第6章 大风浪中船舶操纵

1、武汉海事学院1第六章第六章 大风浪中船舶操纵大风浪中船舶操纵第第1 1节节 大风浪中的船舶操纵大风浪中的船舶操纵武汉海事学院2一、一、波浪概述波浪概述波浪是水质点在外力作用下所形成的波动运动。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，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。随波形移动。武汉海事学院3武汉海事学院41、波浪要素、波浪要素n波峰(crest) 波面的最高点；n波谷(trough) 波面的最低点；n振幅(amplitude) （a）波高的一半

2、，a=H/2 ；n波高(height) （H）相邻波峰与波谷之间的垂直距离；n波长(wave length) （）相邻两波峰或相邻两波谷之间的水平距离；n波陡(wave steepness) （）波高与波长之比，H/；n波浪周期(wave period) （T）相邻的两波峰或两波谷相继通过一固定点所需要的时间；n频率（f）周期的倒数，f1/T；n波速(wave propagation speed) （C）波峰或波谷在单位时间内的水平位移（波形传播的速度），C/ T；n波面角（） 180H/；n波峰线通过波峰垂直于波浪传播方向的线；n波向线波形传播的方向线，垂直于波峰线。武汉海事学院52 2、波

3、浪要素的简单估算、波浪要素的简单估算n1 1）规则波）规则波(regular waves)(regular waves)n根据波浪余摆线理论，波浪可用正弦或余弦波表示，根据势流理论可得)(80. 02)/(25. 12sgTsmgVcww武汉海事学院6n2 2）不规则波）不规则波(irregular waves)(irregular waves)n（1 1）平均波高）平均波高n如有一段连续波高记录分别为H1、H2Hn，则此段时间的平均波高等于：n（2 2）有效波高）有效波高 n部分大波的平均波高Hp将连续观测到的波高按大小排列起来，并就最高的P个波的波高计算平均值，称为该P部分大波的波高。n例

4、如：共观测1000个波，最大的1个波高、最高的前10个、100个和333个波的平均值，分别以符号H1/1000、 H1/100、 H1/10、和H1/3表示。n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。习惯上将H1/3称为有效波高（有义波高）。人们在海上目测的波高很接近有义波高。n12nii=111HHHHHnn武汉海事学院7n（3 3）有效波高与其它统计波高的关系）有效波高与其它统计波高的关系n（4）大洋中最容易产生的波浪大洋中最容易产生的波浪的波长是80140m，波周期为710s。最陡的波的倾斜度为1/10。一般为1/301/40。111100103HHH2.663,2.0

5、32,1.598HHH111100100101111033HHH1.311,1.666,1.272HHH武汉海事学院83 3、波浪的分类及其特点、波浪的分类及其特点n1 1）风浪及涌浪）风浪及涌浪n风浪（Wind Wave）风的直接作用引起的。海洋中的波浪主要为风浪。风浪的周期约数秒至数十秒，波长由几米至数百米，波高可达数米至十几米，风区内的波称为波浪(wave)，其波周期小于10s。n涌浪（Swell）风浪离开风区传至远处，离开风区的波称为涌浪(swell)，其波周期一般大于10s。涌浪较平滑但周期、波长较长。或者风区里风停息后所遗留下来的波浪（无风三尺浪）。武汉海事学院9n2 2）浅水区的

6、波形变化）浅水区的波形变化n水质点的运动轨迹将由圆形变为椭圆。n波速降低。n波浪的周期不变，波长变短，波高增大。n波峰向前卷起，同时在行进中破碎。波浪向岸传播过程中波浪向岸传播过程中LHH1H2H3L1L2L3wave baseSANDY BOTTOM 波长变短 波高增加 波速降低 波浪破碎 (破波)武汉海事学院10n3 3）波浪的折射、绕射、反射与干扰）波浪的折射、绕射、反射与干扰合成波，波速变小，波高增加，俗称为三角浪。波高作周期性变化的群波3个或5个大浪随后又出现几个小浪。武汉海事学院11二、船在波浪中的运动二、船在波浪中的运动三个平动：三个平动：nx轴：surging （前进）n y轴

