第三章船舶在不规则波中的摇荡 船舶运动学教学课件
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船舶耐波性-ch5_船舶在不规则波中的摇荡运动
(A)
Oscillating Motion of a CV in Seas (B)
Oscillating Motion of a Ship Model
in Reqular Headseas
Oscillating Motion of a Ship Model
in Irreqular Headseas
Oscillating Motion of a Ship in Seas
不同频率和随机初相位的单元规则波线性叠加组成的，即
(t) j (t) aj cos( jt j )
j 1
j 1
Re
aj
ei
(
j
t
j
)
;
j1
不规则波，也可以运用波能谱予以描述：
S
()
1 2
aj
;
E
1 2
g
j
2 aj
g
0 S
()d
LECTURE NOTES ：Oscillating Motion of a Ship in Irreqular Waves
横摇（解）——稳态运动
(t) a cos(t )
K
运动响应
幅频响应 K
a e0
1 (1 2 )2 422
相频响应
tg 1
2 1 2
/ n
amplitude-frequency respones
LECTURE NOTES ：Oscillating Motion of a Ship in Irreqular Waves
LECTURE NOTES ：Oscillating Motion of a Ship in Irreqular Waves
5
Oscillating Motion of a CV in Seas (B)
Oscillating Motion of a Ship Model
in Reqular Headseas
Oscillating Motion of a Ship Model
in Irreqular Headseas
Oscillating Motion of a Ship in Seas
不同频率和随机初相位的单元规则波线性叠加组成的，即
(t) j (t) aj cos( jt j )
j 1
j 1
Re
aj
ei
(
j
t
j
)
;
j1
不规则波，也可以运用波能谱予以描述：
S
()
1 2
aj
;
E
1 2
g
j
2 aj
g
0 S
()d
LECTURE NOTES ：Oscillating Motion of a Ship in Irreqular Waves
横摇（解）——稳态运动
(t) a cos(t )
K
运动响应
幅频响应 K
a e0
1 (1 2 )2 422
相频响应
tg 1
2 1 2
/ n
amplitude-frequency respones
LECTURE NOTES ：Oscillating Motion of a Ship in Irreqular Waves
LECTURE NOTES ：Oscillating Motion of a Ship in Irreqular Waves
5
第三章船舶在不规则波中的摇荡 船舶运动学教学课件
风 浪 浪 级
海浪概述
海况-风直接或间接作用下的海面所呈现的外貌
称为海况，取决于风速、风时、风区，受海岸、
岛屿、水深的影响。
表13-5
海 况
海浪概述
海 况 与 风 级 的 关 系
第三章 船舶在不规则波中的摇荡
第二节 海浪的统计分析
海浪的统计分析
一、海浪的统计规律以及叠加原理
1。风浪是一种随机现象，是不规则、不确定的， 但统计值（统计规律）是稳定的，确定的。
海浪的统计分析
二、海浪的平稳性和各态历经性
现 实 与 样 集
海浪的统计分析
二、海浪的平稳性和各态历经性
3。海浪的平稳性 确定随机过程的统计特性的两种方法：
a. 横截样集的统计特性： 如上图，考虑在时间t=t1,t=t2等处的统计特性
定义为横截样集的统计特性。 b. 沿着样集的统计特性：
