第六章大风浪中船舶操纵

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1、第六章大风浪中船舶操纵,第一节 船舶在波浪中的运动 第二节大风浪中航行的危害 第三节大风浪中海上航行操船 第四节大风浪中港内操船方法,波浪及其要素 船舶在波浪中的运动 横摇运动 纵摇运动 垂荡运动,第一节 船舶在波浪中的运动,一、波浪及其要素 1.波峰、波谷、振幅与波高 波形最突起的地方或波面的最高处称为“波峰” 波形最凹下的地方或波面的最低处称为“波谷” 振幅是指从静止水平面至波峰或波谷的距离。 波峰与波谷之间的垂直距离称为“波高”。,2.波浪周期 波浪完成一次波动所需要的时间或两个波峰(或波谷)相继通过一固定点所经历的时间，称为“波浪周期” 。 3.波速 波速指波浪传播的速度 。 4.波长

2、 沿着波的传播方向，两相邻的同相位水质点或两相邻的波峰(或波谷)间的水平距离叫做“波长”。,5.波陡 指波高与波长之比(H/)，它是用来描述波形的陡峭程度。 6.深水波与浅水波 由于波浪在传播过程中，波速、波长、波高和波形受水深影响较大，通常依据水深h与波长之比来划分深水波和浅水波。 h/小于0.5时为浅水波，而h/大于0.5时为深水波。,7.波形的变化 1）浅水区的波形变化 波浪从深海向浅海接近时，由于水质点的垂直移动受阻，水质点的运动轨迹将由圆形变为椭圆。同时，由于回转运动与海底之间的摩擦阻力使波速降低。在浅水域中波速只随水深变化，但波浪的周期不变。因此，当波速减小时，波长变短，波高增大。

3、而且海岸的倾斜越急，这种变化越剧烈。此外，由于波谷与海底的摩擦部分的行进速度变缓，而波峰的行进较快，使波峰向前卷起，同时在行进中破碎。这种波浪俗称为开花浪，对船舶的冲击力较大。,2）干扰引起的波形变化 当从大海上远处袭来的大浪与本海区相反方向的波浪相遇；或袭来的波与该处的反射波相互干扰时，形成合成波，它的波速变得很小，而波高可能增加一倍。这种波浪俗称为三角浪。对小型船舶危害较大。 由于风向的变化，使所产生的两个不同方向的波浪形成某一交角时，就会发生波高作周期性变化的群波。在海上经常遇到的，周期性的3个或5个大浪，随后又出现几个小浪，就是这种群波。,二、船舶在波浪中的运动 船舶在波浪作用下，沿着

4、和围绕着通过船舶重心的X、Y、Z轴作线性运动和回转运动。各摇荡运动的名称为： X轴纵荡和横摇； y轴横荡和纵摇； Z轴垂荡和首摇； 其中对船舶安全有威胁的摇摆是横摇、纵摇和垂荡。,1.波浪遭遇周期 设船舶以与波浪方向成一定的交角和船速V在波浪中运动，如右图所示，则波浪相对于船舶的传播速度为： VE=c + Vcos VE相对波速(m/s)； c波速(m/s)； 船首向与波向的交角，简称波向角。,波浪相对于运动中船舶的周期称为波浪遭遇周期，它就是船上人员所看到的波浪周期，故也称为波浪视周期，简称为“遭遇周期”。 TE遭遇周期(s)； 波长(m)；,2. 波向角及船舶摇摆程度 以右舷受浪为例 1）

5、当030时，称为顶浪，也称为“迎浪”，其遭遇频率比波浪频率要高，纵摇摆幅较大，横摇摆幅较小。在=0时遭遇频率最高，相应的纵摇摆幅最大。,2. 波向角及船舶摇摆程度 2）当3060时，称为偏顶浪，其遭遇频率比顶浪时要低，纵摇摆幅比顶浪时要小，但横摇摆幅比顶浪时有所增大。 3）当60120时，称为横浪，其遭遇频率比偏顶浪时要低，纵摇摆幅较小，横摇摆幅较大。在=90或270时遭遇频率等于波浪频率。相应的横摇摆幅最大，纵摇摆幅最小。,2. 波向角及船舶摇摆程度 4）当120150时，称为偏顺浪，其遭遇频率比横浪时要低，纵摇摆幅比横浪时要大，横摇摆幅比横浪时要小。 5）当150180时，称为顺浪，其遭遇

