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自由液面

液体压强中与大气联通的液面

液体压强中与大气联通（即与空气接触）的液面叫做自由液面（free surface），即船舶倾斜时船内舱柜中能自由变动的液体表面。例如淡水、燃油等液体舱柜未装满时，液面随船的倾斜而变动，保持与船外水面平行。当液面因船舶倾斜而自由变动时，液体的形状及其重心位置即产生变化，使船舶稳性降低。在船宽方向将舱柜隔小，可限制液体的移动幅度，如油船即采取这一措施。

概念
所谓自由液面，是船体中任何装载液体部分，包括水舱、油舱、双层底以及锅炉、凝水柜等，没有将液体装满，而存留着液体的表面与空气相接触，当船摆动或倾侧时，这种液体的表面也将摆动或倾侧，所以称为自由液面。这种存留着自由液面的水称为自由水或称为散水。
自由液面修正
船舶液舱柜中的自由液面(free surface)对船舶稳性的影响是航海生产中经常遇到的问题。对这一问题，人们从造船的角度进行了深人理解研究，从航海生产的角度进行了许多应用研究。以下论述自由液面对船舶稳性的影响原理，给出了各种舱形中自由液面对稳性减小值的计算公式以及液舱中的纵向隔壁对自由液面影响值的计算公式；分析了自由液面对稳性的影响与船舶倾角的关系、与舱内液体数量的关系、与舱内液体密度的关系、与舱内连通阀作用的关系，并且一并给出有关的计算公式；
生产中，船员应熟练掌握各种自由液面对船舶稳性减小值的计算方法，深入了解在各种情况下削弱自由液面影响的方法。
自由液面修正的理论公式
实船中可能出现的液舱液面形状，可概括成图1所示各种，这里将(a)～(i)各种液面形状对稳性影响的公式一并给出，以供船员在生产中应用。
梯形公式
位于船中左右的双层底液舱、横贯左右舷的双层底液舱、首尾尖舱、深舱等的液面多呈图1中(a)～(d)形状，这时各液面的面积惯矩 (m4)可以写成统一公式，
式中， 为梯形的长度(m)，b1和b2分别为梯形的上底和下底宽度(m)。这一公式直接适用于(d)形液面的情形。
对于(a)形液面， =b1=b2=b，即
对于(b)形液面，b1=b2=b，即
对于(c)形液面，b1=0，b2=b，即
椭圆形公式
一些液化气体船上，舱柜呈球形、圆柱形、椭圆柱形，其自由液面呈圆形和椭圆形，如图1中(e)～(g)。这类液面的面积惯矩可以统一写成
这一公式直接适用于(g)形液面。
对于(e)形液面，a=b=r，即
对于(f)形液面，
边舱公式
位于首尾的边舱(双层底、边压载舱、边油水舱和边货油舱等)的液面多呈图1中(h)和(i)形，其自由液面惯矩可写成统一的公式，
该公式直接适用于(h)形液面。对于(i)形液面，b1=0，b2=b，即
纵向隔壁的影响
设在矩形液面中部设置一道纵同隔壁(longitudinal division)，如图2中(a)所示，则面积惯矩减小3/4，即
而在矩形液面中等间距设置二道纵向隔壁，如图2中(b)所示，则面积惯矩减小8/9，即
易见，设置纵向隔壁是减小自由液面的有效方法。
自由液面对稳性的影响值
自由液面始终减小船舶的稳性，其影响值δGM为
式中，ρ为舱内液体的密度(t/m3)；△为船舶排水量(t)。
而且，从以上的分析中可以得出如下几点结论：
（1）自由液面在纵向上、横向上或垂向上平移，不改变其对稳性的影响值；
（2）自由液面横向上的尺度对稳性的影响值远大于其纵向上的尺度对稳性的影响值；
（3）自由液面横倾轴由自由面积的形状完全确定，该轴必过其面积形心，并与船舶首尾线平行。
自由液面修正的经验公式
实船中可能出现的液舱液面形状有时并不能在图1中找到确切的对应形状。这时，若进行理论计算，可能需要较大的工作量。这在船上常常不可行。为此，国际海事组织等国际机构建议采用下式进行估算。
式中，ρ为液体密度(t/cm3)；△为船舶排水量(t)；b为液舱宽度(m)；δ为液舱方形系数，即液舱总体积与其最大长L、最大宽B、最大高度H的乘积的比值；k以B/H为引数在表1上查取。查表中，
若，则取；
若，则取。
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