考虑随时间而变化的统计特性，定义为一个现实 的统计特性。 总结：统计特性不随时间变化的随机过程称为平稳随 机过程，不规则波具有平稳性。
N×m个取样值中最大值平均值。其中，m为段 数，N为每段的振荡数。
N次 N次 N次 N次
定义：
x2
(x M )2 f (x)dx M [( x M )2 ]
标准差为 x 2x
海浪的统计分析
三、海浪的概率分布
3。常用的概率密度函数。 a.正态分布
风浪、船舶摇荡及所受应力等随机过程的瞬时 值都满足正态分布的概率密度函数。
其中： M为随机过程的数学期望；σx2 为随机过程的方差。
海浪的统计分析
三、海浪的概率分布
1.概率密度函数：绘制直方图的方法确定。
取一个浪高仪的无穷长时间的记录（t≥20min）
船体振动学 PPT
Ship Vibration
0.4 振动系统 振动系统三要素：质量，刚度，阻尼。 质量（包括转动惯量）是感受惯性的元件，刚度 是感受弹性的元件，阻尼是耗能元件。
Ship Vibration
0.4 振动系统
振动系统一般可分为连续系统和离散系统。 （1）连续系统（无限多自由度系统，分布参数 系统） 结构参数（质量，刚度，阻尼等）在空间上连续 分布。弹性体是具有无限多自由度的系统，它的 振动规律要用时间和空间坐标的函数来描述，其 振动方程是偏微分方程。 （2）离散系统（多自由度系统） 结构参数为集中参量。所建立的振动方程是常微 分方程。
2梁自由振动和强迫振动的基本理论和计算方法4了解船体总振动和局部振动的力学模型的建立和计算方法5了解船体振动产生的原因6了解船体振动衡准和防振减振措施船体振动学shipvibration4参考教材翁长俭张保玉编
船体振动学
1 课程内容 2 课程目标
3 课程基本要求
4 参考教材
Ship Vibration
Ship Vibration
0.1 基本概念
各个不同领域中的振动现象虽然各有特色，但往 往有着相似的数学力学模型。正是在这种共性的 基础上，有可能建立一种统一的理论来处理各种 振动问题。 振动力学：借助数学、物理、实验和计算技术， 探讨各种振动现象，阐明振动的基本规律，以便 克服振动的消极因素，利用振动的积极因素，为 合理解决各种振动问题提供理论依据。
Ship Vibration
0.5 振动问题的分类
按激励特性来划分： （1）自由振动 没有外部激励，或者外部激励消失后，系统自身 的振动。 （2）强迫振动 系统在作为时间函数的外部激励下发生的振动， 这种外部激励不受系统运动的影响。 （3）自激振动 系统受其自身运动诱发出来的激励的作用而产生 和维持的振动，例如小提琴发出的乐声，飞机机 翼的颤振等。
船舶操作课件第三章
二、水动力与水动力转船力矩 1. 水动力
水动力在船体坐标系中的表达：
9.8 2 XW = W LdVW CWx 2 9.8 2 YW = W LdVW CWy 2 9.8 2 2 NW = W L dVW CWn 2
Cx 0.04 0.02
式中，Na为风力转船力矩（Nm）； CNa为风力转船力矩系数； L为船长；
当已经求得船舶所受的风力、风力作用中 心以及风力角时，风力转船力矩也可按下 式计算。
Na＝Fasin(lG－a) ＝Fasin(L/2－a)
式中，lG为船舶重心至船首的距离。
在船舶靠泊中，当船首或船尾处于一端用系 缆固定于泊位时，估算船舶所受的风力转船 力矩则应根据船舶实际受约束状态进行计算。 Na＝Fasina （船首固定时） Na＝Fasin(L－a) （船尾固定时）
2. 水动力转船力矩
水动力转船力矩可以表达成与水动力相 类似的形式， 即： 9.81 2 NW W C NW L2 d w 2
式中，CNW为水动力转船力矩系数，随漂 角、水深吃水比、船体水线以下形状等 的变化而变化。
三、风致偏转
船舶在风中的偏 转是船舶所受的 风力转船力矩和 水动力转船力矩 共同作用的结果。 船舶的偏转情况 可以分为两种， 即迎风偏转和背 风偏转。
Cy 0.8 0.6 0.4
Cn 0.1 0.05 0 -0.05 45 90 135 ¦ Â( 0)