6、频率比偏顺浪时要低，纵摇摆幅比偏顺浪时要大，横摇摆幅比偏顺浪时要小。 6）在=180时遭遇频率最低，相应的纵摇摆幅较大，横摇摆幅较小。,三、横摇运动 1自由横摇周期 船舶在规则波中小角度(小于15)无阻尼横摇周期(船舶自由横摇周期)可用下式近似求得： B船宽(m)； GM初稳性高度(m)； C横摇周期系数，,2.横摇摆幅 当船舶横摇周期小于遭遇周期，即TR/TE1时，则船舶横摇频率大于遭遇频率，船舶横摇较快，甲板平面与波面经常保持平行，很少上浪，但船舶所受惯性力较大。 当船舶横摇周期大于遭遇周期，即TR/TE1时，则船舶横摇频率小于遭遇频率，船舶横摇较慢，甲板平面与波面经常不平行，上浪较多，且

7、船舶经常受到波浪的冲击。 当船舶横摇周期近似等于遭遇周期，即TR/TE1时，则船舶横摇频率近似等于遭遇频率，船舶横摇剧烈，横摇角越来越大，严重时将导致船舶倾覆，这种现象称为谐摇或谐振。,谐摇时的横倾角可用下式估算： 0最大波面角。 实际上，一般在TR/TE0.71.3区间内就会发生谐摇，该区间称为“谐摇区间”或“谐振区间”。因此，船舶在海上航行时，应尽可能避免船舶横摇频率与遭遇频率相近的情况。,3.避免横向谐摇的措施 避免船舶的横向谐摇，即使船舶的固有横摇周期与波浪遭遇周期之比大于1.3或小于0.7。 1) 调整船舶自由横摇周期 在装载时适当调整GM值，即选择船舶自由横摇周期，使船舶的横摇避开

8、谐振区间。 2) 调整波浪遭遇周期 对于航行中的船舶，调整船速和（或）航向对于减轻横摇是行之有效的措施。 但是，当波向角=90或270，即正横受浪时，遭遇周期等于波浪周期，这时改变船速对调整波浪遭遇周期不起作用。,四、纵摇运动 1纵摇周期 船舶的纵摇周期可用下列近似公式估算： TP船舶纵摇周期（5）： L一船长（m）； CP纵摇周期系数，,2. 减轻纵摇的措施 在船舶纵摇周期与遭遇周期相等，即TP/TE1时，船舶将发生纵向谐摇。由于船舶纵摇惯性矩、阻尼力矩和稳性高度都比较大，故船舶在波浪的作用下产生的纵摇摆幅比横摇摆幅要小，纵倾角一般不超过最大波面角。纵向谐摇的摆幅取决于波长与船长之比、波向角

9、和船型等因素。 因船舶自由纵摇周期与船长有关。实际上，调整自由纵摇周期是不可能的，故一般采取调整遭遇周期，即调整船速和(或)航向的措施来减小纵摇摆幅。,五、垂荡运动 1. 垂荡周期 船舶垂荡周期可用下列近似公式估算： TH船舶垂荡周期(s)； d船舶平均吃水(m)。 船舶垂荡周期和纵摇周期很接近，后者稍大于前者。一般有TRTPTH的关系。且2TPTR。,2. 减轻垂荡的措施 在船舶纵摇周期与遭遇周期相等，即TH/TE1时，船舶将发生垂荡谐振。由于垂荡运动时水对运动的阻尼很大，则重力垂荡使运动衰减很快。 由于船舶自由垂荡周期与吃水有关。实际上，调整船舶自由垂荡周期是不可能的，故一般采取调整遭遇周

10、期，即调整船速和(或)航向的措施来减小垂荡振幅。,横向受浪时所产生的危害 纵向受浪时产生的危害,第二节大风浪中航行时所遭受的危害,一、横向受浪时所产生的危害 1）产生过大的横摇角； 2）舷侧容易上浪，会导致甲板货物或设备的损伤； 3）由于横摇加速度增大，容易引起货物移动和增加自由液面的冲击力，严重时会导致船舶的倾覆； 4）造成人员不适，船用仪器使用不便，船体结构容易受损，增大船舶倾覆的危险。 通常大风浪中航行，船舶应避免横向受浪。航行中一旦船舶处于横向受浪，应立即采取措施使船舶进入纵向受浪状态。,二、纵向受浪时产生的危害 1顶浪或偏顶浪的危害 1）拍底 在激烈的纵摇和垂荡中，当船首升起后在下落

11、过程中与波浪表面的向上运动相撞击时产生的现象，称为拍底。,（1）产生拍底条件： a.波长：当 /L1，即波长与船长接近时容易产生剧烈的拍底； b.吃水：d/L5%，即吃水与船长之比值小时易产生拍底； c.船速：当傅汝德数Fr=0.140.21范围内时，容易产生拍底； d.船型：方形系数及棱形系数大的船，拍底冲击力也大。U型船首比V型船首遭受拍击的次数多，强度也大。,（2）缓解拍底的措施： a.保持船首吃水大于1/2满载吃水； b.避免纵摇和垂荡的谐振； c.减速，保持船速在Fr=0.1左右。,2）甲板上浪 打在甲板上的海水可看作是自由液面对稳性的影响，严寒时还有结冰的危险。 甲板上浪的程度与干