7、：swaying （横移）nz轴：heaving（升沉）三个转动：三个转动： nx轴：rolling （横摇）ny轴：swaying （纵摇）n z轴：yawing （首摇）运动名称运动名称nx轴：纵荡和横摇ny轴：横荡和纵摇n z轴：垂荡和首摇 xe ye xs zs ys u U v ze 武汉海事学院121、波浪遭遇周期波浪遭遇周期武汉海事学院13n波浪相对于船舶的传播速度n波浪视周期，简称为“遭遇周期(encounter wave period)”cosVcVTEEcosVcVE武汉海事学院142、波向角及船舶摇摆程度波向角及船舶摇摆程度n顶浪， “迎浪”，遭遇频率比波浪频率高，纵摇摆

8、幅大，横摇摆幅小；n偏顶浪，纵摇摆幅比顶浪时要小，但横摇摆幅比顶浪时大；n横浪，纵摇摆幅较小，横摇摆较大；n偏顺浪，纵摇摆幅比横浪时要大，横摇摆幅比横浪时要小；n顺浪，其遭遇频率比偏顺浪时要低，纵摇摆幅大，横摇摆幅小。武汉海事学院153、谐摇运动谐摇运动n船舶本身具有的摇摆性能称为自由摇摆性能，如船舶横摇周期、纵摇周期以及垂荡周期等都是船舶固有的摇摆性能。n波浪引起的船舶运动是一种强迫运动，或称为强迫摇摆。n当船舶自由摇摆周期近似等于遭遇周期，或船舶自由摇摆频率近似等于遭遇频率时，船舶将发生谐摇运动。n横向谐摇可能造成船舶横倾角过大，严重时可能导致船舶倾覆；纵向谐摇和垂荡谐摇可能产生拍底、螺旋

9、桨空转等现象，严重时可能导致船体结构、船舶主机以及船舶设备等的损坏。武汉海事学院164 4、横摇运动、横摇运动n1 1）自由横摇周期、）自由横摇周期、固有的横摇周期固有的横摇周期(TR)C横摇周期系数；B船宽；GM初稳性高度，可以调整，但航行中不可调整。货船满载横摇周期 9-14s货船压载横摇周期 7-10s大型油船横摇周期，空载6s以下，满载14s以上GMB/10横摇过于剧烈， GMB/30横摇过于缓慢， B/30 GMB/10比较适中。GMBCTR武汉海事学院17n2）横摇摆幅）横摇摆幅船舶在规则波中的强制横摇摆幅可以近似表示为：TR/Tw1 ，即船舶的横摇周期比波浪周期大，则横摇较慢，并

10、且与波浪不协调，船舷易与波浪撞击，甲板上上浪较多。当TR/Tw=1 ，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。20)(1wRTTa武汉海事学院18n3）减轻横摇的措施）减轻横摇的措施避开谐振区：TR/ TE 1.3调整船舶固有横摇周期通过压载水、货物调整改变重心高度调节波浪的遭遇周期改变航向、航速当波向角=90或270，即正横受浪，遭遇周期=波浪周期，改变船速调整波浪遭遇周期不起作用。武汉海事学院195、纵摇、纵摇n1）纵摇周期）纵摇周期n纵摇固有周期主要取决于船长n2）影响纵摇摆幅的因素）影响纵摇摆幅的因素n（1 1）/L对相对纵摇振幅有决