0 -0.02 -0.04
45
90
135
¦ Â( 0) 0.2
-0.10 0 45 90 135 ¦ Â( 0) -0.15
船舶操纵PPT学习教案课件
大连海事大学船舶操纵
会计学
1
船舶操纵绪论
概述 船舶操纵运动学参数 船舶操纵动力学参数 船舶阻力与推进
第1页/共46页
船舶操纵概述
船舶操纵的含义 常规船舶操纵(ship handling)包括三种：
保持航向 改变航向 改变船速
第2页/共46页
船舶操纵概述
保持航向(Course keeping or steering)
第32页/共46页
船舶操纵动力学参数
船体水动力及其表 达式
水动力角是指水动力合力FH 方向与船舶首尾线之间的交 角γ；
水动力角可用水动力横向分 量与纵向分量的比值表示
第33页/共46页
船舶操纵动力学参数
船体水动力及其表 达式
水动力角的大小取决于横向 水动力系数和纵向水动力系 数的比值；
第6页/共46页
船舶操纵设备
• 其他设备：
– 侧推器设备； – 外力协助操纵—拖船的协助； – 系泊设备：锚、缆等。
第7页/共46页
船舶操纵特点
• 惯性大，缓变系统 • 控制输入较小 • 欠驱动特性：
控制输入的维数小于被 控自由度维数（dof）， 例如，控制输入：车、 舵；被控坐标：横向位 移y1，航向角和纵向 位移x1
船体水动力及水动力矩
深水中，超大型船舶的纵向附加质 量mx≈0.07m；横向附加质量 my≈0.75m；附加惯性矩Jz≈1.0m。
为了研究问题的方便，有的资料将 船舶质量与附加质量之和称为虚质 量，惯性矩与附加惯性矩之和称 为虚惯性矩。
第30页/共46页
船舶操纵动力学参数
船体水动力及其 表达式
第36页/共46页
船舶操纵动力学参数
水动力作用中心
会计学
1
船舶操纵绪论
概述 船舶操纵运动学参数 船舶操纵动力学参数 船舶阻力与推进
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船舶操纵概述
船舶操纵的含义 常规船舶操纵(ship handling)包括三种：
保持航向 改变航向 改变船速
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船舶操纵概述
保持航向(Course keeping or steering)
第32页/共46页
船舶操纵动力学参数
船体水动力及其表 达式
水动力角是指水动力合力FH 方向与船舶首尾线之间的交 角γ；
水动力角可用水动力横向分 量与纵向分量的比值表示
第33页/共46页
船舶操纵动力学参数
船体水动力及其表 达式
水动力角的大小取决于横向 水动力系数和纵向水动力系 数的比值；
第6页/共46页
船舶操纵设备
• 其他设备：
– 侧推器设备； – 外力协助操纵—拖船的协助； – 系泊设备：锚、缆等。
第7页/共46页
船舶操纵特点
• 惯性大，缓变系统 • 控制输入较小 • 欠驱动特性：
控制输入的维数小于被 控自由度维数（dof）， 例如，控制输入：车、 舵；被控坐标：横向位 移y1，航向角和纵向 位移x1
船体水动力及水动力矩
深水中，超大型船舶的纵向附加质 量mx≈0.07m；横向附加质量 my≈0.75m；附加惯性矩Jz≈1.0m。
为了研究问题的方便，有的资料将 船舶质量与附加质量之和称为虚质 量，惯性矩与附加惯性矩之和称 为虚惯性矩。
第30页/共46页
船舶操纵动力学参数
船体水动力及其 表达式
第36页/共46页
船舶操纵动力学参数
水动力作用中心
耐波性绪论船舶运动学PPT课件
girder response
- advanced experimental techniques, elastic models - numerical modelling
第27页/共36页
砰击试验
第28页/共36页
日本横滨国立大学 Length100m * Width8m * Depth4m (Water Depth 3.5m)
第二篇 船 舶 耐 波 性
