第6章特殊情况下的船舶操纵讲义教材

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1、第六章 恶劣天气下的操船,第一节 大风浪中的船舶操纵 第二节 避离热带气旋的船舶操纵,第一节 大风浪中的船舶操纵,一、波浪概述 二、船在波浪中的运动 三、大风浪中航行时所遭受的危害 四、大风浪中的操船方法 五、大风浪中掉头,一、波浪概述,1波浪的要素 波浪是水质点在外力作用下所形成的波动运动。在深水中波浪的水质点以一定的速度作轨圆运动，其波形以某一速度传播出去，而水质点本身并不随波形移动。水质点的轨圆运动方向，当处于波峰时与波的传播方向相同, 处于波谷时则与波的传播方向相反。这种波的波峰比较陡峭，波谷比较平坦，因此称为坦谷波。表征波浪特征的几何要素见图61。 波高H波形最高点与波形最低点之间的

2、垂直距离(m) 波长两个相邻波峰或波谷间的水平距离(m) 波速C波形向前移动的速度(m/s) 波浪周期水质点每回转一次所需时间(s)， 即波形向前传播一个波长所需的时间。,一、波浪概述,海上波浪实际上是不规则的，它们是由各种不同波长、波高和陡度的波组成的。经观测统计表明，其中有1/10波的波高是平均波高的2倍，称之为最大波高(hw/10）；有1/3波的波高是平均波高的1.6倍，称之为三一平均波高或有义波高(hw/3）。 人们在海上目测的波高很接近有义波高。 有义波高（hw/3）可以用来确定最大有义波的波长 （64） 和最大能量波的波长 （65） 根据这两个波长可以估计出某船在该不规则波中航行时

3、的摇荡情况。,一、波浪概述,2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。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。,一、波浪概述,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，

4、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。通过仔细观察，掌握住海浪的这个规律，就能够选择在较小的波浪时进行操纵较为有利。,二、船在波浪中的运动,1风浪中的船舶摇摆 船舶在波浪作用下，沿着和围绕着通过船重心的X、Y、Z轴作线运动和回转运动。各摇荡运动的名称为： X轴纵荡（surging）和横摇（rolling）； y轴横荡（swaying）和纵摇（pitching）； Z轴垂荡（heavin

5、g）和首摇（yawing）； 船舶在波浪中的摇荡运动，是波浪的强迫摇荡和船舶本身固有的摇荡相结合的复合运动，这种摇荡运动由于受到水阻力的阻尼作用，因而是逐渐衰减的。摇荡的强度取决于波面角的陡度、波浪的周期、船舶本身的摇荡周期与船舶尺度和波长的比例关系。 对船舶安全有威胁的摇摆是横摇、纵摇和垂荡。,二、船在波浪中的运动,2横摇 1）横摇摆幅 船舶在规则波中的强制横摇摆幅可以近似地用下式表示： （66） 式中： 最大波面角，； TR船舶横摇周期（s）； 波浪周期（s）。,二、船在波浪中的运动,从上式可见，船在波浪中横摇的大小，除与最大波面角有关外，主要取决于船舶本身的固有横摇周期TR与波浪周期 的

6、比值。 当 ，即船舶的横摇周期比波浪周期小，则船舶横摇较快，甲板与波面经常保持平行，很少上浪，但船体所受惯性力较大。 当 ，即船舶的横摇周期比波浪周期大，则横摇较慢，并且与波浪不协调，船舷易与波浪撞击，甲板上上浪较多。 当 ，即二者的周期接近相等，船舶摇摆最剧烈，横摇角越摇越大，将会导致船舶倾覆。这种现象称为横谐摇。,二、船在波浪中的运动,谐摇时的横倾角可用下式估算： （67） 式中： 最大波面角。 2）船舶固有的横摇周期 （TR） 船舶在规则波中作小角度（小于15）无阻尼横摇时的周期称为船舶固有横摇周期(natural rolling period)，可用下式求得： 式中：TR船舶固有横摇周

