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1、第三章 外界因素对操船的影响,第一节 风对操船的影响 第二节 流对操船的影响 第三节 受限水域的影响 第四节 船间效应,一、风力和风力转船力矩 二、水动力与水动力转船力矩 三、风致偏转 四、风致漂移 五、强风中操船的可保向界限,第一节 风对操船的影响,1. 风力 船舶水面以上面积(简称受风面积)的风压总和称为风压力。风压力的作用改变了船舶的动力学状态，进而改变了船舶的运动状态。,船舶所受的风力可用Hughes公式予以估算：,式中： a 为空气密度，为0.125kgsec2/m4； 为相对风舷角； Ca为风力系数，其值随风舷角以及 船体水线以上受风面 积的形状的变化而变化； a 为相对风速（m/
2、s）； Aa为水线以上船体正投影面积（m2）； Ba为水线以上船体侧投影面积（m2）； Fa为水线以上船体所受的风力（N）；,作用于船舶的风压力大小与风速、受风面积、风舷角以及船型(风压力系数)等因素有关。风速增加，风压力也增大。在风速、风向一定的情况下，受风面积越大，风压力也就越大，例如，船舶压载状态比满载状态受风面积大；集装箱船和客船比油船和散货船受风面积大，则风压力也相应较大。,1）风力系数Ca 船型不同，同一相对风舷角下的风压系数差别较大。从船体水上面积形状来看，横向受风面积分布较为均匀的LNG、VLCC油船，它们的风压系数和较小；而受风面积较大的客船、集装箱船等的风压系数较大；同一船
3、舶，吃水不同其风压系数也不相同，随着吃水的增大，风压系数值略有减小。VLCC船舶满载时的风压力矩系数与其他类型船舶比较，有明显的差别，在=0180范围内均为负值，这说明，任何方向来风VLCC船首均向上风偏转。其他船型的风压系数随相对风舷角的变化比较有规律，且差别不是很大。 风力系数Ca随相对风舷角的变化曲线为一马鞍形曲线。当风舷角0度或180度时，风力系数Ca值为最小；当风舷角3040度或140160度时，风力系数Ca值为最大；当风舷角90度左右时，风力系数Ca值较小，但船舶所受的风力值达到最大。,除VLCC船外，对于同一类船型，风压系数取决于相对风舷角的大小。当相对风舷角0或180时，风压系
4、数最小。顶风和顺风仅对船速有影响，而对横向运动和转动状态没有影响；当相对风舷角30或160时，风压系数为最大，这时风对船速的影响最大，并对横向运动和转动状态都有影响；当相对风舷角5060或120140时，则风不但对船速有影响，且对横向运动和转动状态影响最大，当相对风舷角90时，这说明横风对船速没有影响，对横向运动状态影响最大，对转动状态影响较小。 对于满载VLCC船舶，当相对风舷角135140时，其风压力矩系数最大，说明该方向来风最不易保向。,2）风力作用中心位置a/Lpp 风压力中心位置是指受风面积中心沿纵向的位置， 风力作用中心至船首的距离a与两柱间船长Lpp的比值随风舷角的增大近似呈线性
5、增加，其值大约在0.30.8之间,风压力中心的位置 由岩井聪给出一个估算式 当由001800变化时，a/Lpp在都在0.30.8范围之间。 当=900左右即船舶正横风时，a0.5Lpp，即风压力中心在船中附近，当900时，a中心之后 平吃水时，受风面积中心大多位于船中之后，则其风压力中心大多比较靠后；船舶压载状态尾倾较大时，受风面积中心可能位于船中之前，则其风压力中心比较靠前。,3）风力角 风压力Fa与船首尾线的夹角 ，称为风压力角,式中，Cay为横向风力系数；Cax为纵向风力系数。 岩井聪也给出一个估算式：,风压力角取决于相对风舷角、受风面积以及船型等因素。一般船舶侧面受风面积远大于正面受风
