-大风浪中船舶操纵课件

第六章大风浪中船舶操纵 第一节 船舶在波浪中的运动 第二节大风浪中航行的危害 第三节大风浪中海上航行操船 第四节大风浪中港内操船方法 n波浪及其要素 n船舶在波浪中的运动 n横摇运动 n纵摇运动 n垂荡运动 第一节 船舶在波浪中的运动 一、波浪及其要素 1.波峰、波谷、振幅与波高 波形最突起的地方或波面的最高处称为“波峰”波形最凹下的地方或波面的最低处称为“波谷”振幅是指从静止水平面至波峰或波谷的距离。波峰与波谷之间的垂直距离称为“波高”。2.波浪周期 波浪完成一次波动所需要的时间或两个波峰(或波谷)相继通过一固定点所经历的时间，称为“波浪周期”。3.波速 波速指波浪传播的速度。4.波长 沿着波的传播方向，两相邻的同相位水质点或两相邻的波峰(或波谷)间的水平距离叫做“波长”。5.波陡指波高与波长之比(H/)，它是用来描述波形的陡峭程度。6.深水波与浅水波由于波浪在传播过程中，波速、波长、波高和波形受水深影响较大，通常依据水深h与波长之比来划分深水波和浅水波。h/小于0.5时为浅水波，而h/大于0.5时为深水波。7.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。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。二、船舶在波浪中的运动 船舶在波浪作用下，沿着和围绕着通过船舶重心的X、Y、Z轴作线性运动和回转运动。各摇荡运动的名称为：X轴纵荡和横摇；y轴横荡和纵摇；Z轴垂荡和首摇；其中对船舶安全有威胁的摇摆是横摇、纵摇和垂荡。1.波浪遭遇周期 设船舶以与波浪方向成一定的交角和船速V在波浪中运动，如右图所示，则波浪相对于船舶的传播速度为：VE=c+Vcos VE相对波速(m/s)；c波速(m/s)；船首向与波向的交角，简称波向角。波浪相对于运动中船舶的周期称为波浪遭遇周期，它就是船上人员所看到的波浪周期，故也称为波浪视周期，简称为“遭遇周期”。TE遭遇周期(s)；波长(m)；2.波向角及船舶摇摆程度以右舷受浪为例1）当030时，称为顶浪，也称为“迎浪”，其遭遇频率比波浪频率要高，纵摇摆幅较大，横摇摆幅较小。在=0时遭遇频率最高，相应的纵摇摆幅最大。2.波向角及船舶摇摆程度2）当3060时，称为偏顶浪，其遭遇频率比顶浪时要低，纵摇摆幅比顶浪时要小，但横摇摆幅比顶浪时有所增大。3）当60120时，称为横浪，其遭遇频率比偏顶浪时要低，纵摇摆幅较小，横摇摆幅较大。在=90或270时遭遇频率等于波浪频率。相应的横摇摆幅最大，纵摇摆幅最小。2.波向角及船舶摇摆程度4）当120150时，称为偏顺浪，其遭遇频率比横浪时要低，纵摇摆幅比横浪时要大，横摇摆幅比横浪时要小。5）当150180时，称为顺浪，其遭遇频率比偏顺浪时要低，纵摇摆幅比偏顺浪时要大，横摇摆幅比偏顺浪时要小。6）在=180时遭遇频率最低，相应的纵摇摆幅较大，横摇摆幅较小。三、横摇运动 1自由横摇周期船舶在规则波中小角度(小于15)无阻尼横摇周期(船舶自由横摇周期)可用下式近似求得：B船宽(m)；GM初稳性高度(m)；C横摇周期系数，2.横摇摆幅 当船舶横摇周期小于遭遇周期，即TR/TE1时，则船舶横摇频率大于遭遇频率，船舶横摇较快，甲板平面与波面经常保持平行，很少上浪，但船舶所受惯性力较大。当船舶横摇周期大于遭遇周期，即TR/TE1时，则船舶横摇频率小于遭遇频率，船舶横摇较慢，甲板平面与波面经常不平行，上浪较多，且船舶经常受到波浪的冲击。