11、定性的影响。对相对纵摇振幅有决定性的影响。L1.3,相对纵摇振幅（纵摇摆幅/最大波面角）0.6； L1.5,相对纵摇振幅0.4；船长越大，越平稳，纵摇角越小。L，相对纵摇振幅急剧增大，小船遇长波，纵摇大。LCTPP武汉海事学院20n（2 2）船速）船速，用傅汝德数Fr对纵摇的影响表示。随着Fr的增大即船速的增加，纵摇增强。但当TP/TE1.2时，在任何船速下，纵摇摆幅都不会太大。如图武汉海事学院21n（3 3）T TP P/T/TE E实际上在一定程度上反映了/L及船速对纵摇的影响。 TP/ TE1时（TP不变而TE变小，则小，V大），迎短浪航行或航速大，纵摇较小； TP/ TE 1时（TP不

12、变而TE变大，则大，V小），迎长浪航行或航速很低，或顺浪航行，随波而摇。纵摇较小； TP=TE时，谐摇，摇摆激烈，易产生甲板上浪和拍底。纵谐摇时的危险航速（推导见下式）：V=/TP1.251/2TP=TE对纵摇影响的总的趋势是，相对纵摇摆幅随TP/ TE1增大而降低（见上页图）。25. 125. 1,PwEPTVVcVcTT武汉海事学院22n（4 4）航向对纵摇的影响）航向对纵摇的影响一般，纵摇周期T TP P波浪周期T TE E顺浪顺浪航行时，因为相对航速减小，使波浪遭遇周期T TE E增大， TP/ T/ TE E 1 1所以纵摇不会太大；迎浪航行时迎浪航行时，因为相对航速增大，使波浪遭遇

13、周期T TE E减小，很可能接近TP=T=TE E，容易发生谐摇，所以相对纵摇摆幅较大。因此，顶浪航行时，纵摇剧烈。VcTEVcTE武汉海事学院23n3 3）减轻纵摇的措施）减轻纵摇的措施TP/TE1时，纵向谐摇。纵向谐摇的摆幅取决于波长与船长之比、波向角和船型等因素。调整船舶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。LCTPP武汉海事学院246、垂荡、垂荡n1）垂荡周期TH垂荡周期与横摇周期、纵摇周期的关系TRTPTH， 2TP TRdTH4 . 2武汉海事学院25n2 2）影响垂荡振幅的因素）影响垂荡振幅的因素n（1 1）波高）波高H

14、 H：波高越大，垂荡振幅越大。：波高越大，垂荡振幅越大。n（2 2）波长与船长之比）波长与船长之比/L当/L3/4，即L1.3,大船遇小波，即使谐摇，垂荡幅度小。当/L 1，即L，小船遇长波，不论是否谐摇，垂荡较大。n（3 3）船舶固有垂荡周期与遭遇周期之比）船舶固有垂荡周期与遭遇周期之比T TH H/T/TE E。TH/TE较小时，垂荡幅度小；TH/TE1时，垂荡幅度大；TH/TE较大时，垂荡幅度小。垂荡运动具有高阻尼性，即使垂荡谐振，也不会出现很高的相对垂荡振幅。武汉海事学院26n（4 4）船速）船速当/L3/4，即L1.3,大船遇小波，船速的影响小。即使谐摇，垂荡幅度小。当/L 1，即L

15、，小船遇长波，不论是否谐摇，垂荡较大。船速越高，垂荡越激烈。武汉海事学院27n3 3）减轻垂荡的措施）减轻垂荡的措施调整船舶自由垂荡周期是不可能的。一般采取调整遭遇周期，即调整船速和(或)航向的措施来减小垂荡。武汉海事学院28三、大风浪中航行时所遭受的危害三、大风浪中航行时所遭受的危害1、横浪航行危害、横浪航行危害n横摇危害最大。n产生过大的横摇角；n舷侧容易上浪；n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；n造成人员不适，船用仪器使用不便；n船体结构容易受损，增大船舶倾覆的危险n注意：大风浪中不采用横浪航行。注意：大风浪中不采用横浪航行。2、顶浪或斜顶浪时的危害、顶浪或斜顶浪时

