船舶操纵第六章(1)

1、第六章第六章 大风浪中船舶操大风浪中船舶操 纵纵 第一节第一节 船舶在波浪中的运动船舶在波浪中的运动 第二节第二节 船舶摇摆幅度及影响因素船舶摇摆幅度及影响因素 第四节第四节 大风浪及避台操纵方法大风浪及避台操纵方法 第三节第三节 纵向受浪的危害纵向受浪的危害 第一节第一节 船舶在波浪中的运动船舶在波浪中的运动 一、波浪及其要素一、波浪及其要素 二、波浪要素的简单估算二、波浪要素的简单估算 三、波浪的分类及其特点三、波浪的分类及其特点 四、船在波浪中的运动四、船在波浪中的运动 一、波浪及其要素一、波浪及其要素 波浪是指水质点在重力和表面张力作用下以其原有平波浪是指水质点在重力和表面张力作用下以

2、其原有平 衡位置为中心，在垂直方向上作周期性圆周运动的现象。衡位置为中心，在垂直方向上作周期性圆周运动的现象。 表征波浪特征的几何要素见图。表征波浪特征的几何要素见图。 波高波高H波形最高点与波形最低点波形最高点与波形最低点 之间的垂直距离之间的垂直距离(m)。 波浪周期波浪周期T水质点每回转一次所水质点每回转一次所 需时间需时间(s)。 波速波速C波形向前移动的速度波形向前移动的速度(m/s) 波长波长两个相邻波峰或波谷间的两个相邻波峰或波谷间的 水平距离水平距离(m) 波陡波陡H/ 波高与波长的比。波高与波长的比。 二、波浪要素的简单估算二、波浪要素的简单估算 1、规则波、规则波 波数和波

3、频率的计算：波数和波频率的计算： T k 22 2、不规则波、不规则波 波列：经过一定时间的观测，将观测到的波高按从大波列：经过一定时间的观测，将观测到的波高按从大 到小依序排列起来即为波列。到小依序排列起来即为波列。 其中有其中有1/10波的波高是平均波高的波的波高是平均波高的2倍，称之为最大倍，称之为最大 波高波高(hw/10）；）； 有有1/3波的波高是平均波高的波的波高是平均波高的1.6倍，称之为三一平均倍，称之为三一平均 波高或波高或有义波高有义波高(hw/3）。）。 人们在海上目测的波高很接近有义波高人们在海上目测的波高很接近有义波高。 可以用来确定最大有义波的波长：可以用来确定最

4、大有义波的波长： 3/w h60 最大有义 3/w h40 最大能量 三、波浪的分类及其特点三、波浪的分类及其特点 1、风浪及涌浪、风浪及涌浪 按成因分类：风浪、海啸、潮波和船行波。按成因分类：风浪、海啸、潮波和船行波。 海洋中的波浪主要是风浪，风区内的波称为波浪海洋中的波浪主要是风浪，风区内的波称为波浪 (T10s) 当水深当水深h与波长与波长的比即的比即h/2020时的波浪称为浅时的波浪称为浅 水波。浅水波的波速水波。浅水波的波速 , ,可见浅水波的波速可见浅水波的波速 与波长和周期无关，与水深的平方根成正比。与波长和周期无关，与水深的平方根成正比。 按波长分类：长波（浅水波）和短波（深水

5、波）。按波长分类：长波（浅水波）和短波（深水波）。 2、浅水区波浪、浅水区波浪 ghc 三、波浪的分类及其特点三、波浪的分类及其特点 3、波浪破碎、波浪破碎 4、波浪的折射与干扰、波浪的折射与干扰 当波浪由深海传播至浅海时，由于水深变浅，波谷当波浪由深海传播至浅海时，由于水深变浅，波谷 处水分子速度下降，波形向前倾倒，导致波浪破碎。处水分子速度下降，波形向前倾倒，导致波浪破碎。 波浪破碎时约有波浪破碎时约有60%的波浪能量逸出，会对船舶产的波浪能量逸出，会对船舶产 生较大的冲击力。生较大的冲击力。 波浪折射将导致波峰线与海岸平行。波浪折射将导致波峰线与海岸平行。 波浪的相互干扰将形成三角浪，或

