)系泊在一個淺水海域，浮體的吃水與水深相當接近；
(2)需要保持大的裝載能力；
(3)需要具有良好的運動性能，以保證海上作業安全。
在惡劣的作業海況下，淺水中的浮體要保證其作業功能及安全性，也就是浮體不碰撞海底，這是一個嶄新的研究課題，從國內外已發表的文獻來看，還未見有這方面的研究內容，但在渤海油田開發中已經遇到這樣的問題。
船舶設計建造與使用的長期經驗已經形成了一個概念：航行船舶的安全作業水深不能小於船舶自身吃水的1.3倍，即需滿足水深/吃水≥1.3。因此，在設計用於淺水作業的船舶時，吃水受到較大限制，為滿足船舶的使用功能，傳統的設計思路是維持水深/吃水≥1.3及加大船長及船寬，以滿足淺水下的船舶裝載能力與航行的要求，在海洋工程中一度也引用了這一概念和做法。由於使用水深/吃水≥1.3的設計方法，對於大型裝載型的船舶來講，將形成了“扁平”船型或“細長”船型。由於“扁平”型船舶的有效裝載體積小，耐波性和總縱強度差；而“細長”型船舶的總縱彎矩和船體鋼料消耗較大，船舶造價提高，這兩種船型都不是理想中的船型。
在大量理論研究、數模分析和水池模型試驗的基礎上，提出了“大型浮體淺水效應”的新概念，突破了傳統的設計理念，形成了一套“大型浮體淺水效應”概念的優化設計和水深校核方法，具體做法是將浮體吃水設計得更大，使水深/吃水的比值大大地小於1.3，而不用擔心浮體碰撞海底。
對於淺水油田作業的軟剛臂式單點系泊FPSO，其系泊系統的定位能力是FPSO安全作業的重要保障。FPSO在水平面內橫盪、縱盪和艏搖三個自由度所受的低頻二階力是決定系泊系統載荷的重要因素。完整的二階波浪載荷傳遞函數的計算要耗費大量的計算時間以及資源，二階波浪力的計算以Newman近似法和Pinkster近似法為主；深水條件下，Newman近似法對FPSO所受二階波浪力的計算具有很好的近似性，淺水條件下，由於受到淺水效應的影響，FPSO所受二階波浪力將急劇增加，此時，Pinkster近似法能較好的計算FPSO所受的二階波浪力。當FPSO所在作業水深低於一定深度時，就必須考慮淺水效應對FPSO所受二階波浪力的影響。
為研究FPSO需考慮淺水效應的臨界水深，參考Miao在計算人工漁樵水動力性能隨水深變化規律時的做法，將水深參數(WD)無量綱化為水深吃水比參數(WD/T)，針對一艘30萬噸級軟剛臂單點系泊FPSO的不同裝載狀態，分別計算採用Newman近似法和Pinkster近似法考慮二階波浪載荷，在時域內計算了不同WD/T下單點系泊系統載荷，得到系泊系統載荷隨WD/T的變化規律，並對比兩種方法的計算結果，分析產生這種差別的原因。由於Newman近似法在深水條件下具有很好的適用性，而Pinkster近似法對淺水條件下的二階波浪載荷具有更高的模擬精度，且當水深超過一定深度時，Pinkster近似法計算所得到的單點系泊載荷將小於Newman近似法計算所得到單點系泊載荷；因此，可以將Newman近似法和Pinkster近似法下單點系泊載荷相等時的WD/T作為FPSO需要考慮淺水效應的臨界WD/T。分別針對不同裝載狀態的FPSO進行臨界WD/T的計算髮現，FPSO需考慮淺水效應的臨界WD/T隨FPSO吃水T的增大逐漸減小，且具有線性關係。
針對一艘30萬噸級軟剛臂單點系泊FPSO，在其不同裝載狀態下，分別採用Newman近似法和Pinkster近似法考慮FPSO所受二階波浪力，計算系泊載荷隨WD/T變化的規律，並進一步分析了FPSO需考慮淺水效應的臨界WD/T隨FPSO吃水變化的規律，得出如下結論：
1)採用Newman近似法考慮FPSO所受二階波浪力時，FPSO系泊力隨WD/T的增大先增大后減小；採用Pinkster考慮FPSO所受二階波浪力時，FPSO所受系泊力隨WD/T的增大逐漸減小，且淺水條件下的系泊力遠大於深水條件下的系泊力。
2徠)淺水條件下，Pinkster近似法計算得到的FPSO系泊力大於Newman近似法計算得到的系泊力；在超過一定WD/T時，Pinkster近似法計算得到的單點系泊力將小於Newman近似法計算得到的單點系泊力結果；兩種方法的所得系泊力相等時對應的WD/T可作為工程上FPSO需考慮淺水效應的臨界水深吃水比。
3)FPSO需考慮淺水效應的臨界WD/T隨吃水的增大而減小，且呈線性變化。
