船舶操纵课件--第6章 特殊情况下的船舶操纵

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周期为7~10s.最陡的波的倾斜度为1/10。一般为1/30~1/40。
2012-9-18 船舶操纵课件
一、波浪概述
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
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二、船在波浪中的运动
1.风浪中的船舶摇摆 船舶在波浪作用下,沿着和围绕着通过船重心的X、Y、Z轴作线运动 和回转运动。各摇荡运动的名称为:
X轴——纵荡(surging)和横摇(rolling);
y轴——横荡(swaying)和纵摇(pitching); Z轴——垂荡(heaving)和首摇(yawing); 船舶在波浪中的摇荡运动,是波浪的强迫摇荡和船舶本身固有的摇 荡相结合的复合运动,这种摇荡运动由于受到水阻力的阻尼作用,因而是 逐渐衰减的。摇荡的强度取决于波面角的陡度、波浪的周期、船舶本身的 摇荡周期与船舶尺度和波长的比例关系。
对船舶安全有威胁的摇摆是横摇、纵摇和垂荡。
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二、船在波浪中的运动
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:

a0 1 ( TR
2
式中: a ——最大波面角,; 0 TR——船舶横摇周期(s); τ ——波浪周期(s)。

)
(6—6)
第六章 恶劣天气下的操船
第一节 第二节 大风浪中的船舶操纵 避离热带气旋的船舶操纵
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第一节 大风浪中的船舶操纵
一、波浪概述 二、船在波浪中的运动
三、大风浪中航行时所遭受的危害
四、大风浪中的操船方法 五、大风浪中掉头
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船舶操纵课件一、波Fra bibliotek概述1.波浪的要素 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
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一、波浪概述
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。
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一、波浪概述
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。
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二、船在波浪中的运动
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:
T H 2 .4 d
( 6 13 )
式中:TH—船舶垂荡周期(s); d—船舶平均吃水(m)。
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二、船在波浪中的运动
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TR>TP>TH的关系,后二者约为前者的一半。垂荡运动的强迫位移为:
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二、船在波浪中的运动
3)波浪遭遇周期 (TE) 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°。如图6—2所示。

上图表示船在波浪中航行的一般状态。直线AB表示以速度C传播的波峰,
协调,船舷易与波浪撞击,甲板上上浪较多。
R

1

1
将会导致船舶倾覆。这种现象称为横谐摇。
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二、船在波浪中的运动
谐摇时的横倾角可用下式估算: 式中: a 0 ——最大波面角。
s 7 . 92
a0
(6—7)
2)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(natural rolling period),可用下式求得:
Z h h h
( 6 14 )
式中: h -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 -1/2波高; 率与波长之比( )。 k 如式(6一14)所示,垂荡运动 是由波高h与 (即TH/TE)之比来
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二、船在波浪中的运动
3.纵摇与垂荡 纵向受浪时,由于船舶的纵摇质量惯矩和水的阻尼力矩很大,同时纵 向稳性也较大,所以在波浪的作用下产生的纵摇摆幅比横摇的小,纵倾角
一般不超过最大波面角。
当波浪通过船体时,随着浮力的周期变化,使船体作上升和下降的垂 荡运动,波高越大,垂荡越激烈。上下运动时水对运动的阻力很大,使运 动很快衰减。
船速一定时,总的趋势是相对纵摇摆振随TP/TE的增大而降低。
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二、船在波浪中的运动
(3)船速对船舶相对纵摇振幅的影响。由于船速(用佛汝德数Fr表示)当 中也包含船长因素在内,所以当船速相同时,较长的船具有较小的Fr和较 高的TP/TE,相对纵摇振幅也将相应的降低。海上航行对操船者来说,船长
;
C g 2 2 g 1 . 25 0 . 80
2 C g

(m / s)
(6 2) (6 3)