当船舶横摇周期近似等于遭遇周期，即TR/TE1时，则船舶横摇频率近似等于遭遇频率，船舶横摇剧烈，横摇角越来越大，严重时将导致船舶倾覆，这种现象称为谐摇或谐振。谐摇时的横倾角可用下式估算：0最大波面角。实际上，一般在TR/TE0.71.3区间内就会发生谐摇，该区间称为“谐摇区间”或“谐振区间”。因此，船舶在海上航行时，应尽可能避免船舶横摇频率与遭遇频率相近的情况。3.避免横向谐摇的措施避免船舶的横向谐摇，即使船舶的固有横摇周期与波浪遭遇周期之比大于1.3或小于0.7。1)调整船舶自由横摇周期在装载时适当调整GM值，即选择船舶自由横摇周期，使船舶的横摇避开谐振区间。2)调整波浪遭遇周期对于航行中的船舶，调整船速和（或）航向对于减轻横摇是行之有效的措施。但是，当波向角=90或270，即正横受浪时，遭遇周期等于波浪周期，这时改变船速对调整波浪遭遇周期不起作用。四、纵摇运动 1纵摇周期船舶的纵摇周期可用下列近似公式估算：TP船舶纵摇周期（5）：L一船长（m）；CP纵摇周期系数，2.减轻纵摇的措施在船舶纵摇周期与遭遇周期相等，即TP/TE1时，船舶将发生纵向谐摇。由于船舶纵摇惯性矩、阻尼力矩和稳性高度都比较大，故船舶在波浪的作用下产生的纵摇摆幅比横摇摆幅要小，纵倾角一般不超过最大波面角。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。因船舶自由纵摇周期与船长有关。实际上，调整自由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。五、垂荡运动 1.垂荡周期船舶垂荡周期可用下列近似公式估算：TH船舶垂荡周期(s)；d船舶平均吃水(m)。船舶垂荡周期和纵摇周期很接近，后者稍大于前者。一般有TRTPTH的关系。且2TPTR。2.减轻垂荡的措施在船舶纵摇周期与遭遇周期相等，即TH/TE1时，船舶将发生垂荡谐振。由于垂荡运动时水对运动的阻尼很大，则重力垂荡使运动衰减很快。由于船舶自由垂荡周期与吃水有关。实际上，调整船舶自由垂荡周期是不可能的，故一般采取调整遭遇周期，即调整船速和(或)航向的措施来减小垂荡振幅。n横向受浪时所产生的危害横向受浪时所产生的危害 n纵向受浪时产生的危害纵向受浪时产生的危害 第二节大风浪中航行时所遭受的危害 一、横向受浪时所产生的危害 1）产生过大的横摇角；2）舷侧容易上浪，会导致甲板货物或设备的损伤；3）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，严重时会导致船舶的倾覆；4）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。通常大风浪中航行，船舶应避免横向受浪。航行中一旦船舶处于横向受浪，应立即采取措施使船舶进入纵向受浪状态。二、纵向受浪时产生的危害 1顶浪或偏顶浪的危害 1）拍底在激烈的纵摇和垂荡中，当船首升起后在下落过程中与波浪表面的向上运动相撞击时产生的现象，称为拍底。（1）产生拍底条件：a.波长：当/L1，即波长与船长接近时容易产生剧烈的拍底；b.吃水：d/L5%，即吃水与船长之比值小时易产生拍底；c.船速：当傅汝德数Fr=0.140.21范围内时，容易产生拍底；d.船型：方形系数及棱形系数大的船，拍底冲击力也大。U型船首比V型船首遭受拍击的次数多，强度也大。（2）缓解拍底的措施：a.保持船首吃水大于1/2满载吃水；b.避免纵摇和垂荡的谐振；c.减速，保持船速在Fr=0.1左右。