恶劣气象条件下的船舶操纵

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1、1第六章第六章 恶劣气象条件下的船舶操纵恶劣气象条件下的船舶操纵说课笔记知识与技能掌握要点：通过学习，了解波浪理论知识。为航海学等课程的深入学习打好基础。为岗位操作船 舶技能，提供理论依据; 掌握大风浪中操船措施及避离台风的操船措施;工学结合：挪威船东协会教学录象，以及 http:/ 深入理解波浪理论; 原上海海运局朱熹船长抗台案例介绍.课程教学特色：通过学生接触大量案例，触类旁通；提供原始素材，让学生沿阅读、思考、理解、执笔程序写抗台报告。加深对知识的理 解。船舶在复杂多变的海上航行，遇到狂风巨浪的袭击是在所难免的。那么，怎样才能战 胜自然，克服因难呢？一方面，要求船舶要有良好的适航性；另一

2、方面，要求船舶驾驶人 员了解风浪，熟悉船舶在风浪中运动规律，并针对客观规律，采取正确的操船措施，从而 确保船舶在恶劣气象条件下安全航行。第一节第一节 海浪知识概述海浪知识概述一、海浪的形成海浪是发生在海洋中的一种波动，是海水运动的主要形式之一。海浪按其形成的原因 可分成风浪和涌浪、潮汐浪、气压浪、地震浪（海啸）及船舶兴波等很多种类，但船舶航 行时最常遇到的是风浪和涌浪。 风浪是由风的直接作用，将能量传给海洋引起的水面波动。风浪离开风区传到远处或 风区里风停息后所存在的波浪，称为涌浪。海上风浪要得以发展，与风速、风时、风区有 关。风速越大，产生的风浪也越大；风时越长，海水获得的动能越大，风浪也就

3、越大；风 区越大，浪在风区内移动越远，风浪就越发展。涌浪在传播过程中，随着传播距离的增加，波高逐渐降低，周期不断增大。我们知道， 涌浪传播速度往往比海上风暴系统的移速快得多，常把涌浪作为预测台风或风暴来临的征 兆。2二、规则波波面可用简单函数表达的波浪称为规则波。规则波不仅能近似地表示涌，而且也是研 究不规则波的基础，规则波的要素如下： 如图 61 所示，图中 波高 H：波面最高点与最低点之间的垂直距离（m） ； 波长：两个相邻的波峰或波谷间的水平距离（m） ； 波速 Vw：波形向前传播的速度（m/s） ； 波浪周期 Tw：水质点每回转一周所需的时(s） ，即波形向前传播一个波长所需的时间。波

4、面角（wave slope angle） ；波面上某一点的切线与水平线间的夹角，用来表示波 表面的倾斜度。 陡度（wave steepness）：波高与波长之比 H/，用来表示波的陡峭程度。图 61 这些波浪要素之间存在如下的相互关系：波速 Vw1.25（m/s）波浪周期 Tw0.80（s）波长1.56T2w（m）此外，最大波面角m=H有关各海区不同季节的波浪要素可以从航路指南等有关资料中找出。大洋中最容易产 生的波浪的波长是 80140m，波浪周期为 710s，陡度最大的为 1/10，一般大洋波的陡度 为 1/301/40。三、不规则波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

5、度的波组成的，而且 由于海区地形的关系，波浪的不规则性更为复杂。但不规则波是由无数单元规则波迭加而 成的，经过大量的统计观察表明，如果外界条件没有显著变化，波浪的出现有其一定的规 律性。为了简便，常以一种波高来说明波浪的状况，通常使用的几种方法有： 平均波高：即所有波高的平均值； 均方根波高：即将所有波高平方相加，求平均值后再开方； 合成波高：海上风浪和涌浪并存时，可采用合成波高表示海面状况。 部分大波的平均波高：有时将观测到的波高按大小排列起来，并就最大的一部分波高 计算平均值，称为部分大波的平均波高。例如：对于最高的 1/100，1/10，1/3 的波，其平 均波高分别以符号 H1/100