(s)
波浪的大小和风力、风时以及海区的广度、深度有关。风力大、风时 长、海区广又深,则波浪就大。有关各海区不同季节的波浪要素可从气象
书籍和航路指南中找出。大洋中最容易产生的波浪的波长是80~140m,波
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。表征波浪特征的几何要素见图6—1。 波高H—波形最高点与波形最低点之间的垂直距离(m) 波长λ —两个相邻波峰或波谷间的水平距离(m) 波速C—波形向前移动的速度(m/s) 波浪周期τ —水质点每回转一次所需时间(s),
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二、船在波浪中的运动
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 的比值。 当T 当T 当T
R
经常保持平行,很少上浪,但船体所受惯性力较大。
R

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 ,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 ,即二者的周期接近相等,船舶摇摆最剧烈,横摇角越摇越大,
三者的关系如图6—3所示。
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二、船在波浪中的运动
从图中可见: (1)船长与波长的关系对船舶相对纵摇振幅有决定性影响。L>1.5 时, 相对纵摇振幅小于0.4,纵摇角较小。船长越大,越趋平稳。L ,相对 纵摇振幅急剧增大,正如小船遇长波,船舶纵摇很大,不论船速如何,无 法避免。 (2)船舶的纵摇周期与波浪的遭遇周期的关系对于船舶相对纵摇振幅的 影响,事实上也一定程度程度上反映了船长与波长之间关系的影响,而且, 也反映出船速或傅汝德数的影响。当TP/TE=1时,相对纵摇振幅并不是各曲 线的最大值,要想有较低的相对纵摇振幅,各曲线均要求有较高的TP/TE值。 从本质上看,这也就要求具有船较长、波较短的条件。船舶顶浪航行,当
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二、船在波浪中的运动
1)纵摇周期与纵摇振幅 般舶的纵摇周期可用下列近似公式估算。 (6—12) TP C P L 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
船以速度V并与波浪传播方向成角航行。
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二、船在波浪中的运动
这时,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= C+Vcos (6—9) 显然,波浪的遭遇周期TE为
TE

VE


C V cos
( 6 10 )
式中:λ —波长(m);C—波速(m/s)
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二、船在波浪中的运动
4)减轻横摇的措施 当般舶在波浪中发生横摇谐振运动时,摇摆加剧,如不采取减摇措施, 将危及船舶的安全。从操船角度出发,减摇措施有:
(1)调整船舶的固有横摇周期
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/ TE <0.7 或 TR/ TE >1.3 (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6 s或大于14s,就不会发生 谐振了。
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 = 60 h w / 3
和最大能量波的波长
(6—4) (6—5)
最大能量 = 40 h w / 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。
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TR C B GM (6 8)
式中:TR—船舶固有横摇周期(s)即自一舷横倾至另一舷再回到初始横 倾位置所需的时间;
B—船宽(m);
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GM—初稳性高度(m);
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二、船在波浪中的运动
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。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
客 船 1000~5000吨 客 船 5000~10000吨 客 船 10000~30000吨
6~9
9~13 13~15 16~20
客 船 30000~50000吨
货 货 拖 船(满载) 船(压载) 轮
20~28
9~14 7~10 6~8
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和波浪均为客观给定的条件,可以调整的对象仅船速和航向而已。激烈的
纵摇容易产生拍底和甲板上浪现象,适当降低船速,可缓解上述不利因素。 (4)TH/TE对垂荡运动振幅也有影响;但由于垂荡运动与纵摇一样也具有 高阻尼性,故TH/TE的影响是随阻尼大小而变化的,也随船速不同而不同。 一般说来,在船长波短船速较高的条件下,TH/TE处于0.8附近将出现较大 的相对垂荡振幅。然而毕竟垂荡运动是高阻尼的,所以即使出现垂荡谐振 也不会有很高的相对垂荡振幅。
即波形向前传播一个波长所需的时间。
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一、波浪概述
波面角α (wave slope angle)—波形的切线与水平线间的夹角。 陡度δ (wave steepnees) — 波的陡峭程度(δ =H/λ )。 根据摆线理论,可以得到:
C ( 6 1) 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:
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二、船在波浪中的运动
(2)改变航向和速度,调节波浪遭遇周期 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。
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