6、面积，且在不是顶风或顺风时，横向风压力系数通常大于纵向风压力系数，因此，风压力的方向总是较风的来向更接近于正横方向。 风压力角随相对风舷角的变化而变化，当相对风舷角0或180时，风压力角0或180，即顶风或顺风时不产生横向风压力；当90时，风压力角90，即横风时不产生纵向风压力；当风舷角为40140时，风压力角80100。,2.风力转船力矩 风力转船力矩与风力有相类似的表达形式，即： 式中，Na为风力转船力矩（Nm）； CNa为风力转船力矩系数； L为船长；,当已经求得船舶所受的风力、风力作用中心以及风力角时，风力转船力矩也可按下式计算。 NaFasin(lGa) Fasin(L/2a) 式中
7、，lG为船舶重心至船首的距离。,在船舶靠泊中，当船首或船尾处于一端用系缆固定于泊位时，估算船舶所受的风力转船力矩则应根据船舶实际受约束状态进行计算。 NaFasina （船首固定时） NaFasin(La) （船尾固定时） 另外： l风速变动不明显时，可取平均风速； l强风中，可取1.25倍平均风速； l风暴中，可取1.50倍平均风速。,二、水动力与水动力转船力矩1. 水动力,1）水动力的大小 当船舶与周围的水存在相对运动时，船舶所受的水动力FW可用下式估算： 式中， FW为水动力（N）； W为水密度，为104.5kgsec2/m4； CW为水动力系数，其值随漂角以及船体水下形状等因素的变化而
8、变化；为漂角，即相对水流与船舶首尾面的夹角； W为船舶与水的相对速度（m/s）； L为船舶水线长度（m）； d为船舶吃水（m）；,在深水中，超大型船舶的纵向附加质量mx0.07m；横向附加质量my0.75m；附加惯性矩Jz1.0m。,2）水动力角：水动力角是指水动力合力方向与船舶首尾线之间的交角 除了船舶进行纯纵向运动或纯横向运动，水动力角总是较漂角更接近正横方向。,水动力角是指水动力FW与船舶首尾面的夹角。与风力角相类似，水动力角取决于横向水动力和纵向水动力的比值，即：,3）水动力作用中心,水动力作用中心距离船首的距离与船长之比aW/L，随漂角的增大而增大。即随着漂角的增大，水动力作用中心自
9、距离船首0.25L渐次移至0.75L处。 空载或压载时往往尾倾较大，尾部水下侧面积较首部大得多，水动力作用中心要比满载平吃水时明显后移。 当900时，w在中心之后。,2. 水动力转船力矩,水动力转船力矩可以表达成与水动力相类似的形式， 即： 式中，CNW为水动力转船力矩系数，随漂角、水深吃水比、船体水线以下形状等的变化而变化。,影响船体水动力的因素 船舶的几何特征 船舶的运动特征 航行水域的几何特征,三、风致偏转,船舶在风中的偏转是船舶所受的风力转船力矩和水动力转船力矩共同作用的结果。船舶的偏转情况可以分为两种，即迎风偏转和背风偏转。,按船舶各种运动状态来定性分析风致偏转规律,1. 船舶静止中
10、,2. 船舶在前进中,3. 船舶在后退中,船舶在风中的偏转规律，可以归纳为：,（1）船舶在静止中或船速接近于零时，船舶将顺风或逆风偏转至接近风舷角1000左右向下风漂移。 （2）船舶在前进中，正横前来风、慢速、空船、尾倾、船首受风面积较大的船舶，船首顺风偏转；前进速度较大的船舶或满载或半载、首倾、船尾受风面积较大的船舶，船首将迎风偏转；正横后来风，船舶将呈现极强的迎风偏转性。,（3）船舶在后退中，在一定风速下并有一定的退速时，船舶迎风偏转，这就是我们通常所说的尾找风现象，正横前来风比正横后来风显著，左舷来风比右舷来风显著；退速极低时，船舶的偏转与静止时的情况相同，并受倒车横向力的影响，船尾不一
11、定迎风。,四、风致漂移,静水中的船舶因风的直接作用和水动力的间接作用而产生的横向运动称为风致漂移。 1. 停船时的漂移速度 2. 航行中的风致漂移速度,1. 停船时的漂移速度 停船时，受风漂移，其漂移速度由风压力Ya和水动力Yw达到相等来决定： 有估算式： Va为风速（m/s）； L为船舶水线面长度（m）； d船舶实际平均吃水（m）； Ba船体水线以上侧面积（m2）。,空载时： 满载时：,2. 航行中的风致漂移速度,根据实船试验，船舶航行中受正横风影响的漂移速度与停船时的漂移速度有如下关系： 式中， 为船舶航行中的漂移速度（m/s）； 为停船时的漂移速度（m/s）； 为船舶航行速度（kn）。,
