船舶操作课件第六章.

第六章恶劣天气下的操船第一节大风浪中的船舶操纵一、波浪概述•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，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。•水质点的轨圆运动方向，当处于波峰时与波的传播方向相同,处于波谷时则与波的传播方向相反。这种波的波峰比较陡峭，波谷比较平坦，因此称为坦谷波。1.波浪的要素Vw:波形向前传播的速度Tw:波浪周期，水质点每回转一周所需的时间，即波形向前传播一个波长所需的时间:波面角，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，波高与波长之比H/，用来表示波的陡峭程度•根据摆线理论，可以得到：•由上述公式，得到坦谷波的波速和波浪周期与波长间的如下关系：•大洋中最容易产生的波浪的波长是80～140m，波周期为7～10s．最陡的波的倾斜度为1/10。一般为1/30～1/40。)16(;2)36()(80.02)26()/(25.12sgTsmgVww•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。经观测统计表明，其中有1/10波的波高是平均波高的2倍，称之为最大波高(hw/10）；有1/3波的波高是平均波高的1.6倍，称之为三一平均波高或有义波高(hw/3）。人们在海上目测的波高很接近有义波高。•有义波高（hw/3）可以用来确定最大有义波的波长•最大有义=60hw/3（6—4）•和最大能量波的波长•最大能量=40hw/3（6—5）•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。2．波形的变化•1）浅水区的波形变化•波浪从深海向浅海接近时，由于水质点的垂直移动受阻，水质点的运动轨迹将由圆形变为椭圆。同时，由于回转运动与海底之间的摩擦阻力使波速降低。在浅水域中波速只随水深变化，但波浪的周期不变。因此，当波速减小时，波长变短，波高增大。而且海岸的倾斜越急，这种变化越剧烈。此外，由于波谷与海底的摩擦部分的行进速度变缓，而波峰的行进较快，使波峰向前卷起，同时在行进中破碎。这种波浪俗称为开花浪，对船舶的冲击力较大。•2）干扰引起的波形变化•当从大海上远处袭来的大浪与本海区相反方向的波浪相遇；或袭来的波与该处的反射波相互干扰时，形成合成波，它的波速变得很小，而波高可能增加一倍。这种波浪俗称为三角浪。对小型船舶危害较大。•由于风向的变化，使所产生的两个不同方向的波浪形成某一交角时，就会发生波高作周期性变化的群波。在海上经常遇到的，周期性的3个或5个大浪，随后又出现几个小浪，就是这种群波。通过仔细观察，掌握住海浪的这个规律，就能够选择在较小的波浪时进行操纵较为有利。二、船在波浪中的运动1.船舶在风浪中的运动x0zy0oxqxwqzx0y0z0o0wuvrpqxyOywz0zfpyuryvG•由图可见，船舶运动分为三个平动和三个转动，如下•三个平动：x轴：u,surging（前进）•y轴：v,swaying（横移）•z轴：w,heaving（升沉）•三个转动：x轴：p,rolling（横摇）•y轴：q,swaying（纵摇）•z轴：r,yawing（首摇）•2.横摇•1)横摇摆幅•船舶在规则波中的强制横摇摆幅可以近似地用下式表示：•式中：——最大波面角，；•TR——船舶横摇周期（s）；•Tw——波浪周期（s）。20)(1wRTTaq0aH180•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TR与波浪周期Tw的比值。•当TR/Tw1，即船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。