第6章大風(fēng)浪中船舶操縱

1、武漢海事學(xué)院1第六章第六章 大風(fēng)浪中船舶操縱大風(fēng)浪中船舶操縱第第1 1節(jié)節(jié) 大風(fēng)浪中的船舶操縱大風(fēng)浪中的船舶操縱武漢海事學(xué)院2一、一、波浪概述波浪概述波浪是水質(zhì)點在外力作用下所形成的波動運動。波浪是水質(zhì)點在外力作用下所形成的波動運動。在深水中波浪的水質(zhì)點以一定的速度作軌圓運動，在深水中波浪的水質(zhì)點以一定的速度作軌圓運動，其波形以某一速度傳播出去，而水質(zhì)點本身并不其波形以某一速度傳播出去，而水質(zhì)點本身并不隨波形移動。隨波形移動。武漢海事學(xué)院3武漢海事學(xué)院41、波浪要素、波浪要素n波峰(crest) 波面的最高點；n波谷(trough) 波面的最低點；n振幅(amplitude) （a）波高的一半

2、，a=H/2 ；n波高(height) （H）相鄰波峰與波谷之間的垂直距離；n波長(wave length) （）相鄰兩波峰或相鄰兩波谷之間的水平距離；n波陡(wave steepness) （）波高與波長之比，H/；n波浪周期(wave period) （T）相鄰的兩波峰或兩波谷相繼通過一固定點所需要的時間；n頻率（f）周期的倒數(shù)，f1/T；n波速(wave propagation speed) （C）波峰或波谷在單位時間內(nèi)的水平位移（波形傳播的速度），C/ T；n波面角（） 180H/；n波峰線通過波峰垂直于波浪傳播方向的線；n波向線波形傳播的方向線，垂直于波峰線。武漢海事學(xué)院52 2、波

3、浪要素的簡單估算、波浪要素的簡單估算n1 1）規(guī)則波）規(guī)則波(regular waves)(regular waves)n根據(jù)波浪余擺線理論，波浪可用正弦或余弦波表示，根據(jù)勢流理論可得)(80. 02)/(25. 12sgTsmgVcww武漢海事學(xué)院6n2 2）不規(guī)則波）不規(guī)則波(irregular waves)(irregular waves)n（1 1）平均波高）平均波高n如有一段連續(xù)波高記錄分別為H1、H2Hn，則此段時間的平均波高等于：n（2 2）有效波高）有效波高 n部分大波的平均波高Hp將連續(xù)觀測到的波高按大小排列起來，并就最高的P個波的波高計算平均值，稱為該P部分大波的波高。n例

4、如：共觀測1000個波，最大的1個波高、最高的前10個、100個和333個波的平均值，分別以符號H1/1000、 H1/100、 H1/10、和H1/3表示。n部分大波平均波高反映出海浪的顯著部分或特別顯著部分的狀態(tài)。習(xí)慣上將H1/3稱為有效波高（有義波高）。人們在海上目測的波高很接近有義波高。n12nii=111HHHHHnn武漢海事學(xué)院7n（3 3）有效波高與其它統(tǒng)計波高的關(guān)系）有效波高與其它統(tǒng)計波高的關(guān)系n（4）大洋中最容易產(chǎn)生的波浪大洋中最容易產(chǎn)生的波浪的波長是80140m，波周期為710s。最陡的波的傾斜度為1/10。一般為1/301/40。111100103HHH2.663,2.0

5、32,1.598HHH111100100101111033HHH1.311,1.666,1.272HHH武漢海事學(xué)院83 3、波浪的分類及其特點、波浪的分類及其特點n1 1）風(fēng)浪及涌浪）風(fēng)浪及涌浪n風(fēng)浪（Wind Wave）風(fēng)的直接作用引起的。海洋中的波浪主要為風(fēng)浪。風(fēng)浪的周期約數(shù)秒至數(shù)十秒，波長由幾米至數(shù)百米，波高可達數(shù)米至十幾米，風(fēng)區(qū)內(nèi)的波稱為波浪(wave)，其波周期小于10s。n涌浪（Swell）風(fēng)浪離開風(fēng)區(qū)傳至遠處，離開風(fēng)區(qū)的波稱為涌浪(swell)，其波周期一般大于10s。涌浪較平滑但周期、波長較長?；蛘唢L(fēng)區(qū)里風(fēng)停息后所遺留下來的波浪（無風(fēng)三尺浪）。武漢海事學(xué)院9n2 2）淺水區(qū)的

