第六章恶劣气象条件下的船舶操纵.doc
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1、个人收集整理 勿做商业用途第六章 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:/www.sgull。com 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
2、性;另一方面,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 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,风浪也就越大;风区越大,浪在风区
3、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。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l: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。波面角a(wave slope angle);波面上某一点的
4、切线与水平线间的夹角,用来表示波表面的倾斜度.陡度d(wave steepness):波高与波长之比H/l,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l1.56T2w(m)此外,最大波面角am=p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
5、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,H1/10,H1/3表示。它们的意义是如果共观测1000个波,则分别代表最高的10、100、333
6、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,1/10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
7、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:l最大有效=60H1/3l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l/2时为深水波,当水深小于l/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,
8、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 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
9、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 种类 名称坐标轴直线运动(translation)回转运动(rotaion)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。横摇涉及船舶的稳性,有时会引起货物移动,致使船舶横倾
10、,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、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
11、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q和周期Tq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: (61) 式中: amax-最大波面角,p; Tq船舶横摇周期(rolling period)(s); TE波浪遭遇周期(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:表62船舶种类横摇周期Tq(S)客船5001000t10005
12、000t500010000t1000030000t3000050000t69913131516202028货船满 载压 载914710拖 轮68 (62) 式中:Tq-横摇周期(s); B船宽(m); GM初稳心高度(m); Cq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Tq时常把Cq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6-3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 = -(63)VW + VS cos式中:VW波速(m/s); VS航速(m/s);
13、l波长(m); 船首遭遇波浪的夹角。图633)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. TE T当- 1时,横摇较慢,角度不大,但甲板上浪较多。 TE T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
14、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。71。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减轻横摇的简便而有效的方法。但应注意:当j=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
15、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 = CP (6-4)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: (6-5)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
16、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:波长与船长之比对纵摇摆幅影响最大,当/L 1.3l时,纵摇角较小,船长越大,越趋平稳。Ll纵摇摆幅急剧增大,正如小船遇长波,不论航速如何,无法避免纵摇.纵摇周期TP与波浪遭遇周期TE的比值: TP当- 1时,即船首迎短浪航行或航速大时,纵摇较小。 TE TP当- 1时,发生谐摇,纵摇激烈,容易发生打空车、甲板上浪或拍底现象。 TE船速:纵摇摆幅一般随航速增大而增大,但船长波短,航速快时反而减小,V0时纵摇较小,船身的波浪周期纵摇。航向:船舶顶浪航行,纵摇剧烈。货载相对集中
17、船首、尾时,使纵摇激烈。 3)影响垂荡强度的主要因素:船舶垂荡周期TZ与波浪遭遇周期TE的比值。当TZ/ TE较小时,垂荡运动也小,船舶随波作周期性的升降;当TZ/ TE1时,产生谐摇,垂荡位移最大;当TZ/ TE1时,垂荡运动再度变小。波长与船长之比:当/L0。75时,即使谐摇,垂荡振幅也是很小的;当/L1时,即小船遇到长波,不论是否发生谐摇,都不可避免地发生较大的垂荡。航速:/L 3/4时,船速影响较小;当/L 1时,船速越高,垂荡越激烈。波高:波高越大,垂荡越激烈. 4)纵向受浪时产生的危险现象。拍底(slamming)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,船体
18、发生急剧振动的现象称为拍底。它使船首底部,特别是从船首起至1/101/4船长处的范围内产生很大的应力,将导致船首部船体结构的损伤。航速越大,损伤范围越向后扩大。容易产生拍底的条件:a l/L 1:遇到与船长相当的波长时拍底激烈。大风浪中顶浪航行均有拍底的可能,而大船长为80140cm的船舶易发生拍底。b d/L5:吃水与船长比值小时易产生拍底.一般空船时拍底严重,2/3载以上则不易拍底,而满载船几乎不拍底。c 尾倾严重,上层建筑物庞大的船舶易产生拍底.d 方形系数Cb及棱形系数CP:Cb及CP大的船舶拍底冲击力大;U型船首比V型船首遭受拍击的次数多,强度大。e 遭遇周期与航速:当TPTZTE时
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