12、五、强风中操船的可保向界限,图319 强风中操船的可保向界限曲线,由图可知：,1）风舷角6001200时，曲线位置较低，可保向范围小。 2）当相对风向逐渐向首、尾靠拢时，曲线位置升高，可保向范围扩大。 3）船首附近来风时的可保向曲线要比船尾附近来风时的曲线要高得多。 4）强风中船舶保向性总的说来随风速的降低而提高，随船速的降低而降低，增大舵角可提高保向性。 另外，对于不同类型的船舶而言，水线上下侧面积之比较大的船舶其保向性较差；浅水对强风中船舶的可保向界限的影响甚微。,图320 低速航进中可保向的极限风速,第二节 流对操船的影响,一、流对船速、冲程的影响 二、流对舵效和旋回的影响,图321 斜
13、顶流靠泊时的速度合成,顶流中，冲程较小，流速越大冲程越小；顺流中则冲程增大，因此在顺流进港时，针对停车后降速过程非常缓慢的特点，一方面应及早停车淌航，另一方面应及时地运用倒车、抛锚或拖轮进行减速制动。,二、流对舵效和旋回的影响,1. 流对舵力、舵效的影响 舵力及其转船力矩与舵对水的相对速度的平方成正比，不论顶流还是顺流，只要对相对速度相等、舵角和桨转速等条件相同，舵力及力矩就相同，但顶流舵效好，其原因是，顶流时可在较短的距离上使船首转过较大的角度，且易把定，操纵为灵活。 注意：重载船在强流中，由于流压力矩的作用，船舶迎流转向时，舵效反而变差.,2. 流对旋回的影响,根据经验，船舶在有流水域中旋
14、回掉头的漂移距离，可用下式估算： Dd c t80 式中：Dd为旋回中的流致漂移距离（m）； c为流速（m/s）； t为掉头所用的时间（s）。,掉头所用的时间t因船而异，主要取决于船舶的排水量，船舶满载时的掉头时间可估算为： 吨位： 旋回1800约需时间： 0.5万吨 3.0min 1.0万吨 3.5min 5.0万吨 4.5min 10.0万吨 5.5min 20.0万吨 6.5min,第三节 受限水域的影响,一、受限水域影响的概况 二、移动阻力的增加及航行于浅水时的降速 三、航行中船体下沉与纵倾变化 四、浅水对操纵性的影响 五、岸壁效应与狭水道保向 六、浅水域航行时的富余水深,受限水域是指
15、对于所操纵的船舶而言水深较浅的水域和宽度较窄的水道。,一、受限水域影响的概况,1. 出现受限水域影响的水深及航道宽度 2. 浅水影响概要 3. 窄水影响概要,1出现受限水域影响的水深及航道宽度,1）水深 相对而言，因船有大小之分，故是否属于浅水域应依水深与船舶吃水之比H/d而定, H/d值，也称为相对水深，在船舶操纵中是一个很重要的概念。根据霍夫特的研究可作如下界定。 （1）从对船体前进时阻力的影响来区分，低速船以H/d4，高速船以H/d10，即可作浅水域对待。 （2）从出现对船体横向运动的影响来区分，以H/d2.5为界作浅水域对待；同时，该数值也可作为对船舶前进中的操纵性有影响的水深界限。
16、（3）对操纵性有较明显影响，并达到易发现程度的水深则应以H/d1.5来界定。,2）航道宽度 从操船角度分析，通常认为应以航道有效宽度W与船长之比而定。 （1）考虑到出现岸壁效应时，应以W/L2来界定，作为窄水域对待。 （2）对操纵性有明显影响，并达到易发现程度的航道宽度则应以W/L1来界定。 应注意的是，上述航道宽度W是指航道的底部宽度，而非平均宽度和水面宽度。,2浅水影响概要,从船舶运动来看，由深水域驶入浅水域将出现以下现象。 1）船舶阻力增大，船速降低；同转速下船速较深水域为低。 2）船体中部低压区向船尾扩展，船体下沉，并伴随纵倾变化。 3）船尾伴流增强，螺旋桨上下桨叶推力之差较深水明显，因此将出现较深水更为明显的船体振动。 4）船舶在浅水域内旋回时，因旋回阻矩增加，旋回性将变差，而航向稳定性反而变好。,3窄水影响概要,当船舶偏离航道中央而接近航道一侧岸壁时，将出现偏航和偏转效应，即岸壁效