2）甲板上浪 打在甲板上的海水可看作是自由液面对稳性的影响，严寒时还有结冰的危险。甲板上浪的程度与干舷高度、船速及相对波高(H1/3/L)等因素有关。船舶干舷越低，船速越高，波高越大，甲板上浪也越严重。为了减少甲板上浪，一般首先采取降低船速的措施；其次是适当调整船舶航向。3）螺旋桨空转剧烈的纵摇和垂荡会使螺旋桨的一部分或全部周期性地露出水面，发生螺旋桨空转现象，俗称打空车。空转时，螺旋桨效率显著下降，船速下降，螺旋桨、轴系和船体产生很大的震动，同时使它们受到很大的冲击应力，随时有可能受损。空船状态更容易产生空转现象。为了减轻空转现象和防止桨叶等受损，应保持桨叶没入水中2030螺旋桨直径，压载船舶的吃水差以1.52.0为宜。当出现空转时，可及时调整航向和船速以减轻船舶摇荡。2顺浪或偏顺浪的危害 1）冲浪和打横船舶位于波峰的前部时，可能被波浪加速而骑在波峰上，这种现象类似于冲浪运动员位于波峰之前的情况，故称为“冲浪”现象。当船舶发生冲浪时，波浪力的作用可能使船舶发生航向突变，即发生所谓“打横”现象，使船舶遭受横浪的作用而产生突发性横倾，严重时有船舶倾覆的危险。当船速在波浪传播方向上的分量约等于波浪“相速度”时，这时的船速较高，船舶将被波浪加速而发生冲浪和打横现象。一般认为这时的船速V1.8 ，故称其为发生冲浪或打横现象的临界速度。2）横稳性降低 当船舶位于波峰时，由于排水体积的减小，将使横稳性降低。3）谐摇运动当船舶自由横摇周期与波浪遭遇周期一致(TETR)时，将加大横摇摆幅。顺浪和偏顺浪航行时，横稳性处于临界状态，故横摇周期变长，可能发生这种横揺谐摇运动。4）大幅度横摇当遭遇周期约等于船舶自由横摇周期的一半，即TR2TE时，将可能发生不稳定的大幅度的横摇运动。5）组合危险船舶在顺浪和偏顺浪中的运动十分复杂，其运动是三维六自由度的，上述各种因素或危险现象都可能同时或先后发生，如甲板浸水、甲板上浪并滞留在甲板上或由于货物移动而增大横倾力矩等，都可能使船舶处于危险之中，严重时造成倾覆。n“Z”字航法 n滞航 n顺浪 n漂滞 n大风浪中掉头 第三节大风浪中海上航行操船 一、“Z”字航法 如果在航线上遭遇顶浪或偏顶浪（波向角为300060），则可采用“Z”字航行方法。即适当调整船速，以船首一舷1030的受浪角航行一段距离后再改为船首另一舷1030的受浪角的航行方法。其中航向和船速的调整以减小船舶摇摆幅度为准。“Z”字航法既可以保证一定的航速，又可以减轻船舶的摇摆幅度。它适用于耐波性较好的中、大型船舶，特别是大型集装箱船舶。对于小型船舶或经不起波浪冲击的船舶，宜改用“滞航”方法。二、滞航 以能保持舵效的最小速度将风浪放在船首23罗经点的方位上迎浪前进的方法，称为滞航。这时的船舶实际上是处于缓进或不进，甚至是微退的状态。而航向将随着风向的改变需不断地调整。这种方法可以减轻波浪对船首的冲击和甲板上浪，使船滞留在原地附近，以等待海况的好转。对于下风侧海域不大充裕，船长较长，船首干舷较高的船采用此法最为有利。三、顺浪 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。要注意，船长与波长相近，船速又与波速接近时，则极易发生尾淹及打横等非常危险的现象，波长大大超过船长或小于船长时，船舶都能平稳地航行。四、漂滞 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。只要船舶保持水密，有足够的稳性，就可以渡过大风浪。