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大风浪中的船舶操纵 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 大风浪中的船舶操纵 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。 大风浪中的船舶操纵 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) 大风浪中的船舶操纵 波浪概述 波浪要素 波浪周期 (wave period) 波速 (wave propagation speed) 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。 大风浪中的船舶操纵 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 )s(80.0 g 2 T )s/m(25.1 2 g V w w 大风浪中的船舶操纵 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。 大风浪中的船舶操纵 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。 大风浪中的船舶操纵 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。 大风浪中的船舶操纵 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 / 1/7 时,开始发生碎波。 大风浪中的船舶操纵 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 。 大风浪中的船舶操纵 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。 大风浪中的船舶操纵 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) 三个转动: x轴: p, rolling (横摇) y轴: q, swaying (纵摇) z轴: r, yawing (首 摇) x e y e x s z s y s u U v z e 大风浪中的船舶操纵 船在波浪中的运动 波浪遭遇周期 大风浪中的船舶操纵 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)” 大风浪中的船舶操纵 船在波浪中的运动 波向角 大风浪中的船舶操纵 船在波浪中的运动 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。 大风浪中的船舶操纵 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。 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。 大风浪中的船舶操纵 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: 2 0 )(1 w R T T a 大风浪中的船舶操纵 船舶摇摆幅度及影响因素 横摇摆幅 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。 大风浪中的船舶操纵 船舶摇摆幅度及影响因素 固有的横摇周期 (TR) 货船满载 914s 货船压载 710s GM BCT R 大风浪中的船舶操纵 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 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 大风浪中的船舶操纵 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、 /L 纵摇固有周期主要取决于船长 顶浪或偏顶浪时,在 0 / L 0.8 区间,纵摇摆幅 随 / L 的增加而稍有增大;在 0.8 / L 1.6 区间, 纵摇摆幅随 / L 的增加而急剧增大; 顺浪时,在 0 / L 0.8 区间,纵摇摆幅随 / L 的 增加而稍有增大,在 0.8 / L 1.6 区间,纵摇摆 幅随 / 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。 LCT PP 大风浪中的船舶操纵 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 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。 LCT PP 大风浪中的船舶操纵 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 减轻垂荡的措施 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。 d4.2T H 大风浪中的船舶操纵 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 . 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) 大风浪中的船舶操纵 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 135180范围内的顺 浪或偏顺浪的情况。 大风浪中的船舶操纵 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”。 大风浪中的船舶操纵 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。 大风浪中的船舶操纵 顺浪或偏顺浪避免危险的方法 防止巨浪连续冲击 大风浪中的船舶操纵 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。 大风浪中的船舶操纵 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 大风浪中的船舶操纵 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 大风浪中的船舶操纵 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 大风浪中的船舶操纵 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 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 大风浪中的船舶操纵 大风浪中的操船方法 “ Z”字航法 大风浪中的船舶操纵 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 大风浪中的船舶操纵 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 大风浪中的船舶操纵 大风浪中的操船方法 漂滞 (lie to) 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。 要求下风有足够水域 大风浪中的船舶操纵 大风浪中的操船方法 大风浪中的掉头 等待较平静的海面来到,三大八小; 开始时慢速中舵( 15 左右)掉头过程中适时使用 快车满舵; 从顶浪转向顺浪时,转向应在较平静海面到来之前 开始,以求较平静海面来临时正好转到横浪。 从顺浪转向顶浪比较危险,必先降速减低惯性冲力, 等待时机,以求后半段掉转在较平静的海面进行。 避离热带气旋操纵 相对位置判断 北半球水域 低气压气旋逆时针旋转; 台风的右半圆为危险半圆; 左半圆称为可航半圆 南半球相反 避离热带气旋操纵 北半球水域 危险半圆风向右转; 右首顶风全速驶离; 右首顶风滞航,等 待台风过境; 右尾受风全速驶入 可航半圆 避离热带气旋操纵 北半球水域 可航半圆风向左转 右尾受风全速驶离; 右首顶风滞航,等 待台风过境 南半球水域对称 避离热带气旋操纵 系泊抗台注意事项 增加带缆,各缆应受力均匀,带缆点尽量分散, 缆绳的磨擦部位要妥善包扎、涂油以防磨损,码 头与船体之间增设碰垫。 空船须增加压载量,减少水面以上受风面积。 在船首、尾外侧抛锚以缓和风浪的作用。 船首系靠在出港的方向上,并作好必要时能离开 码头的准备。 避离热带气旋操纵 系泊抗台注意事项 船舶系浮筒抗台时,系单浮筒比较有利,它能随 时保持船首顶风;可以用锚链系浮,加长锚链, 或增加系缆,只要系浮锚不发生移位,是可以系 浮抗台的。必要时还可抛另一锚来抑制偏荡。 系双浮筒时,如遇较大横风,可能造成断缆或走 锚事故,故最好改为系单浮筒。 船舶在泊位和系浮筒抗台风险较大时,应及早离 泊,去锚地或港外抗台。 本章作业 简述空载船舶在大风浪中航行的弊端? 简述船舶在波浪中航行横摇的谐摇的条件 及避免谐揺的措施? 简述船舶纵向受浪时的危害和预防措施。 试比较大风浪中航行时滞航与漂滞的区别 及优缺点。 简述船舶在北半球的避台操纵方法。
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