绪论 船舶在静水中的摇荡 船舶在规则波中的摇荡 船舶在不规则波中的摇荡 船舶耐波性试验 减摇装置和船型对耐波性影响
第1页/共36页
船舶耐波性
绪论
SEAKEEPING
➢ 定义 船舶在波浪中的摇荡运动及其动力响应。
➢ 内容 - 海浪的描述 - 6个自由度的摇荡运动 - 动力响应
第2页/共36页
海浪的描述
不规则性 随机性
第3页/共36页
船舶响应 （Ship Response）
6个自由度船舶运动
surge
pitch
heave roll
sway yaw
• Translational motion : surge, sway, heave • Rotational motion : roll, pitch, yaw • Simple harmonic motion : Heave, Pitch and Roll
第11页/共36页
商用CFD软件的应用
• FLUENT软件（粘性流体力学） • SHIPFLOW—阻力和流动、船型优化(瑞典） • WASIM---船舶运动计算（DNV)
第12页/共36页
模型试验方法
• 拖曳水池 航速高、要求拖车速度高、水池长
• 耐波性水池 造规则波、二维不规则波、三维方向波
- advanced experimental techniques, elastic models - numerical modelling
第27页/共36页
砰击试验
第28页/共36页
日本横滨国立大学 Length100m * Width8m * Depth4m (Water Depth 3.5m)
第二篇 船 舶 耐 波 性
绪论 船舶在静水中的摇荡 船舶在规则波中的摇荡 船舶在不规则波中的摇荡 船舶耐波性试验 减摇装置和船型对耐波性影响
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船舶耐波性
绪论
SEAKEEPING
➢ 定义 船舶在波浪中的摇荡运动及其动力响应。
➢ 内容 - 海浪的描述 - 6个自由度的摇荡运动 - 动力响应
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海浪的描述
不规则性 随机性
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船舶响应 （Ship Response）
6个自由度船舶运动
surge
pitch
heave roll
sway yaw
• Translational motion : surge, sway, heave • Rotational motion : roll, pitch, yaw • Simple harmonic motion : Heave, Pitch and Roll
第11页/共36页
商用CFD软件的应用
• FLUENT软件（粘性流体力学） • SHIPFLOW—阻力和流动、船型优化(瑞典） • WASIM---船舶运动计算（DNV)
第12页/共36页
模型试验方法
• 拖曳水池 航速高、要求拖车速度高、水池长
• 耐波性水池 造规则波、二维不规则波、三维方向波
船舶操纵运动方程船舶运动学PPT课件
第21页/共36页
§2 -1-4 线性操纵运动微分方程
➢ 首先对水平面操纵运动的一般方程进行线性化处理． ➢ 然后和水动力、力矩的线性表达式回代到一般方程． ➢ 进行线性理论处理，忽略高阶小量得出线性微分方
程组，即为船舶操纵运动的基本方程．
基 本 方 程
(m Yv )v Yvv (mxG Yr )r (mu1 Yr )r Y (mxG Nv )v Nvv (I z Nr )r (mxGu1 Nr )r N
▪本节所述为通常采用的计算处理方法．
▪也可以将流体水动力、力矩按其成因分为流体惯性
力和流体粘性力两部分．流体惯性力采用势流理论求
解．流体粘性力表示真实流体中所受的力，运用函数 关系，采取泰勒级数展开求解．
第23页/共36页
船舶操纵性与耐波性
§2 -1-5 水动力导数
1. 定义 2. 表示符号 3. 物理含义