6、周期性的波浪的相互干扰将形成三角浪，或周期性的 几个小浪后接着几个大浪。几个小浪后接着几个大浪。 5、灾害性海浪、灾害性海浪 可能对船舶引起灾害的海浪称为灾害性海可能对船舶引起灾害的海浪称为灾害性海 浪。是一个相对的概念。浪。是一个相对的概念。 小型船如游艇，渔船小型船如游艇，渔船2.5-3m; 1000-10000t的沿海近海船的沿海近海船4-6m; 50000t级的远洋船级的远洋船6-8m; 20万吨以上的大船，万吨以上的大船，9m以上。以上。 四、船在波浪中的运动四、船在波浪中的运动 1、船舶在波浪中的摇荡、船舶在波浪中的摇荡 2、波浪遭遇周期、波浪遭遇周期 1）定义：波浪相对于运动中的

7、船舶的周期称）定义：波浪相对于运动中的船舶的周期称 为波浪遭遇周期，一般用为波浪遭遇周期，一般用TE表示。表示。 四、船在波浪中的运动四、船在波浪中的运动 2）波浪遭遇周期的计算）波浪遭遇周期的计算 遭遇周期：遭遇周期： 上式中当船速上式中当船速V为零为零 时，遭遇周期即为波时，遭遇周期即为波 浪周期。浪周期。 相对波速：相对波速： cosVcVe cosVCV T E E 四、船在波浪中的运动四、船在波浪中的运动 3、波向角及船舶摇摆程度、波向角及船舶摇摆程度 4、谐摇运动及其危害、谐摇运动及其危害 当船舶自由摇摆周期及当船舶自由摇摆周期及 （或频率）近似等于遭（或频率）近似等于遭 遇周期（

8、或频率）时，遇周期（或频率）时， 船舶将发生谐摇运动。船舶将发生谐摇运动。 横向谐摇可能造成船舶横向谐摇可能造成船舶 横倾角过大，甚至倾覆。横倾角过大，甚至倾覆。 纵向谐摇可能产生拍底、纵向谐摇可能产生拍底、 飞车以及船体结构强度飞车以及船体结构强度 受损。受损。 第二节第二节 船舶摇摆幅度及影响因素船舶摇摆幅度及影响因素 一、横摇运动一、横摇运动 二、纵摇运动二、纵摇运动 三、垂荡运动三、垂荡运动 一、横摇运动一、横摇运动 1、横摇摆幅、横摇摆幅 式中：式中： 最大波面角，；最大波面角，； TR船舶横摇周期（船舶横摇周期（s）；）； TE波浪周期（波浪周期（s）。）。 2 0 )(1 E R

9、 T T a 船舶在规则波中的强制横摇摆幅一般用横摇角表船舶在规则波中的强制横摇摆幅一般用横摇角表 示，近似计算公式为：示，近似计算公式为： 0 a 一、横摇运动一、横摇运动 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关外，主要取决于船舶本身的固有横摇周期TR与波浪周期与波浪周期 的的 比值。比值。 当舶的横摇周期比波浪周期小，则船舶横摇较快，甲板当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。与波面经常保持平行，很少上浪，但船体所受惯性力较大

10、。 当船舶的横摇周期比波浪周期大，则横摇较慢，并且与当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。波浪不协调，船舷易与波浪撞击，甲板上上浪较多。 当二者的周期接近相等，船舶摇摆最剧烈，横摇角越摇当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。越大，将会导致船舶倾覆。这种现象称为横谐摇。 一、横摇运动一、横摇运动 2、减轻横摇的措施、减轻横摇的措施 1）调整船舶自由横摇周期）调整船舶自由横摇周期 2）调整波浪遭遇周期）调整波浪遭遇周期 船舶自由横摇周期公式为：船舶自由横摇周期公式为：GM CB TR