•当TR/Tw1，即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。•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。•谐摇时的横倾角可用下式估算：•式中：——最大波面角092.7asq0a2)船舶固有的横摇周期(TR)船舶在规则波中作小角度（小于15°）无阻尼横摇时的周期称为船舶固有横摇周期(naturalrollingperiod)，可用下式求得：•B—船宽（m）；•GM—初稳性高度（m）；•C—横摇周期系数，客船为0.75~0.85；货船为0.7~0.8；油船（重载）为0.7~0.75；油船（空载）为0.74~0.94；渔船为0.76~0.88；•估算时可简单地把C定为0.8。)86(GMBCTR•各类船舶的横摇周期如表6一1所示。•船舶种类横摇周期TR(s)•客船500~1000吨6~9•客船1000~5000吨9~13•客船5000~10000吨13~15•客船10000~30000吨16~20•客船30000~50000吨20~28•货船(满载)9~14•货船(压载)7~10•拖轮6~8•3)波浪遭遇周期•波浪相对于航行中的船舶的周期即波浪的遭遇周期（也称作波浪视周期）TE•船舶在海上航行时，设其前进方向与波浪来向成一夹角，该夹角称为遭遇浪向角。顶浪时=0°；顺浪时=180°；横浪时=90°。直线AB表示以速度Vw传播的波峰，船以速度V并与波浪传播方向成角航行。•波峰相对船的传播速度即波的表观传播速度（船上观察者所看到的波传播速度）VE为：•VE=Vw+Vcos(6—9)•显然，波浪的遭遇周期TE为•式中：λ—波长（m）；Vw—波速(m/s))106(cosVVVTwEE•4)减轻横摇的措施•(1)调整船舶固有横摇周期•船舶确定航线后，可根据本航次中各海区季节可能经常遭遇的波浪周期，于配载时选择较为合适的船舶摇摆周期，避开谐振区：•TR/TE0.7或TR/TE1.3（6—11）•根据式（6—7）避开谐振的要求，当波长为100～220m，其相应的波浪周期约为8～12s时，则船舶的周期应调整到小于6s或大于14s，就不会发生谐振了。•(2)改变航向,航速,调节波浪的遭遇周期•由式（6一10）可见，改变船速或遭遇浪向角或者同时改变船速与遭遇浪向角，就能改变波浪的遭遇周期，避免谐振运动。这种方法对于航行中的船舶是简便而有效的。•当=90或270，即正横受浪时，TR=TE，此时改变船速对波浪遭遇周期无影响；只有改变航向才能取得减轻横摇的效果。•3.纵摇和垂荡•1)纵摇周期和纵摇振幅•般舶的纵摇周期可用下列近似公式估算。•(6—12)•式中：TP——船舶纵摇周期（5）：•L一船长（m）；•CP——纵摇周期系数，客船为0.45～0.55，客货船为0.54～0.64，货船为0.54～0.72，油船（尾机）为0.80~0.91。•规则波中的相对纵摇振幅（纵摇振幅与最大波面角之比）与TP/TE、Fr、/L三者的关系如图6—3所示。LCTPP•2）垂荡周期与垂荡振幅•船舶的垂荡周期可用下列近似公式估算：••式中：TH—船舶垂荡周期（s）；•d—船舶平均吃水（m）。•船舶的垂荡周期和纵摇周期很接近，后者稍大于前者。一般船舶均具有TRTPTH的关系，后二者约为前者的一半。)136(4.2dTH•垂荡运动的强迫位移为：•式中：一有效波高系数，是由/L决定的，它和垂荡运动的强迫力系数相当；•h一1/2波高；•一倍率系数，取决于垂荡频率与波长之比（/）。•如式（6一14）所示，垂荡运动是由波高h与/(即TH/TE）之比来决定的，波高越大，垂荡越激烈。如图6—4)146(hhhZhh3)船舶在不规则波中的纵摇情况船舶在不规则波中顶浪前进，它相当于遭遇一系列波长变化的规则波的作用，这时不再适用谐摇的概念，而需用临界状态的概念来说明船舶的摇摆情况。当船舶的纵摇周期TR和波浪TE相等时，将发生谐摇。