§2-１－１ 坐标系
二、运动坐标系Oxy
运动坐标系是固结在船体上的，随船一起运动,如图所示。
O xy z构成一右手法则的固结 在船体上的坐标系。
O是动坐标系的原点，通常可选 取船舶重心或者船中剖面处。
Ox轴为船纵轴，其方向指向船 首为正
Oy轴与纵剖面 垂直，以指向右 舷为正。
Oz轴垂直于水线面，以指向龙 骨为正。
为初始状态．可以得到最后的简化的线性表达式：
第18页/共36页
船体的水动力、力矩表达
X X (u, v, r, u, v, r, ) Y Y (u, v, r, u, v, r, ) N N (u, v, r, u, v, r, )
➢ 忽略推进器转速n、n’ 的影响,操舵时间极短δ’ = 0 X方向不考虑（WHY?)；展开 Y、N:
船舶纵摇与 垂荡PPT课件
第32页/共60页
船舶在不规则波中的垂荡与纵摇
(2) 临界区域
➢ 当船舶的谐摇波长位于成分波区间时，这时波浪给予船
舶较多的能量、因而产生激烈的运动，称为临界区域
➢ 在临界区域内，船舶的纵摇和垂荡都是十分严重的，甚至出现严重的砰 击和上浪，使驾驶者不得不被迫减速。 ➢ 对于快速船有砰击限制航速和上浪限制航速，—艘新设计的船，耍选择 适当的干舷高度，使临界区域内的上浪限制航速大于砰击限制航速。 ➢一般说来，砰击是决定风浪第中3快3页速/共船6舶0页速度的主要因素。
三、垂荡与纵摇的运动微分方程及解
1.垂荡运动方程及解 运动方程解为： 其中：
可记为
垂荡放大因数
第10页/共60页
船舶在规则迎浪中的垂荡与纵摇
三、垂荡与纵摇的运动微分方程及解
2.纵摇运动方程及解 运动方程： 其中： 整理
第11页/共60页
船舶在规则迎浪中的垂荡与纵摇
三、垂荡与纵摇的运动微分方程及解
λ/L对垂荡、纵摇的影响
第13页/共60页
船舶在规则迎浪中的垂荡与纵摇
四、船舶在规则迎浪中垂荡与纵摇的运动特点
3.因为船尾形状不对称，故船在迎浪航行时发生垂荡和纵摇的耦合影响， 上述推导内容只是定性分析。 4.船速对船舶迎浪航行的垂荡和纵摇运动影响很大。
航速对垂 荡与纵摇 运动的影 响如图：
第14页/共60页
d m——有效波面处吃水，可取 d m＝σd， d为船舶吃水。σ为该剖面面积系数
第2页/共60页
船舶在规则迎浪中的垂荡与纵摇
一、简化计算所作的假定：
5. 船体作为细长体，对各个横剖面做2元 问题处理，即平面流假设——流动只有 沿切片平面内流动，与横剖面切片垂直 方向没有流动。
船舶在不规则波中的垂荡与纵摇
(2) 临界区域
➢ 当船舶的谐摇波长位于成分波区间时，这时波浪给予船
舶较多的能量、因而产生激烈的运动，称为临界区域
➢ 在临界区域内，船舶的纵摇和垂荡都是十分严重的，甚至出现严重的砰 击和上浪，使驾驶者不得不被迫减速。 ➢ 对于快速船有砰击限制航速和上浪限制航速，—艘新设计的船，耍选择 适当的干舷高度，使临界区域内的上浪限制航速大于砰击限制航速。 ➢一般说来，砰击是决定风浪第中3快3页速/共船6舶0页速度的主要因素。
三、垂荡与纵摇的运动微分方程及解
1.垂荡运动方程及解 运动方程解为： 其中：
可记为
垂荡放大因数
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船舶在规则迎浪中的垂荡与纵摇
三、垂荡与纵摇的运动微分方程及解
2.纵摇运动方程及解 运动方程： 其中： 整理
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船舶在规则迎浪中的垂荡与纵摇
三、垂荡与纵摇的运动微分方程及解
λ/L对垂荡、纵摇的影响
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船舶在规则迎浪中的垂荡与纵摇
四、船舶在规则迎浪中垂荡与纵摇的运动特点
3.因为船尾形状不对称，故船在迎浪航行时发生垂荡和纵摇的耦合影响， 上述推导内容只是定性分析。 4.船速对船舶迎浪航行的垂荡和纵摇运动影响很大。
航速对垂 荡与纵摇 运动的影 响如图：