6、，H1/10，H1/3表示。它们的意义是如果共观测 1000 个波，则分别3代表最高的 10、100、333 个波的平均波高。部分大波平均波高反映出海浪的显著部分或特 别显著部分的状态。习惯上还将 H1/3称为有效波高，其周期称为有效波周期，具有这种波 高的波称为有效波，有效波是一个统计量，它非常接近于有经验的驾驶人员直接目测的波 高。波浪预报部门通常是用有效波来作波浪预报的。故常把有效波高 H1/3设为 1，并用统 计法求得平均波高 Hm为 0.63，1/10 最大波的波高 H1/10为 1.27，1/100 最大波高 H1/100为 1.61。 通常采用部分大波的波高来表示波浪的要素，1/

7、10 最大波的波高 H1/10为平均波高的 2 倍（1.27/0.632） ，1/3 最大波的波高 H1/3为平均波高的 1.6 倍（1/0.631.6） 。有效波波高可 以用来确定最大有效波的波长以及最大能量波的波长：最大有效=60H1/3最大能量=40H1/3 根据这两个波长可以估计出某船在该不规则波中航行时的摇荡情况。所谓 最大有效波的波长是指波长超过一定范围的波，它在整个单元波中所占比例很 小，不具备使船舶产生很大摇摆的能量，这个波长界线称为最大有效波长。四、波形的变化规律当水深大于/2 时为深水波，当水深小于/2 时为浅水波。在深水中的波浪，波长长， 波速大而周期长。因海浪是各种不同

8、周期浪的组合，所以每一组波浪中，大浪与小浪总是 有秩序的重复出现，即每组连续的浪都是逐渐增大，然后又逐渐减小，周而复始。一般情 况下，连着三四个大浪之后，接着是七八个小浪，俗称三大八小。每组浪的具体周期，浪 的强度以及大浪和小浪的数目，则因各种风型、风速和海区而异，在航行中可通过观察来 确定当时海浪的规律。 在浅水中，由于波浪底部受海底摩擦，速度减慢，所以波峰速度要比波谷快，这样波 形就起了变化，波峰向前弯曲，波长变短，波高越来越大，浪变得陡而且高，然后在行进 中破碎，俗称开花浪。在海岸附近，这些开花浪为海岸所阻，又产生反拍浪，这些浪对船 舶冲击力较大，对近岸航行的船舶有一定的威胁。第二节第二

9、节 船舶在波浪中的运动船舶在波浪中的运动一、船舶在波浪中各种运动的名称船舶在风浪中航行时，其运动情况比较复杂，通常将船舶的复杂运动简化分解成六个 自由度的运动。如图 62 所示，将重心 G 取为固定于船体的直角坐标系的原点，则船舶 运动可分解成沿三个坐标的运动和绕三个坐标轴的转动。其运动名称如表 61 所示。表 61直线运动（translation）回转运动（rotaion）种类名称坐标轴单向运动往复移动单向回转往复回转X 轴进/退(ahead/astern)纵荡 (sruge)横倾（heel）横摇（roll）Y 轴横移 (drift)横荡 (sway）纵倾（trim）纵摇（pitch）Z 轴

10、升/沉 (float/sink)垂荡 (heave)旋回（turn）首摇（yaw）在上表的所有运动中，运动显著而且与船舶安全操纵密切相关的是横摇、纵摇垂荡和 首摇。4横摇涉及船舶的稳性，有时会引起货物移动，致使船舶横倾，过大的横倾可能导致船 舶倾覆（capsizing） 。 纵摇会导致降速，还会引起船首上浪而使甲板货、甲板设备损坏，同时纵摇使船体特 别是其前部因受到浪的冲击力而受损，此外纵摇引起螺旋桨空转将给主机运转造成障碍。 垂荡也是一种有害于船舶航行的运动，往往与纵摇同时产生，造成船舶失速，主机功 率得不到充分利用，垂荡相位若与纵摇相位相差不多，二者共同作用下将会引起船舶激烈 的拍底、上浪

11、、螺旋桨空转。 首摇对船舶在风浪中航行时的保向性有重大影响，尤其在斜顺浪航行时，首摇明显， 危险时会导致船体打横。图 62二、波浪对船舶运动的影响1.横摇(rool) 船舶在风浪中绕 X 轴横向的摇摆运动称为横摇。大幅度的横摇对保持稳性来说是不利 的，在波浪中操船，必须预先妥善配载并根据风流情况来选择航向和航速，以力求减轻 横摇。 1)横摇摆幅与周期 横摇状态主要用摆幅和周期 T来表示。摆幅是船舶自正浮向一舷横倾时的横倾角。 船舶在规则波中的强制横摇摆幅可以近似地用下式表示：2max)(1ETT （61）式中: max最大波面角，H； T船舶横摇周期（rolling period）(s)；T波