6、波形變化）淺水區(qū)的波形變化n水質(zhì)點的運動軌跡將由圓形變?yōu)闄E圓。n波速降低。n波浪的周期不變，波長變短，波高增大。n波峰向前卷起，同時在行進中破碎。波浪向岸傳播過程中波浪向岸傳播過程中LHH1H2H3L1L2L3wave baseSANDY BOTTOM 波長變短 波高增加 波速降低 波浪破碎 (破波)武漢海事學(xué)院10n3 3）波浪的折射、繞射、反射與干擾）波浪的折射、繞射、反射與干擾合成波，波速變小，波高增加，俗稱為三角浪。波高作周期性變化的群波3個或5個大浪隨后又出現(xiàn)幾個小浪。武漢海事學(xué)院11二、船在波浪中的運動二、船在波浪中的運動三個平動：三個平動：nx軸：surging （前進）n y軸

7、：swaying （橫移）nz軸：heaving（升沉）三個轉(zhuǎn)動：三個轉(zhuǎn)動： nx軸：rolling （橫搖）ny軸：swaying （縱搖）n z軸：yawing （首搖）運動名稱運動名稱nx軸：縱蕩和橫搖ny軸：橫蕩和縱搖n z軸：垂蕩和首搖 xe ye xs zs ys u U v ze 武漢海事學(xué)院121、波浪遭遇周期波浪遭遇周期武漢海事學(xué)院13n波浪相對于船舶的傳播速度n波浪視周期，簡稱為“遭遇周期(encounter wave period)”cosVcVTEEcosVcVE武漢海事學(xué)院142、波向角及船舶搖擺程度波向角及船舶搖擺程度n頂浪， “迎浪”，遭遇頻率比波浪頻率高，縱搖擺

8、幅大，橫搖擺幅小；n偏頂浪，縱搖擺幅比頂浪時要小，但橫搖擺幅比頂浪時大；n橫浪，縱搖擺幅較小，橫搖擺較大；n偏順浪，縱搖擺幅比橫浪時要大，橫搖擺幅比橫浪時要??；n順浪，其遭遇頻率比偏順浪時要低，縱搖擺幅大，橫搖擺幅小。武漢海事學(xué)院153、諧搖運動諧搖運動n船舶本身具有的搖擺性能稱為自由搖擺性能，如船舶橫搖周期、縱搖周期以及垂蕩周期等都是船舶固有的搖擺性能。n波浪引起的船舶運動是一種強迫運動，或稱為強迫搖擺。n當船舶自由搖擺周期近似等于遭遇周期，或船舶自由搖擺頻率近似等于遭遇頻率時，船舶將發(fā)生諧搖運動。n橫向諧搖可能造成船舶橫傾角過大，嚴重時可能導(dǎo)致船舶傾覆；縱向諧搖和垂蕩諧搖可能產(chǎn)生拍底、螺旋

9、槳空轉(zhuǎn)等現(xiàn)象，嚴重時可能導(dǎo)致船體結(jié)構(gòu)、船舶主機以及船舶設(shè)備等的損壞。武漢海事學(xué)院164 4、橫搖運動、橫搖運動n1 1）自由橫搖周期、）自由橫搖周期、固有的橫搖周期固有的橫搖周期(TR)C橫搖周期系數(shù)；B船寬；GM初穩(wěn)性高度，可以調(diào)整，但航行中不可調(diào)整。貨船滿載橫搖周期 9-14s貨船壓載橫搖周期 7-10s大型油船橫搖周期，空載6s以下，滿載14s以上GMB/10橫搖過于劇烈， GMB/30橫搖過于緩慢， B/30 GMB/10比較適中。GMBCTR武漢海事學(xué)院17n2）橫搖擺幅）橫搖擺幅船舶在規(guī)則波中的強制橫搖擺幅可以近似表示為：TR/Tw1 ，即船舶的橫搖周期比波浪周期大，則橫搖較慢，并