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d m——有效波面处吃水，可取 d m＝σd， d为船舶吃水。σ为该剖面面积系数
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船舶在规则迎浪中的垂荡与纵摇
一、简化计算所作的假定：
5. 船体作为细长体，对各个横剖面做2元 问题处理，即平面流假设——流动只有 沿切片平面内流动，与横剖面切片垂直 方向没有流动。
第三章船舶横 摇
三、横摇微分方程解及频率响应函数
2。求解方程： 令其特解： 其中 为横摇角与波倾角的相位差 为波浪频率 将特解代入原方程：
三、横摇微分方程解及频率响应函数
求解方程： 由上可得横摇角：
定义
放大因数：
横摇幅值与有效波倾之比。
相位角：
三、横摇微分方程解及频率响应函数
三、横摇微分方程解及频率响应函数
不同种类船舶的固有周期
二、固有周期
5、横摇固有周期计算
计算横摇周期，主要是计算惯性矩。通常采用 近似公式估算。
0.7＜∧θ＜1.3
0.7 谐摇区 1.3
∧θ
设计横摇固有周期
海洋的波浪周期是有一定范围的，根据大量的统计资料可知， 波浪周期大于10s以上的比较罕见，短周期波浪出现较多。因此， 在船舶设计中，必须根据船舶航行海区的波浪情况，确定船舶的 固有周期。一般使船舶的固有周期尽量大些好，以避免共振横摇 的发生。大致取 ∧θ＝(Tθ ／ TB )＞1．3。
二、横摇受力分析
阻尼是影响船舶横摇最重要的因素，船舶横摇阻 尼与船型、舭龙骨、装载状况、横摇频率和横摇幅 值有关 ，精确地确定阻尼力矩是横摇研究中最困难 的问题。通常根据模型试验得到，在设计初期采用 经验公式估算。
二、横摇受力分析
二、横摇受力分析
3.惯性力矩
4. 波浪扰动力矩
二、横摇受力分析
（理论计算求频响）
船舶线性横摇 2。理论计算法求频率响应函数
其中：
放大因数
有限船宽的修正系数
有限吃水的修正系数 其值由下图查取。
船舶线性横摇
有限吃水的修正系数
船舶在不规则波中的线性横摇 3。可求横摇的位移、速度和加速度方差：
总结：以上是理论方法求频率响应函数和运动响应。
船舶运动学
2019/10/18
5
概念(续1)
船舶操纵性
2019/10/18
航向稳定性
指船舶能自动保持初始航 向的性能，包括动态稳定 性和静态稳定性
回转性
转舵使船作圆弧运动的性 能称为船舶回转性
转首性
表示单位舵角引起的首向 角变化快慢。
6
船舶操纵性能评估
评判一艘船舶是否具有良好操纵性能对于船舶航行安全 至关重要。
关键问题：仿真模型建立、操纵运动水动力的获取
7
试验值
6
计算值
5
4
X(m)
3
2
1
0
0
1
2
3
4
5
6
7
Y(m)
1000吨内河货船模35度操纵回转轨迹
1000吨内河货船模15/15Z形操舵试验
2019/10/18
18
船舶操纵控制设备
车、舵、锚、缆以及拖船
车—— 螺旋桨
把主机发出的功率转换成推动船舶前进的功率的装置或机构
自航模试验 计算机仿真
2019/10/18
16
船舶操纵性能预报（续1）
自航模试验
在船模上安装推进电机、蓄电池、螺旋桨、舵机和操舵设备， 采用无线电遥控，使其以所需的航速进退和按规定的操舵方 式操舵。
露天操纵水池
2019/10/18
17
船舶操纵性能预报（续2）
计算机仿真
应用计算机仿真预报船舶操纵性越来越广泛。
2019/10/18
13
船舶操纵性能评估（续3）
螺旋试验
包括正螺旋试验和逆螺旋试验 目的是判定船舶航船稳定性的好坏
2019/10/18
14
船舶操纵性能评估（续4）
船舶操纵与摇荡教学大纲
《船舶操纵与摇荡》教学大纲（学分 2.5 ，学时 40 ）一、课程的性质与任务研究船舶操纵性的任务在于：通过考察船舶受控运动规律，找到能够表征船舶操纵性的主要技术参数和达到该技术参数的数量指标；建立评价现有船舶和预估新设计船的受控运动和操纵方法；建立在船舶设计中满足操纵要求和改进操纵性的方法；目前，解决上述问题的方法基本上有两种∶其一是建立描绘船舶运动的数学模型，用理论的或约束模型实验的方法求出作用于船舶的水动力，然后由对数学模型的分析得到各种机动下船舶的运动状态和表征操纵性的特征参数。