16、的危害n1）拍底（slamming）；n2）甲板上浪（ship water on deck）；n3）螺旋浆空转（racing）；n4）船体结构容易受损，增大船舶断裂沉没的危险.武汉海事学院29n1）拍底（slamming）在激烈的纵摇和垂荡中，船首升起后下落而与波的向上运动相撞击时，船体发生急剧振动的现象称为拍底。产生拍底的条件：产生拍底的条件：(1)/L 1：遇到与船长相当的波长时拍底激烈。(2)d/L5%：一般空船时拍底严重。2/3以上满载吃水则不易拍底。(3)尾倾严重，上层建筑物庞大的船舶易产生拍底。(4)Cb及CP：方型系数Cb及棱形系数CP大的船舶拍底冲击力大；U型船首比V型船首遭受

17、拍击的次数多，强度大。(5)船舶发生纵摇和垂荡谐摇，纵摇和垂荡剧烈，拍底也就剧烈。船速越高，纵摇和垂荡剧烈，拍底也就剧烈。航速在傅汝德数Fr =0.140.21范围列为危险速度区。(6)气候与海况：当风力达5级以上时，中型船就易发生拍底，而且波高越大，波的能量越大，拍底也越激烈。武汉海事学院30减少拍底措施减少拍底措施（1）减速，保持航速在Fr=0.1左右，对减轻拍底极为有效；（2）保持首吃水大于1/2满载吃水；（3）调整航向和航速，改变波浪遭遇周期，避免纵摇和垂荡的谐摇。武汉海事学院31n2）甲板上浪）甲板上浪（ship water on deck）n（1）危害：甲板上的海水可看作是自由液面

18、对稳性的影响；严寒时还会结冰。浪的冲击还会使甲板设备、上层建筑遭受破坏。甲板货，易造成货损和货物移动，将危及船舶安全。n（2）影响因素：与船首干舷高度、航速及波高等因素有关。船首干舷越低，波高越高，航速越快，上浪越厉害，其中航速影响非常严重。n（3）措施：首先要降低航速；其次适当调整航向。武汉海事学院32n3）螺旋浆空转）螺旋浆空转（racing）剧烈的纵摇和垂荡会使螺旋桨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。（1）危害：空转时，螺旋桨效率下降显著，航速下降且螺旋桨、轴系和船体产生很大的震动，同时受到极大的冲击应力，随时有受损的可能。（2）措施：螺旋桨应保持上桨叶的叶梢也

19、没入水中，其在水下深度不低于螺旋桨直径的20%30%。操船时，应尽可能减低转速，以免主机、轴系产生过大的应力，并且调整航向和航速以减轻船舶纵摇和垂荡，减轻空转现象。武汉海事学院333、顺浪或偏顺浪顺浪或偏顺浪的危害的危害n1）冲浪和打横(Surf-riding and broaching-to)；n2）横稳性降低(Reduction of intact stability)n3）谐摇运动(Synchronous rolling motion)n4）大幅度横摇(Parametric rolling motion)n5）组合危险(Combination of various dangerous p

20、henomena)n6）尾淹（pooping）武汉海事学院34n1）冲浪和打横）冲浪和打横(Surf-riding and broaching-to)n冲浪：波峰加速，船骑在波峰上。n打横：发生冲浪时，波浪力使船舶航向突变，发生“打横”，产生突发性横倾。nV1.8L1/2，(V单位kn，L单位m)，为发生冲浪和打横的临界速度。n1.4L1/2 V1.8L1/2，临界区域，船舶稳性明显降低。武汉海事学院35n2）横稳性降低）横稳性降低(Reduction of intact stability)船舶位于波峰上，排水体积减小，横稳性降低。n3）谐摇运动）谐摇运动(Synchronous rolli

