第六章恶劣气象条件下的船舶操纵

1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。2二、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6—1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：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（waveslopeangle）；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（wavesteepness）：波高与波长之比H/，用来表示波的陡峭程度。图6－1这些波浪要素之间存在如下的相互关系：波速Vw1.25（m/s）波浪周期Tw0.80（s）波长1.56T2w（m）此外，最大波面角m=·H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80140m，波浪周期为710s，陡度最大的为1/10，一般大洋波的陡度为1/301/40。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3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（1.27/0.632），1/3最大波的波高H1/3为平均波高的1.6倍（1/0.631.6）。有效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：最大有效=60H1/3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/2时为深水波，当水深小于/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，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6—2所示，将重心G取为固定于船体的直角坐标系的原点，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6—1所示。表6—1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，过大的横倾可能导致船舶倾覆（capsizing）。4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6－2二、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和周期T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：2max)(1ETT（6—1）式中:max—最大波面角，·H；T—船舶横摇周期（rollingperiod）(s)；T—波浪遭遇周期（periodofencounter）(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6—2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：GMBCT（6—2）表6—2船舶种类横摇周期T（S）客船5001000t10005000t500010000t1000030000t3000050000t69913131516202028货船满载压载914710拖轮685式中：T—横摇周期（s）；B—船宽（m）；GM—初稳心高度（m）；C—横摇周期系数，客船为0.75~0.85,货船为0.70.8,油轮为0.70.94,估算T时常把C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Ψ(即遭遇角),则波浪遭遇周期TE为:λTE=——————（6—3）VW+VScosΨ式中：VW—波速（m/s）；VS—航速（m/s）；—波长(m)；Ψ—船首遭遇波浪的夹角。图6－33)影响横摇大小的因素①最大波面角αmax:αmax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。②主要取决于横摇周期Tθ与波浪遭遇周期（Periodofencounter）TE的比值。Tθ当——﹤1时，横摇较快，很少上浪，但船体受惯性力大。TETθ当——1时，横摇较慢，角度不大，但甲板上浪较多。TETθ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（synchronizerolling）.4)减轻横摇的措施①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的波浪周期，在配载时调整初6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0.7TT1.3②改变航向、航速以减轻横摇由(6—3)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=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=CPL（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0.450.55；客货船取0.540.64；货船取0.540.72；油船（尾机型）取0.800.91。船舶垂荡周期可用下列近似公式估算：mZdT4.2（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TθTPTZ的关系。船舶固有纵摇和垂荡周期的范围为：货船46s；客船（1000t以下）57s；渔船34s。2）影响纵摇摆幅的因素：①波长与船长之比对纵摇摆幅影响最大，当λ/L3/4，即L1.3时，纵摇角较小，船长越大，越趋平稳。L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。②纵摇周期TP与波浪遭遇周期TE的比值:TP当———1时，即船首迎长浪航行或航速很低，或顺浪航行时，船随波而摇，沿波面运TE动，纵摇摆幅较小。TP当———1时，即船首迎短浪航行或航速大时，纵摇较小。TETP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。7TE③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，V0时纵摇较小，船身的波浪周期纵摇。④航向：船舶顶浪航行，纵摇剧烈。⑤货载相对集中船首、尾时，使纵摇激烈。3）影响垂荡强度的主要因素：①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