其二是在某些规定的机动下，进行实船或船模的自航实验，直接测量其运动状态和表征操纵性的特征参数。
或者由测量得的运动状态再借助数学模型求得表征操纵性的参数和船舶的水动力。
这两种方法都可以得到船型、操纵器特征与操纵性之间的关系，从而为操纵性设计和改进船舶操纵性提供依据。
在本课程中通过自航模操纵性实验，对回转试验、螺旋、逆螺旋及回舵实验；z形实验和倒车制动实验等的方法及实验结果分析迸行介绍。
在掌握船舶在波浪扰动下摇荡现象与机理的基础上，通过在船池中摇荡实验加深对船舶摇荡的理解。
重点掌握船舶摇荡的测试方法、陀螺等测试设备的使用、模型实验相似理论及换算方法。
二、课程内容、基本要求与学时分配（一）船舶操纵性（20学时）1绪论，坐标系，操纵运动方程,水动力导数定义与物理意义2船舶对操舵的响应3舵设计4船舶操纵性试验（二）船舶耐波性（20学时）1波浪与船舶摇荡运动概要2船舶摇荡运动3船舶在不规则波中摇荡运动/谱分析法4减摇方法与减摇装置三、课程的其它教学环节实验内容与基本要求：四、说明1本课程的先修课程为《理论力学、船舶流体力学》2教学试验部分只讲数据分析方法3其他试验内容在“船舶与海洋工程性能试验技术”中完成。
五、课程使用的教材和主要参考书使用教材：《船舶操纵性与耐波性》吴秀恒著，人民交通出版社教学大纲制订者：王少新2004年 8月。
相关主题
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12~24h 24h以上
复原力 表面张力
重力
重力和地球自 转的转向力
能源
实例 微波
海面上的风
风、气压变化等气 象的扰乱，海啸
低气压、台风等气 象的扰乱，地震
由太阳、月球引起 的潮汐力
海面上的波浪 （风浪和涌） 静振、副振动、
破碎波 海啸，暴风潮
半日潮、一日潮
潮汐力，台风
海浪概述
海洋表面波能大致分布图
海浪概述
风向方位图
海浪概述
风 级 表
海浪概述
风 力 等 级 表
海浪概述
风浪
风浪是在风的直接作用下产生的海浪。 它对海上作战、船舶航行、渔船作业等 均有很大的影响。舰艇武器的射击，登 陆地点和时间的选择，雷达的使用，水 上飞机的起落，水雷的安放等，都受风 浪情况的影响。
海浪概述
风浪要素定义
海浪概述
深水和浅水中的水质点轨迹
海浪概述
风
正象海水运动一样空气也是不断地运动着的。按照运
动方向，空气运动可以分为水平的和垂直的两部分，其中
空气的水平运动称为风。
大气作用于地球表面单位面积上的力叫做大气压力，简 称气压。当温度0℃时，纬度45℃的海平面气压为 101325Pa(即标准大气压)。
风的特征是用风向和风速两个量值来表示的，风向是指
海浪概述
风浪三要素
1. 风速: 在水面规定高度上风的前进速度； 2. 风时: 即稳定状态的风在水面上吹过的持续时间； 3. 风区长度: 即风接近于不变的方向和速度时在开敝 的水面上吹过的距离。
海浪概述
风浪三要素
海浪概述
东中国 海10月 风浪频 率及最 大波高
海浪概述
涌浪（SWELL）
虽然都是表面波，但风浪和涌浪是有很大区别的。风直 接吹向海面而产生的波浪叫做风浪。 但是，从远处 传来的风浪，在到达本海域时，风几乎已没有，人们看 到的这种波浪叫做涌浪。在一个海域，往往是风浪和涌 浪相混合的。
第三章 船舶在不规则波中的摇荡
船舶在不规则波中摇荡
海浪 概述
海浪统计 分析
摇荡运动的 谱分析法
不规则线性 横摇预报
不规则垂荡, 纵摇预报
波浪 的分 类； 风级
、浪 级与 海况
各态 历经, 平稳 随即 过程 的概 率密 度函 数
基于 海浪 谱的 统计 特性 计算
频率 响应 函数, 与运 动谱 的关 系
涌浪是离开风区向外传播的风浪，或风区内的风开始减 小甚至停止后留下的风浪。
涌浪不像风浪那样复杂多变，它的波面比较平滑，波峰 线比较长，波长较长，波形接近摆线。涌浪传播速度c 与波长有关，