11、调整航向和航速调整航向和航速 式中：式中：TR船舶固有横摇周期船舶固有横摇周期(s)即自一舷横倾至即自一舷横倾至 另一舷再回到初始横倾位置所需的时间；另一舷再回到初始横倾位置所需的时间； B船宽（船宽（m）；）； GM初稳性高度（初稳性高度（m）；）； C横摇周期系数，客船为横摇周期系数，客船为0.750.85；货船为；货船为 0.70.8；油船（重载）为；油船（重载）为0.70.75；油船；油船 （空载）为（空载）为0.740.94；渔船为；渔船为0.760.88； 二、纵摇运动二、纵摇运动 1、纵摇摆幅、纵摇摆幅 船舶在波浪中的纵摇幅度为纵摇摆幅。一般用纵船舶在波浪中的纵摇幅度为纵摇摆幅。

12、一般用纵 摇角表示，其大小与遭遇周期、船速、以及波长摇角表示，其大小与遭遇周期、船速、以及波长 与船速的比与船速的比/L/L有关。有关。 二、纵摇运动二、纵摇运动 2、减轻纵摇的措施、减轻纵摇的措施 船舶自由纵摇周期船舶自由纵摇周期 近似估算公式为：近似估算公式为： 式中：式中：TP船舶纵摇周期（船舶纵摇周期（S）：）： L船长（船长（m）；）； CP纵摇周期系数，客船为纵摇周期系数，客船为0.450.55， 客货船为客货船为0.540.64，货船为，货船为0.54 0.72，油船（尾机）为，油船（尾机）为0.800.91。 LCT PP 减小纵摇摆幅的措施为调整船速和减小纵摇摆幅的措施为调整

13、船速和(或或)航向。航向。 纵向受浪时，由于船舶的纵摇质量惯矩和水的阻尼纵向受浪时，由于船舶的纵摇质量惯矩和水的阻尼 力矩很大，同时纵向稳性也较大，所以在波浪的作力矩很大，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。过最大波面角。 三、垂荡运动三、垂荡运动 1、垂荡振幅、垂荡振幅 船舶在波浪中的垂荡幅度成为垂荡振幅。一般用船舶在波浪中的垂荡幅度成为垂荡振幅。一般用 垂荡位移表示。其大小与遭遇周期、船速、以及垂荡位移表示。其大小与遭遇周期、船速、以及 波长与船速的比波长与船速的比/L/L有关。有关。

14、三、垂荡运动三、垂荡运动 船舶垂荡周期的估算公式为：船舶垂荡周期的估算公式为： 2、减轻垂荡的措施、减轻垂荡的措施 式中：式中：TH船舶垂荡周期（船舶垂荡周期（s）；）； d船舶平均吃水（船舶平均吃水（m）。）。 dTH4 . 2 减小纵摇摆幅的措施为调整船速和减小纵摇摆幅的措施为调整船速和(或或)航向。航向。 第三节第三节 纵向受浪的危害纵向受浪的危害 一、顶浪或偏顶浪的危害一、顶浪或偏顶浪的危害 二、顺浪或偏顺浪的危害二、顺浪或偏顺浪的危害 三、顺浪或偏顺浪避免危险的方法三、顺浪或偏顺浪避免危险的方法 一、顶浪或偏顶浪的危害一、顶浪或偏顶浪的危害 1、拍底、拍底 在激烈的纵摇和垂荡中，当船

15、首升起后下落而与波的在激烈的纵摇和垂荡中，当船首升起后下落而与波的 向上运动相撞击时产生的现象，称为拍底。它使船首向上运动相撞击时产生的现象，称为拍底。它使船首 底部，甚至在整个首垂线后底部，甚至在整个首垂线后14船长区域和波浪表面船长区域和波浪表面 发生冲击，产生很大的应力，将导致首部结构的损伤。发生冲击，产生很大的应力，将导致首部结构的损伤。 拍底时船体发生剧烈的振动。拍底时船体发生剧烈的振动。 1）船长与波长相当的时会产生剧烈的拍底。海上的波）船长与波长相当的时会产生剧烈的拍底。海上的波 长在长在80140m之间，因此，如船长在这个范围内，则之间，因此，如船长在这个范围内，则 易发生拍底