7、期（s）即自一舷横倾至另一舷再回到初始横倾位置所需的时间； B船宽（m）； GM初稳性高度（m）；,二、船在波浪中的运动,C横摇周期系数，客船为0.750.85；货船为0.70.8；油船（重载）为0.70.75；油船（空载）为0.740.94；渔船为0.760.88； 估算时可简单地把C定为0.8。各类船舶的横摇周期如表6一1所示。,3）波浪遭遇周期 （TE） 波浪相对于航行中的船舶的周期即波浪的遭遇周期（也称作波浪视周期）TE。船舶在海上航行时，设其前进方向与波浪来向成一夹角，该夹角称为遭遇浪向角 。顶浪时 =0；顺浪时 =180；横浪时 =90。如图62所示。 上图表示船在波浪中航行的一般

8、状态。直线AB表示以速度C传播的波峰，船以速度V并与波浪传播方向成角航行。,二、船在波浪中的运动,二、船在波浪中的运动,这时，波峰相对船的传播速度即波的表观传播速度（船上观察者所看到的波传播速度）VE为： VE= C+Vcos (69) 显然，波浪的遭遇周期TE为 式中：波长（m）；C波速(m/s),二、船在波浪中的运动,4）减轻横摇的措施 当般舶在波浪中发生横摇谐振运动时，摇摆加剧，如不采取减摇措施，将危及船舶的安全。从操船角度出发，减摇措施有： （1）调整船舶的固有横摇周期 船舶确定航线后，可根据本航次中各海区季节可能经常遭遇的波浪周期，于配载时选择较为合适的船舶摇摆周期，避开谐振区： T

9、R/ TE 1.3（611） 根据式（67）避开谐振的要求，当波长为100220m，其相应的波浪周期约为812s时，则船舶的周期应调整到小于6 s或大于14s，就不会发生谐振了。,二、船在波浪中的运动,（2）改变航向和速度，调节波浪遭遇周期 由式（6一10）可见，改变船速或遭遇浪向角或者同时改变船速与遭遇浪向角，就能改变波浪的遭遇周期，避免谐振运动。这种方法对于航行中的船舶是简便而有效的。 当 =90或270，即正横受浪时，TR =TE，此时改变船速对波浪遭遇周期无影响；只有改变航向才能取得减轻横摇的效果。,二、船在波浪中的运动,3纵摇与垂荡 纵向受浪时，由于船舶的纵摇质量惯矩和水的阻尼力矩很

10、大，同时纵向稳性也较大，所以在波浪的作用下产生的纵摇摆幅比横摇的小，纵倾角一般不超过最大波面角。 当波浪通过船体时，随着浮力的周期变化，使船体作上升和下降的垂荡运动，波高越大，垂荡越激烈。上下运动时水对运动的阻力很大，使运动很快衰减。,二、船在波浪中的运动,1）纵摇周期与纵摇振幅 般舶的纵摇周期可用下列近似公式估算。 (612) 式中：TP船舶纵摇周期（5）： L一船长（m）； CP纵摇周期系数，客船为0.450.55， 客货船为0.540.64，货船为0.540.72， 油船（尾机）为0.800.91。 规则波中的相对纵摇振幅 （纵摇振幅与最大波面角之比）与TP/TE、Fr、 /L 三者的关

11、系如图63所示。,二、船在波浪中的运动,从图中可见： （1）船长与波长的关系对船舶相对纵摇振幅有决定性影响。L1.5 时，相对纵摇振幅小于04，纵摇角较小。船长越大，越趋平稳。L ，相对纵摇振幅急剧增大，正如小船遇长波，船舶纵摇很大，不论船速如何，无法避免。 （2）船舶的纵摇周期与波浪的遭遇周期的关系对于船舶相对纵摇振幅的影响，事实上也一定程度程度上反映了船长与波长之间关系的影响，而且，也反映出船速或傅汝德数的影响。当TP/TE=1时，相对纵摇振幅并不是各曲线的最大值，要想有较低的相对纵摇振幅，各曲线均要求有较高的TP/TE值。从本质上看，这也就要求具有船较长、波较短的条件。船舶顶浪航行，当船