12、舷高度、船速及相对波高(H1/3/L)等因素有关。船舶干舷越低，船速越高，波高越大，甲板上浪也越严重。 为了减少甲板上浪，一般首先采取降低船速的措施；其次是适当调整船舶航向。,3）螺旋桨空转 剧烈的纵摇和垂荡会使螺旋桨的一部分或全部周期性地露出水面，发生螺旋桨空转现象，俗称打空车。空转时，螺旋桨效率显著下降，船速下降，螺旋桨、轴系和船体产生很大的震动，同时使它们受到很大的冲击应力，随时有可能受损。空船状态更容易产生空转现象。 为了减轻空转现象和防止桨叶等受损，应保持桨叶没入水中2030螺旋桨直径，压载船舶的吃水差以1.52.0为宜。当出现空转时，可及时调整航向和船速以减轻船舶摇荡。,2顺浪或偏

13、顺浪的危害 1）冲浪和打横 船舶位于波峰的前部时，可能被波浪加速而骑在波峰上，这种现象类似于冲浪运动员位于波峰之前的情况，故称为“冲浪”现象。当船舶发生冲浪时，波浪力的作用可能使船舶发生航向突变，即发生所谓“打横”现象，使船舶遭受横浪的作用而产生突发性横倾，严重时有船舶倾覆的危险。 当船速在波浪传播方向上的分量约等于波浪“相速度”时，这时的船速较高，船舶将被波浪加速而发生冲浪和打横现象。一般认为这时的船速V1.8 ，故称其为发生冲浪或打横现象的临界速度。,2）横稳性降低 当船舶位于波峰时，由于排水体积的减小，将使横稳性降低。 3）谐摇运动 当船舶自由横摇周期与波浪遭遇周期一致(TETR)时，将

14、加大横摇摆幅。顺浪和偏顺浪航行时，横稳性处于临界状态，故横摇周期变长，可能发生这种横揺谐摇运动。,4）大幅度横摇 当遭遇周期约等于船舶自由横摇周期的一半，即TR2TE时，将可能发生不稳定的大幅度的横摇运动。 5）组合危险 船舶在顺浪和偏顺浪中的运动十分复杂，其运动是三维六自由度的，上述各种因素或危险现象都可能同时或先后发生，如甲板浸水、甲板上浪并滞留在甲板上或由于货物移动而增大横倾力矩等，都可能使船舶处于危险之中，严重时造成倾覆。,“Z”字航法 滞航 顺浪 漂滞 大风浪中掉头,第三节大风浪中海上航行操船,一、“Z”字航法 如果在航线上遭遇顶浪或偏顶浪（波向角为300060），则可采用“Z”字航

15、行方法。 即适当调整船速，以船首一舷1030的受浪角航行一段距离后再改为船首另一舷1030的受浪角的航行方法。其中航向和船速的调整以减小船舶摇摆幅度为准。 “Z”字航法既可以保证一定的航速，又可以减轻船舶的摇摆幅度。它适用于耐波性较好的中、大型船舶，特别是大型集装箱船舶。对于小型船舶或经不起波浪冲击的船舶，宜改用“滞航”方法。,二、滞航 以能保持舵效的最小速度将风浪放在船首23罗经点的方位上迎浪前进的方法，称为滞航。这时的船舶实际上是处于缓进或不进，甚至是微退的状态。而航向将随着风向的改变需不断地调整。 这种方法可以减轻波浪对船首的冲击和甲板上浪，使船滞留在原地附近，以等待海况的好转。对于下风

16、侧海域不大充裕，船长较长，船首干舷较高的船采用此法最为有利。,三、顺浪 顺浪航行时，波浪与船的相对速度较小，可以大大减弱波浪对船体的冲击。滞航中经不起波浪袭击的船舶，宜改用顺航。顺航的船舶由于纵荡的原因可以保持相当的速度，有利于摆脱大风浪海域或台风中心。 要注意，船长与波长相近，船速又与波速接近时，则极易发生尾淹及打横等非常危险的现象，波长大大超过船长或小于船长时，船舶都能平稳地航行。,四、漂滞 船舶停止主机随风浪漂流，称为漂滞。主机或舵损坏将被迫漂滞，滞航中不能顶浪或顺航中保向性差或船体衰老的船，可以主动采用漂滞的方法。 漂滞中，波浪对船体的冲击力大为减小，甲板上浪不多。只要船舶保持水密，有足够的稳性，就可以渡过大风浪。,五、大风浪中掉头 大风浪中掉头，当船身转至横浪时，若回转引起的横倾角与波浪的横倾角相位一致，则过大的横倾将危及船