10、且與波浪不協(xié)調(diào)，船舷易與波浪撞擊，甲板上上浪較多。當TR/Tw=1 ，即二者的周期接近相等，船舶搖擺最劇烈，橫搖角越搖越大，將會導(dǎo)致船舶傾覆。這種現(xiàn)象稱為橫諧搖。20)(1wRTTa武漢海事學(xué)院18n3）減輕橫搖的措施）減輕橫搖的措施避開諧振區(qū)：TR/ TE 1.3調(diào)整船舶固有橫搖周期通過壓載水、貨物調(diào)整改變重心高度調(diào)節(jié)波浪的遭遇周期改變航向、航速當波向角=90或270，即正橫受浪，遭遇周期=波浪周期，改變船速調(diào)整波浪遭遇周期不起作用。武漢海事學(xué)院195、縱搖、縱搖n1）縱搖周期）縱搖周期n縱搖固有周期主要取決于船長n2）影響縱搖擺幅的因素）影響縱搖擺幅的因素n（1 1）/L對相對縱搖振幅有決

11、定性的影響。對相對縱搖振幅有決定性的影響。L1.3,相對縱搖振幅（縱搖擺幅/最大波面角）0.6； L1.5,相對縱搖振幅0.4；船長越大，越平穩(wěn)，縱搖角越小。L，相對縱搖振幅急劇增大，小船遇長波，縱搖大。LCTPP武漢海事學(xué)院20n（2 2）船速）船速，用傅汝德數(shù)Fr對縱搖的影響表示。隨著Fr的增大即船速的增加，縱搖增強。但當TP/TE1.2時，在任何船速下，縱搖擺幅都不會太大。如圖武漢海事學(xué)院21n（3 3）T TP P/T/TE E實際上在一定程度上反映了/L及船速對縱搖的影響。 TP/ TE1時（TP不變而TE變小，則小，V大），迎短浪航行或航速大，縱搖較小； TP/ TE 1時（TP不

12、變而TE變大，則大，V?。L浪航行或航速很低，或順浪航行，隨波而搖。縱搖較??； TP=TE時，諧搖，搖擺激烈，易產(chǎn)生甲板上浪和拍底。縱諧搖時的危險航速（推導(dǎo)見下式）：V=/TP1.251/2TP=TE對縱搖影響的總的趨勢是，相對縱搖擺幅隨TP/ TE1增大而降低（見上頁圖）。25. 125. 1,PwEPTVVcVcTT武漢海事學(xué)院22n（4 4）航向?qū)v搖的影響）航向?qū)v搖的影響一般，縱搖周期T TP P波浪周期T TE E順浪順浪航行時，因為相對航速減小，使波浪遭遇周期T TE E增大， TP/ T/ TE E 1 1所以縱搖不會太大；迎浪航行時迎浪航行時，因為相對航速增大，使波浪遭遇

13、周期T TE E減小，很可能接近TP=T=TE E，容易發(fā)生諧搖，所以相對縱搖擺幅較大。因此，頂浪航行時，縱搖劇烈。VcTEVcTE武漢海事學(xué)院23n3 3）減輕縱搖的措施）減輕縱搖的措施TP/TE1時，縱向諧搖?？v向諧搖的擺幅取決于波長與船長之比、波向角和船型等因素。調(diào)整船舶自由縱搖周期是不可能的（ ），故一般采取調(diào)整遭遇周期，即調(diào)整船速和(或)航向的措施來減小縱搖擺幅。LCTPP武漢海事學(xué)院246、垂蕩、垂蕩n1）垂蕩周期TH垂蕩周期與橫搖周期、縱搖周期的關(guān)系TRTPTH， 2TP TRdTH4 . 2武漢海事學(xué)院25n2 2）影響垂蕩振幅的因素）影響垂蕩振幅的因素n（1 1）波高）波高H