16、。易发生拍底。 一、顶浪或偏顶浪的危害一、顶浪或偏顶浪的危害 2） d/L5%。吃水与船长之比值小时易产生拍底。一般。吃水与船长之比值小时易产生拍底。一般 空船时拍底严重，空船时拍底严重，2/3载以上则不易发生拍底。载以上则不易发生拍底。 3） 船速是产生拍底的重要因素，根据船速是产生拍底的重要因素，根据Lehman的研究，当的研究，当 Fr处于处于0.14 0.21范围内时容易产生拍底。范围内时容易产生拍底。 3） 方形系数及棱形系数大的船，冲击力也大。方形系数及棱形系数大的船，冲击力也大。U型船首比型船首比 V型船首遭受拍击的次数多，强度也大。型船首遭受拍击的次数多，强度也大。 依上所述，

17、为了减少拍底，应：依上所述，为了减少拍底，应： 保持船首吃水大于保持船首吃水大于1/2满载吃水；满载吃水； 避免纵摇和垂荡的谐振；避免纵摇和垂荡的谐振； 减速，保持船速在减速，保持船速在Fn=0.1左右。左右。 一、顶浪或偏顶浪的危害一、顶浪或偏顶浪的危害 2、甲板上浪、甲板上浪 3、螺旋桨空转、螺旋桨空转 打在甲板上的海水可看作是自由液面对稳性的影响，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。同时浪的作用还会使甲板设备、严寒时还有结冰的危险。同时浪的作用还会使甲板设备、 上层建筑直接遭受破坏。特别是装有甲板货时，易造成上层建筑直接遭受破坏。特别是装有甲板货时，易造

18、成 货物移动，危及船舶的安全。货物移动，危及船舶的安全。 甲板上浪与船首干舷高度、船速及相对波高甲板上浪与船首干舷高度、船速及相对波高 （ /L）有关。船首干舷越低，船速越大，波高越高，）有关。船首干舷越低，船速越大，波高越高， 甲板上浪也越厉害。甲板上浪也越厉害。 为了减少甲板上浪，首先要降低船速；其次是选择为了减少甲板上浪，首先要降低船速；其次是选择 尽可能缓解摇摆的航向。尽可能缓解摇摆的航向。 3/w h 一、顶浪或偏顶浪的危害一、顶浪或偏顶浪的危害 3、螺旋桨空转、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

19、旋桨空转现象，俗称打空车。空性地露出水面，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。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 没入水中没入水中2030%轴的螺旋桨直径，轴的螺旋桨直径， 当出现空转时，可及时调整航向和速度以减轻船舶当出现空转时，可及时调整航向和速度

20、以减轻船舶 摇荡。摇荡。 二、顺浪或偏顺浪的危害二、顺浪或偏顺浪的危害 1、冲浪和打横、冲浪和打横 2、横稳性降低、横稳性降低 当船舶位于波峰时，由于排水体积减少，将使稳当船舶位于波峰时，由于排水体积减少，将使稳 性降低。性降低。 当波长为船长的当波长为船长的12倍时，且波高很大，船舶可倍时，且波高很大，船舶可 能完全丧失稳性。能完全丧失稳性。 船舶位于波峰的前部时，可能被波浪加速而骑在波峰上，船舶位于波峰的前部时，可能被波浪加速而骑在波峰上， 类似于冲浪运动员位于波峰之前的情况，故称冲浪。类似于冲浪运动员位于波峰之前的情况，故称冲浪。 当发生冲浪时，波浪力的作用可能使船舶航向发生突当发生冲浪时，波浪力的作用可能使船舶航向发生突 变，即发生打横现象。变，即发生打横现象。 二、顺浪或偏顺浪