大风船舶操纵

大风浪中的船舶操纵
• 纵向受浪时所产生的危害
– 顺浪或偏顺浪
• • • • • 冲浪和打横(Surf-riding and broaching-to)； 横稳性降低(Reduction of intact stability) 谐摇运动(Synchronous rolling motion) 大幅度横摇(Parametric rolling motion) 组合危险(Combination of various dangerous phenomena) • 尾淹（pooping）
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• 波浪概述
–浅水区的波形变化 • 水质点的运动轨迹将由圆形变为椭圆。 • 波速降低。 • 波浪的周期不变，波长变短，波高增大。 • 波峰向前卷起，同时在行进中破碎。
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• 波浪概述
– 波浪破碎(Breakers)
• 当波浪由深海传播至浅海时由于水深变浅波速变慢， 而波长变短波高增高，因此波形锐度逐渐增大。在 近岸附近波形达到稳定界限或波峰水分子流速等于 波速时，波型向前倾倒而成为碎波(Breaker, Breaking wave)，波陡H /λ ＝1/7 时，开始发生碎波。
– 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 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。
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• 船舶摇摆幅度及影响因素
– 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：
a0 TR 2 1 ( ) Tw
– 相速度：等相位面或波峰(或波谷)在单位时间内的水平位 移。我们平时所说的“波速”指的就是“相速度”。 – 群速度：即群波传播能量的速度。其振幅最大部分的运 动速度称为群波的群速度。约为相速度(波速)的一半。
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• 波浪概述
– 波浪要素的简单估算
• 规则波(regular waves) • 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
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• 波浪概述
– 波浪要素
• • • • • • 波峰(crest)； 波谷(trough)； 振幅(amplitude)； 波高(height)； 波长(wave length)； 波陡(wave steepness)
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• 波浪概述
– 波浪要素
• 波浪周期(wave period) • 波速(wave propagation speed)
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• 船舶摇摆幅度及影响因素
– 减轻纵摇的措施
• 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 TP CP L • 调整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。
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• 船舶摇摆幅度及影响因素
• 垂荡 –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。 –垂荡固有周期主要取决于吃水 TH 2.4 d – 减轻垂荡的措施
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• 波浪概述
– 波浪的折射与干扰
• 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。
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• 波浪概述
– 灾害性海浪
• 对船舶可能引起灾害的海浪称为“灾害性海浪”。 • 海浪对船舶安全的影响程度与船舶大小、耐波性等 因素有关，关于灾害性海浪在国际上至今仍没有一 个明确的定义。 • 灾害性海浪的定义只能根据影响船舶航行安全的因 素分别给出相应级别的定义。
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• 顺浪或偏顺浪避免 危险的方法
– 防止冲浪和打横
• 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 步降低船速，避开 “临界区域”。
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• 顺浪或偏顺浪避免危险的方法
– 防止巨浪连续冲击 – 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1.5～2.8)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。
• 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。
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• 纵向受浪时所产生的危害
– 顶浪或斜顶浪 • 拍底（slamming）； • 甲板上浪（ship water on deck）； • 螺旋浆空转（racing）； • 船体结构容易受损，增大船舶断裂沉没的危 险.