14、 H：波高越大，垂蕩振幅越大。：波高越大，垂蕩振幅越大。n（2 2）波長與船長之比）波長與船長之比/L當/L3/4，即L1.3,大船遇小波，即使諧搖，垂蕩幅度小。當/L 1，即L，小船遇長波，不論是否諧搖，垂蕩較大。n（3 3）船舶固有垂蕩周期與遭遇周期之比）船舶固有垂蕩周期與遭遇周期之比T TH H/T/TE E。TH/TE較小時，垂蕩幅度?。籘H/TE1時，垂蕩幅度大；TH/TE較大時，垂蕩幅度小。垂蕩運動具有高阻尼性，即使垂蕩諧振，也不會出現(xiàn)很高的相對垂蕩振幅。武漢海事學(xué)院26n（4 4）船速）船速當/L3/4，即L1.3,大船遇小波，船速的影響小。即使諧搖，垂蕩幅度小。當/L 1，即L

15、，小船遇長波，不論是否諧搖，垂蕩較大。船速越高，垂蕩越激烈。武漢海事學(xué)院27n3 3）減輕垂蕩的措施）減輕垂蕩的措施調(diào)整船舶自由垂蕩周期是不可能的。一般采取調(diào)整遭遇周期，即調(diào)整船速和(或)航向的措施來減小垂蕩。武漢海事學(xué)院28三、大風(fēng)浪中航行時所遭受的危害三、大風(fēng)浪中航行時所遭受的危害1、橫浪航行危害、橫浪航行危害n橫搖危害最大。n產(chǎn)生過大的橫搖角；n舷側(cè)容易上浪；n橫搖加速度增大，容易引起貨物移動和增加自由液面的沖擊力；n造成人員不適，船用儀器使用不便；n船體結(jié)構(gòu)容易受損，增大船舶傾覆的危險n注意：大風(fēng)浪中不采用橫浪航行。注意：大風(fēng)浪中不采用橫浪航行。2、頂浪或斜頂浪時的危害、頂浪或斜頂浪時

16、的危害n1）拍底（slamming）；n2）甲板上浪（ship water on deck）；n3）螺旋漿空轉(zhuǎn)（racing）；n4）船體結(jié)構(gòu)容易受損，增大船舶斷裂沉沒的危險.武漢海事學(xué)院29n1）拍底（slamming）在激烈的縱搖和垂蕩中，船首升起后下落而與波的向上運動相撞擊時，船體發(fā)生急劇振動的現(xiàn)象稱為拍底。產(chǎn)生拍底的條件：產(chǎn)生拍底的條件：(1)/L 1：遇到與船長相當?shù)牟ㄩL時拍底激烈。(2)d/L5%：一般空船時拍底嚴重。2/3以上滿載吃水則不易拍底。(3)尾傾嚴重，上層建筑物龐大的船舶易產(chǎn)生拍底。(4)Cb及CP：方型系數(shù)Cb及棱形系數(shù)CP大的船舶拍底沖擊力大；U型船首比V型船首遭受

17、拍擊的次數(shù)多，強度大。(5)船舶發(fā)生縱搖和垂蕩諧搖，縱搖和垂蕩劇烈，拍底也就劇烈。船速越高，縱搖和垂蕩劇烈，拍底也就劇烈。航速在傅汝德數(shù)Fr =0.140.21范圍列為危險速度區(qū)。(6)氣候與海況：當風(fēng)力達5級以上時，中型船就易發(fā)生拍底，而且波高越大，波的能量越大，拍底也越激烈。武漢海事學(xué)院30減少拍底措施減少拍底措施（1）減速，保持航速在Fr=0.1左右，對減輕拍底極為有效；（2）保持首吃水大于1/2滿載吃水；（3）調(diào)整航向和航速，改變波浪遭遇周期，避免縱搖和垂蕩的諧搖。武漢海事學(xué)院31n2）甲板上浪）甲板上浪（ship water on deck）n（1）危害：甲板上的海水可看作是自由液面