五、大风浪中掉头 大风浪中掉头，当船身转至横浪时，若回转引起的横倾角与波浪的横倾角相位一致，则过大的横倾将危及船舶的安全。并且横向受浪时，容易出现横摇谐振，就越加危险。因此必须谨慎操纵。1.掉头时机 海浪大小的变化是有规律的，一般情况下，连着三四个大浪之后，必接七八个小浪，俗称三大八小。要利用这个规律，使船舶在海面较平静时掉头。2.掉头操纵方法 1）开始时慢速中舵（15左右），掉头过程中适时使用快车满舵。这样可以使前冲惯性小，减小船舶转向中的横倾角，同时保证舵效，缩短掉头时间。2）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。此后可配合主机突进，用满舵，加速完成后半圈掉转。3）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。后半段旋转应尽可能迅速，否则大浪来到便难以转向顶浪，为此，可根据情况采用主机突进的措施，以增加舵效，加速掉转。由于判断错误在旋转中遇到大浪来临而处于困难境地时，切勿强行掉转，可选择与波浪的适当相位，等待时机，再次掉头。此时，切忌急速回舵，防止倾覆。n大风浪中港内操船注意事项 n大风浪中港内操船方法 第四节大风浪中港内操船方法 一、大风浪中港内操船注意事项 1随时确认船位，保证船舶处于安全位置。2运用船速的分速度和拖船的作用力去抵消风浪所致的漂移，适当选取风压差角，保证航迹向与计划航向的一致性。因风压差角随船速的降低而增大，应注意保持适当的船速。3尽可能保证船舶有一定的船速和主机有一定的转速，以便产生足够的舵力来抵消风浪所致的偏转。4大风浪中由于涌浪的作用，拖船的作用效率会明显降低，因此应配备比常规港内操船更大的拖船总马力。如可行应将拖船配置在下风舷侧，以减小涌浪的影响。5由于船舶的摇摆会导致船舶吃水的增加，大风浪中港内操船时，应充分考虑船舶摇摆导致吃水的增加量，防止船底与海底的撞击。6航经岸形变化、岸上建筑物高低不一区域或防波堤时，风向、风力、涌浪的作用方向和大小会发生显著变化。因此应注意观察周围环境,注意风浪的变化情况，及时用车舵进行应对。7为防止由于船舶的剧烈摇摆和涌浪的冲击，导致锚对船体的撞击，大风浪中港内操船时，只在需要用锚前，方将锚送出锚链筒并备锚。二、大风浪中港内操船方法 1航道航行1）选配适宜风压差角，适当快车保持足够的舵效。2）航道单向通航时，船舶应尽可能行驶在航道中央；双向通航时，船舶尽可能行驶在航道右侧。无论如何应保证船舶位于相对上风的有利位置。3）由于大风浪中航道浮标有移位的可能，且在风浪作用下浮标会存在摆荡现象，在有航标的航道中行驶，不应完全依赖浮标，要利用其他导航方式多方参照。2驶过锚泊船1）尽可能避免在锚泊船船首驶过，应在锚泊船船尾驶过；如不得不在锚泊船船首驶过时，应对风浪所致的漂移和锚泊船锚链的情况予以充分的考虑。2）在锚泊船舷侧驶过时，应对锚泊船风浪中偏荡幅度有准确的判断，在考虑了锚泊船的偏荡情况后，保持安全的距离驶过。3进出防波堤，1）远距离时应保证船舶行驶在进出防波堤口门的航线上，根据当时风浪情况，适当选配风压差角。2）进出防波堤口门时应保证船舶有足够的速度、快车和良好的舵效，以便尽可能减小风浪的作用时间和影响。3）通过防波堤时，应保证船舶位于口门中间上风位置，保持船舶航向与防波堤口门法线一致。4）防波堤口门附近涌浪变化较大，且存在反拍浪，情况复杂。进出口门时，应对当时涌浪的运动情况进行观察和判断，对涌浪可能导致的偏转和漂移有充分的准备，使船舶处于相对上风浪的有利位置，一旦偏转和漂移应果断用车大舵角予以抑止。