12、速一定时，总的趋势是相对纵摇摆振随TP/TE的增大而降低。,二、船在波浪中的运动,(3）船速对船舶相对纵摇振幅的影响。由于船速（用佛汝德数Fr表示）当中也包含船长因素在内，所以当船速相同时，较长的船具有较小的Fr和较高的TP/TE，相对纵摇振幅也将相应的降低。海上航行对操船者来说，船长和波浪均为客观给定的条件，可以调整的对象仅船速和航向而已。激烈的纵摇容易产生拍底和甲板上浪现象，适当降低船速，可缓解上述不利因素。 （4）THTE对垂荡运动振幅也有影响；但由于垂荡运动与纵摇一样也具有高阻尼性，故THTE的影响是随阻尼大小而变化的，也随船速不同而不同。一般说来，在船长波短船速较高的条件下，THTE

13、处于0.8附近将出现较大的相对垂荡振幅。然而毕竟垂荡运动是高阻尼的，所以即使出现垂荡谐振也不会有很高的相对垂荡振幅。,二、船在波浪中的运动,2）垂荡周期与垂荡振幅 船舶的垂荡周期可用下列近似公式估算： 式中：TH船舶垂荡周期（s）； d船舶平均吃水（m）。,船舶的垂荡周期和纵摇周期很接近，后者稍大于前者。一般船舶均具有TRTPTH的关系，后二者约为前者的一半。垂荡运动的强迫位移为： 式中： 有效波高系数，是由 /L决定的，它和垂荡运动的强迫力系数相当； h 1/2波高； 倍率系数，取决于垂荡频 率与波长之比（ ）。 如式（6一14）所示，垂荡运动 是由波高h与 （即TH/TE）之比来 决定的，

14、波高越大，垂荡越激烈。 如图64,二、船在波浪中的运动,二、船在波浪中的运动,由图64可得到： （1）垂荡运动振幅与波高成正比，波越高，垂荡振幅越大。 （2）垂荡运动振幅受有效波高系数影响极大。值大体上与垂荡运动强迫力系数相当，当时不论其余条件如何，甚至即使出现谐振，垂荡振幅仍然很小；当 时，相对垂荡振幅将逐渐增大，也就是说在波长船短的情况下不可避免地出现随波垂荡的情况。,二、船在波浪中的运动,（3）船舶垂荡相对振幅也受船速的影响。当 时，船速的影响较小；当 时，船速越高，垂荡越激烈。因此，当波长船短时适当降速将大大缓解船舶垂荡的激烈程度。 （4）THTE对垂荡运动振幅也有影响；但由于垂荡运动

15、与纵摇一样也具有高阻尼性，故THTE的影响是随阻尼大小而变化的，也随船速不同而不同。一般说来，在船长波短船速较高的条件下，THTE处于0.8附近将出现较大的相对垂荡振幅。然而毕竟垂荡运动是高阻尼的，所以即使出现垂荡谐振也不会有很高的相对垂荡振幅。,二、船在波浪中的运动,3）船舶在不规则波中的纵摇情况 船舶在不规则波中顶浪前进，它相当于遭遇一系列波长变化的规则波的作用，这时不再适用谐摇的概念，而需用临界状态的概念来说明船舶的摇摆情况。 当船舶的纵摇周期TR和波浪TE相等时，将发生谐摇。如已知船舶的航行速度，则根据式（6一2）和（6一11）可推算出谐摇波长 根据谐摇波长和船长的关系，可以确定船舶所

16、处的临界状态，从而判断船舶的摇荡情况。,二、船在波浪中的运动,（1）亚临界区域 船舶以某一速度航行，当谐摇波长小于3/4船长时，该船处于亚临界区域，这一速度相当于低速。此时，纵摇和垂荡都比较缓和，甲板干燥。不产生砰击。 （2）超临界区域 当谐摇波长大于最大有义时，该船处于超临界区域，船舶的纵摇和垂荡中等。这相当于中速货船在小波中航行，或快艇顶着中等海浪航行的情况。但在大浪中一般商船难以达到这么高的速度。,二、船在波浪中的运动,（3）临界区域 当谐摇波长介于船长和最大能量波长最大能量之间时，该船处于临界区域。此时，船舶的纵摇和垂荡都非常严重，可能出现强烈的拍底和上浪。所有船舶都有可能处于临界区域。为了减轻摇荡，须避开临界区域，其有效的方法是将船速降低到保持舵效的速度。 根据以上临界状态的划分，我们可以根据遭遇的波浪要素来判断顶浪航行时船舶的摇荡情况。,三、大风浪中航行时所遭受的危害,1.横向受浪时所产生的危害 横向受浪航行中，船舶容易出