21、ng motion)当TR/TE1，加大横摇摆幅。n4）大幅度横摇）大幅度横摇(Parametric rolling motion)当TETR/2时，可能发生不稳定的大幅度横摇运动。n5）组合危险）组合危险(Combination of various dangerous phenomena)稳性降低、谐摇运动、不稳定的大幅度横摇等综合危险。n6）尾淹）尾淹（pooping）顺浪航行中，当船尾陷入波谷，而波速高于航速时，波浪打上船尾甲板，称为尾淹。危害：当L及波速约等于航速时，尾淹最为激烈，且易打横。武汉海事学院364 4、顺浪或偏顺浪避免危险的方法、顺浪或偏顺浪避免危险的方法nIMO 海上安

22、全委员会在1995 年10 月19 日提出了一份建议，以707 号通函(MSC/Circ.707)进行发布。n如果船舶没有足够的稳性，以及顺浪和偏顺浪的几种危险情况同时发生时，即使船舶在非危险区域也可能是不安全的，因此，船长应确保船舶保持良好的稳性状态，谨慎驾驶。nMSC/Circ.707 对船舶不同船速下的危险范围以矢量图的形式表示，并提出了避免危险局面的指导意见。该指导适用于各种船舶在波向角为135-180范围内的顺浪或偏顺浪的情况。武汉海事学院37n1 1）防止冲浪和打横的措施）防止冲浪和打横的措施将船速降低至1.8 L 以下，避开 “冲浪区域” 。如果船舶仍发生较大的摇摆，应进一步降低

23、船速，避开 “临界区域”。武汉海事学院38n2）防止巨浪连续冲击的措施当平均波长大于0.8 L 、有义波高大于0.04 L ，不要进入 “危险区域”。当遭遇周期约为波浪周期的2 倍(约1.52.8)时，一般认为船舶位于危险区内。当船舶位于该危险区域时，应降低船速以避免巨浪的连续抨击。武汉海事学院39n防止巨浪连续冲击武汉海事学院40n3 3）避免谐摇和大幅度横摇）避免谐摇和大幅度横摇当TE /TR 1时，船舶将发生谐摇，当TE /TR 1/2时，将发生大幅度横摇。为避免严重横摇情况船舶需要减速，但应注意的是，船速也不宜过低，无论如何要确保船舶在大风浪中保持航向的最低航速。武汉海事学院41n4

24、4）流程图及其应用）流程图及其应用n为了便于使用，MSC/Circ.707 还给出了使用流程图武汉海事学院42四、大风浪航行的准备工作四、大风浪航行的准备工作1、保证水密n检查甲板开口、水密门、关闭通风口、天窗和舷窗、锚链管等2、排水畅通 n检查排水管系、污水沟、黄蜂巢、抽水机、分路阀等3、绑牢活动物 n甲板物件都要绑牢、散装货平舱、减少自由液面。 4、做好应急准备 n通信联系畅通；n检查应急电机、天线、舵设备等处于良好状态n保证消防和堵漏设备随时可用n加强全船巡视检查，勤测各液体舱及污水沟等5、空船压载武汉海事学院43五、大风浪中的操船方法五、大风浪中的操船方法1 1、“Z”Z”字航法字航法

25、武汉海事学院442、滞航、滞航(heave to)(heave to)n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。n船舶处于缓进或不进，甚至是微退的状态n减轻波浪对船首的冲击和甲板上浪；n保证有足够的舵效，以免被打成横浪武汉海事学院453、顺浪、顺浪(scudding)(scudding)以船尾部受浪前进的方法，称为“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。武汉海事学院464、漂滞漂滞(lie to)(lie to)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。要求下风有足够水域。船舶一般不主动采取漂滞。关键措施：避免船舶处于横向受风浪状态，可松出锚和锚链。武汉海事学院47六、大风浪中的掉头六、大风浪中的掉头n1、掉头操纵时机等待较平静的海面来到，三大八小；n2、掉头操纵方法开始时慢速中舵（15左右）掉头过程中适时使用快车满舵；从顶浪转向顺浪时，转向应在较平静海面到来之前开始