C = 1.25√λ
海浪概述
东中国 海10月 涌浪频 率及最 大波高
海浪概述
风级、浪级与海况
风级、浪级与海况三者之间有一定关系，但是 它们在概念上又是不同的。
由运 动谱 密度 函数, 对摇 荡运 动的 统计 特性 计算
线性 横摇 的频 率响 应函 数
横摇 运动 谱密 度函 数及 其统 计特 性
垂荡, 纵摇 频率 响应 函数
垂荡, 纵摇 统计 特性 求取
海浪概述
定义
海洋中波浪是由各种作用力而引起的，例如: 由风引起的风浪， 由日月吸引力的改变而产生的潮汐， 由海底火山或地震活动而产生的地震波， 由船的运动而引起的船波等。
1.表观波长 2.表观波幅 3. 表现周期
海浪概述
Ocean (Irregular) Waves Definitions of Zero-Upcrossing & Downcrossing
Root-mean-Square (RMS), Skewness and Kurtosis Ochi (1998) Ocean Waves
通常所说的海浪是指风浪。风浪是海面上分 布最广。对于船舶航行和海洋工程实际活动 影响最大的波浪。
海浪概述
海浪的分类
各要素分 类
1.表面张力波
2.短周期重力波 3.重力波
周期 0.1s以下 0.1~1s
1~30s
4.长周期重力波
30s~数十分
5.长周期波
5Min~12h
6.潮汐波 （潮浪）
7.超潮汐波（潮浪）
➢浪级的划分是按波浪尺度而定 --风浪的级别
由波高大小决定，波高越大、浪级越高
➢ 风级是按风速大小而定
➢ 海况是描述海面的外形，不仅反映波浪的尺度
变化，同时还反映海面其他变化。
海浪概述
涌浪根据涌高从0到9分成10级
表13-3
涌 浪 浪 级
海浪概述
风浪根据三一波高、十一波高从0到9分成
10个等级
表13-4
海浪的统计分析
规则波（长峰波）海浪的统计Βιβλιοθήκη 析不规则波（短峰波、方向波）
海浪的统计分析
二、海浪的平稳性和各态历经性
1。随机过程： 考察某海区的波面升高，每一次都是不能预知的 确定数值，称波面升高是一个随机变量。同时，当随 机变量随时间连续变化时，这种随机现象称为随机过 程（随机函数）。 2。“现实”与“样集” 设想大量同样的浪高仪置于海面不同位置来记录波 高。每个浪高仪的记录代表一个以时间为函数的随机过 程，它是许多记录中的一个“现实”；所有浪高仪记录 的总体表征了整个海区海浪随时间的变化——“样集”。
风的来向，而不是去向，按10个方位测定。风速是空气在 单位时间内所流过的距离，单位一般采用m／s或km／h表 示，为了便于使用，可按风速大小把风速分为13个风级， 称为蒲福风级表，但此表仍然不能包括全部自然界中所有 出现的风，例如龙卷风等，其风速可达100~200m／s。
海浪概述
风速和波高的相关性
三一有义波高
海浪的统计分析
一、海浪的统计规律以及叠加原理
2。叠加原理 假定：不规则波可以看作由许多不同频率、不同
波幅 和随机相位的单元波叠加而成。表征公式如下：
基本思想：规则波
不规则波
海浪的统计分析
不规则海浪由许多规则波叠加而成
海浪的统计分析
一、海浪的统计规律以及叠加原理
3。不规则波的分析。 假定：组成不规则波的单元波都是同一方向。 长峰不规则波：即是二因次不规则波，所有单元波的 总和代表的不规则波也是在单元波同一方向传播的。 垂直于波前进方向的波峰线是很长的。 短峰波：当不规则波是由不同方向传播的单元波 叠加而成的，也称为三因次不规则波。 总结：自然界中没有真正的长峰波，只有涌比较接 近；波浪都属于短峰波。风浪存在主传播方向，工 程上采用长峰波符合应用要求。
风 浪 浪 级
海浪概述
海况-风直接或间接作用下的海面所呈现的外貌
称为海况，取决于风速、风时、风区，受海岸、
岛屿、水深的影响。
表13-5
海 况
海浪概述
海 况 与 风 级 的 关 系
第三章 船舶在不规则波中的摇荡
第二节 海浪的统计分析
海浪的统计分析
一、海浪的统计规律以及叠加原理
1。风浪是一种随机现象，是不规则、不确定的， 但统计值（统计规律）是稳定的，确定的。