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• 顺浪或偏顺浪避免危险的方法
– IMO 海上安全委员会在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。 – 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。 – MSC/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135º ~180º 范围内的顺 浪或偏顺浪的情况。
• 检查排水管系、污水沟、黄蜂巢、抽水机、分路阀等
–绑牢活动物
• 甲板物件都要绑牢、散装货平舱、减少自由液面。
–做好应急准备
• • • • 通信联系畅通； 检查应急电机、天线、舵设备等处于良好状态 保证消防和堵漏设备随时可用 加强全船巡视检查，勤测各液体舱及污水沟等
–空船压载
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• 大风浪中的操船方法
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• 大风浪中航行
– 空船在大风浪中航行的危险性
• • • • • 风压增大了倾侧力矩，保向性下降； 拍底严重； 空转加剧； 失速严重； 易发生横摇谐振等．
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• 大风浪航行的准备工作 – 保证水密
• 检查甲板开口、水密门、关闭通风口、天窗和舷窗、锚链管等
–排水畅通
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• 船在波浪中的运动
– 谐摇运动
• 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。 • 波浪引起的船舶运动是一种强迫运动，或称为强迫摇摆。 • 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。
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• 船舶摇摆幅度及影响因素
– 横摇摆幅
• TR/Tw<1，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/Tw>1 ，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。
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• 顺浪或偏顺浪避免危险的方法
– 防止巨浪连续冲击
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• 顺浪或偏顺浪避免危险的方法
– 避免谐摇和大幅度横摇
• 当 时，船舶将发生谐摇，当 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。
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• • • • 船舶在波浪中的运动 船舶摇摆幅度及影响因素 纵向受浪的危害 大风浪及避台操纵方法
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• 船舶在波浪中的运动
– 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。
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• 顺浪或偏顺浪避 免危险的方法
– 流程图及其应 用 – 为了便于使用， MSC/Circ.707 还给出了使用 流程图
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• 大风浪中航行
– 横向受浪时所产生的危害
• 产生过大的横摇角； • 舷侧容易上浪； • 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； • 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
Vw Tw
g 1.25 ( m / s ) 2 2 0.80 ( s ) g
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• 波浪概述 – 不规则波(irregular waves)
– 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。 – 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。
– 波向角及船舶摇摆程度
• 顶浪， “迎浪”，遭遇频率比波浪频率高，纵摇摆 幅大，横摇摆幅小； • 偏顶浪，纵摇摆幅比顶浪时要小，但横摇摆幅比顶 浪时大； • 横浪，纵摇摆幅较小，横摇摆较大； • 偏顺浪，纵摇摆幅比横浪时要大，横摇摆幅比横浪 时要小； • 顺浪，其遭遇频率比偏顺浪时要低，纵摇摆幅大， 横摇摆幅小。
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• 船在波浪中的运动
– 三个平动：
• x轴：u, surging （前进） • y轴：v, swaying （横移） • z轴：w, heaving（升沉）
xe
– 三个转动：
ye • x轴：p, rolling （横摇） • y轴：q, swaying （纵摇） • z轴：r, yawing （首 摇） v ys ze zs U u xs
– “Z”字航法
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• 大风浪中的操船方法 – 滞航(heave to)
• 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。 • 船舶处于缓进或不进，甚至是微退的状态 • 减轻波浪对船首的冲击和甲板上浪； • 保证有足够的舵效，以免被打成横浪
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大风浪中的船舶操纵
• 船在波浪中的运动
– 波浪遭遇周期
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• 船在波浪中的运动
– 波浪遭遇周期
• 波浪相对于船舶的传播速度
• 波浪视周期，简称为“遭遇周期(encounter wave period)”
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• 船在波浪中的运动
– 波向角
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• 船在波浪中的运动
பைடு நூலகம்
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• 波浪概述
– 波浪的分类及其特点
• 风浪及涌浪 • 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； 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。
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• 船舶摇摆幅度及影响因素
– 固有的横摇周期(TR) B TR C GM
• 货船满载 9~14s • 货船压载7~10s
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• 船舶摇摆幅度及影响因素
– 减轻横摇的措施 • 避开谐振区：TR/ TE <0.7 或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
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• 船舶摇摆幅度及影响因素 – 纵摇
• 纵摇周期和纵摇振幅取决于TP/TE、Fr、λ/L • 纵摇固有周期主要取决于船长 TP CP L • 顶浪或偏顶浪时，在0＜λ / L ＜0.8 区间，纵摇摆幅 随λ / L 的增加而稍有增大；在0.8＜λ / L ＜1.6 区间， 纵摇摆幅随λ / L 的增加而急剧增大； • 顺浪时，在0＜λ / L ＜0.8 区间，纵摇摆幅随λ / L 的 增加而稍有增大，在0.8＜λ / L ＜1.6 区间，纵摇摆 幅随λ / L 的增加而缓慢增大，纵摇摆幅比顶浪时小。 • 横浪航行时，船舶纵摇摆幅最小。
• 大风浪中的操船方法 – 顺浪(scudding)
• 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