12、浪遭遇周期（period of encounter）(s)。 横摇周期是船舶自一舷横倾到另一舷，又自另一舷回到初始横倾位置所需的时间。表 62 是各类船舶横摇周期的数值范围。一般船舶横摇周期可用下式估算：5GMBCT （62） 式中：T横摇周期（s） ；B船宽（m） ；GM初稳心高度（m） ；C横摇周期系数，客船为0.750.85,货船为 0.70.8,油轮为 0.70.94,估 算 T时常把 C简单地定为 0.8。 2)波浪遭遇周期 TE 波浪相对于航行中船舶的周期称为波浪 遭遇周期。如图 63 所示,设船舶航行时其前进方向与波浪传播方向成一夹角(即遭遇 角),则波浪遭遇周期 TE为:TE

13、= （6 3）VW + VS cos 式中：VW波速（m/s） ；VS航速（m/s） ；波长(m)；船首遭遇波浪的夹角。图 63 3)影响横摇大小的因素最大波面角 max:max越大，波浪能量越大，波长短而波高大，横摇摆幅就成正比 增加。 主要取决于横摇周期 T与波浪遭遇周期（Period of encounter）TE的比值。T 当 1 时，横摇较快，很少上浪，但船体受惯性力大。TET 当 1 时，横摇较慢，角度不大，但甲板上浪较多。TET表表 62船舶种类横摇周期 T（S）客船5001000t 10005000t 500010000t 1000030000t 3000050000t69 9

14、13 1315 1620 2028货 船满 载 压 载914 710拖 轮686当 1 时，横摇最激烈，横摇角越摇越大，船舶横摇将出现最大横摇摆幅，严 重时TE 将导致船舶倾覆。这种现象称为谐摇（synchronize rolling）.4)减轻横摇的措施 调整船舶的横摇周期 船舶航线确定后，应根据本航次各海区季节可能经常遭遇的波浪周期，在配载时调整 初稳心高度 GM，使其避免与波浪周期一致而谐摇。在稳性允许条件下，尽量使之避开谐摇 区，即0.7TT1.3改变航向 、航速以减轻横摇由(63)式可知，改变航速或航向，或者同时改变航速与航向，就能改变波浪的遭遇 周期，避免谐摇。这种方法是航行中船舶

15、减轻横摇的简便而有效的方法。但应注意:当=90或 270，即正横受浪时，船舶横摇剧烈，若仅改变航速是无效的，只有改变航向才 能取得减轻横摇的效果。 2.纵摇(pitch)与垂荡(heave) 当波浪通过船体时，随着船体附近波形的变化，浮心作前后方向的周期性移动，将引 起船舶纵摇；因船体浸水面积变动，使得浮心上下移动，从而导致船舶重心在其垂直轴上 的上下运动就是垂荡运动。由于船首尾形状不对称，一般船在迎浪航行时，同时发生纵摇 和垂荡，纵摇能引起垂荡，垂荡也能引起纵摇。 1)船舶纵摇、垂荡周期 船舶纵摇周期可用下列近似公式估算:TP = CPL（64）式中:TP-船舶纵摇周期(s)；L船长(m)；CP-纵横周期系数，其中客船取 0.450.55；客货船取 0.540.64；货船取0.540.72；油船（尾机型）取 0.800.91 。 船舶垂荡周期可用下列近似公式估算：mZdT4 . 2（65）式中：TZ船舶垂荡周期（s ） ；dM船舶平均吃水（m） 。 可以证明，船舶垂荡周期和纵摇周期比较接近，后者略大于前者，它们约为船舶横摇 周期的一半。一般船舶均具有 T TP TZ的关系。船舶固有纵摇和垂荡周期的范围为： 货船 46 s；客船（1000t 以下）57s；渔船 34s。 2）影响纵摇摆幅的因素：