如已知船舶的航行速度，则根据式（6一2）和（6一11）可推算出谐摇波长syn)156()()78.0()78.0(22EEEsynVTVTVT三、大风浪中航行时所遭受的危害1.横向受浪时所产生的危害横向受浪航行中，船舶容易出现横谐摇的情况，由于船舶的剧烈的横摇，将产生下列危害：•1）产生过大的横摇角；•2）舷侧容易上浪；•3）由于横摇加速度增大，容易引起货物移动和增加自由液面的冲击力；•4)造成人员不适，船用仪器使用不便，船体结构容易受损，增大船舶倾覆的危险。•2纵向受浪时所产生的危害•1）拍底（slamming）•2）甲板上浪（shipwaterondeck）•3）尾淹（pooping）•4）螺旋浆空转（racing）1)拍底2)甲板上浪3)尾淹4)螺旋桨空转四、大风浪航行的准备工作1．保证水密1）检查甲板开口封闭的水密性，必要时进行加固。2）检查各水密门是否良好，不需用的一律关闭拴紧。3）将通风口关闭，并加盖防水布。4）天窗和舷窗都要盖好，并旋紧铁盖。5）锚链管盖好，防止海水灌进链舱。•2．排水畅通•1）检查排水管系、抽水机、分路阀等，保证处于良好工作状态。•2）清洁污水沟（井），保证黄蜂巢畅通。•3）甲板上的排水孔应保持畅通；•3．绑牢活动物•1）吊货设备、主锚、备锚，舷梯、救生艇筏以及一切未固定的甲板物件都要绑牢。•2）散装货及烧煤要扒平。•3）各水舱及燃油舱应尽可能注满或抽空，以减少自由液面。•4）舱内或甲板装有重件货物时，应仔细检查加固，必要时加固绑扎。•4．做好应急准备•1）保证驾驶台和机舱、船首、舵机室在紧急情况下通信联系畅通。•2）检查应急电机、天线、舵设备等处于良好状态。•3）保证消防和堵漏设备随时可用。•4）保证人身安全，如拉扶手绳、甲板铺砂等。•5）加强全船巡视检查，勤测各液体舱及污水沟等。•5．空船压载•空船在大风浪中有很多不利之处，例如：风压增大了倾侧力矩，保向性下降，拍底增大，空转加剧，失速严重，易发生横摇谐振等等．为确保航行安全，应进行适当的压载，以提高船舶抗风浪的能力和改善船舶的性能。•空船压载量可参考下列数字：•夏季：为夏季满载排水量的50%；•冬季：为夏季满载排水量的53%；•在吃水差方面，既要防止空转，又要减轻拍底，一般以尾倾吃水差1．5～2．0m较为理想。•货船上压载，除利用压载舱和深水舱之外，还可以选择首尾宽度较窄的舱，如有轴遂的尾舱就更好。压载时，要注意减小自由液面的影响，还要保证排灌畅通。五大风浪中的操船方法1.滞航以能保持舵效的最小速度将风浪放在船首2～3罗经点的方位上迎浪前进的方法，称为滞航。这时的船舶实际上是处于缓进或不进，甚至是微退的状态。而航向将随着风向的改变需不断地调整。这种方法可以减轻波浪对船首的冲击和甲板上浪，使船滞留在原地附近，以等待海况的好转。对于下风侧海域不大充裕，船长较长，船首干舷较高的船采用此法最为有利。滞航中要根据风浪的情况选择最佳的风浪舷角，以减轻船舶的摇摆。并根据风浪的变化及时调整航速，保证有足够的舵效，以免被打成横浪。•2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。•3漂滞•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。只要船舶保持水密，有足够的稳性，就可以渡过大风浪。六、大风浪中的掉头大风浪中掉头，当船身转至横浪时，若回转引起的横倾角与波浪的横倾角相位一致，则过大的横倾将危及船舶的安全。并且横向受浪时，容易出现横摇谐振，就越加危险。因此必须谨慎操纵。•掉头时应掌握：•1．等待较平静的海面来到。海浪大小的变化是有规律的，一般情况下，连着三四个大浪之后，必接七八个小浪，俗称三大八小。要利用这个规律，使船舶在海面较平静时掉头。•2．开始时慢速中舵（15°左右），掉头过程中适时使用快车满舵。这样可以使前冲惯性小，减小船舶转向中的横倾角，同