18、對穩(wěn)性的影響；嚴寒時還會結(jié)冰。浪的沖擊還會使甲板設(shè)備、上層建筑遭受破壞。甲板貨，易造成貨損和貨物移動，將危及船舶安全。n（2）影響因素：與船首干舷高度、航速及波高等因素有關(guān)。船首干舷越低，波高越高，航速越快，上浪越厲害，其中航速影響非常嚴重。n（3）措施：首先要降低航速；其次適當調(diào)整航向。武漢海事學(xué)院32n3）螺旋漿空轉(zhuǎn)）螺旋漿空轉(zhuǎn)（racing）劇烈的縱搖和垂蕩會使螺旋槳部分或全部周期性地露出水面，發(fā)生螺旋槳空轉(zhuǎn)現(xiàn)象，俗稱打空車。（1）危害：空轉(zhuǎn)時，螺旋槳效率下降顯著，航速下降且螺旋槳、軸系和船體產(chǎn)生很大的震動，同時受到極大的沖擊應(yīng)力，隨時有受損的可能。（2）措施：螺旋槳應(yīng)保持上槳葉的葉梢也

19、沒入水中，其在水下深度不低于螺旋槳直徑的20%30%。操船時，應(yīng)盡可能減低轉(zhuǎn)速，以免主機、軸系產(chǎn)生過大的應(yīng)力，并且調(diào)整航向和航速以減輕船舶縱搖和垂蕩，減輕空轉(zhuǎn)現(xiàn)象。武漢海事學(xué)院333、順浪或偏順浪順浪或偏順浪的危害的危害n1）沖浪和打橫(Surf-riding and broaching-to)；n2）橫穩(wěn)性降低(Reduction of intact stability)n3）諧搖運動(Synchronous rolling motion)n4）大幅度橫搖(Parametric rolling motion)n5）組合危險(Combination of various dangerous p

20、henomena)n6）尾淹（pooping）武漢海事學(xué)院34n1）沖浪和打橫）沖浪和打橫(Surf-riding and broaching-to)n沖浪：波峰加速，船騎在波峰上。n打橫：發(fā)生沖浪時，波浪力使船舶航向突變，發(fā)生“打橫”，產(chǎn)生突發(fā)性橫傾。nV1.8L1/2，(V單位kn，L單位m)，為發(fā)生沖浪和打橫的臨界速度。n1.4L1/2 V1.8L1/2，臨界區(qū)域，船舶穩(wěn)性明顯降低。武漢海事學(xué)院35n2）橫穩(wěn)性降低）橫穩(wěn)性降低(Reduction of intact stability)船舶位于波峰上，排水體積減小，橫穩(wěn)性降低。n3）諧搖運動）諧搖運動(Synchronous rolli

21、ng motion)當TR/TE1，加大橫搖擺幅。n4）大幅度橫搖）大幅度橫搖(Parametric rolling motion)當TETR/2時，可能發(fā)生不穩(wěn)定的大幅度橫搖運動。n5）組合危險）組合危險(Combination of various dangerous phenomena)穩(wěn)性降低、諧搖運動、不穩(wěn)定的大幅度橫搖等綜合危險。n6）尾淹）尾淹（pooping）順浪航行中，當船尾陷入波谷，而波速高于航速時，波浪打上船尾甲板，稱為尾淹。危害：當L及波速約等于航速時，尾淹最為激烈，且易打橫。武漢海事學(xué)院364 4、順浪或偏順浪避免危險的方法、順浪或偏順浪避免危險的方法nIMO 海上安

22、全委員會在1995 年10 月19 日提出了一份建議，以707 號通函(MSC/Circ.707)進行發(fā)布。n如果船舶沒有足夠的穩(wěn)性，以及順浪和偏順浪的幾種危險情況同時發(fā)生時，即使船舶在非危險區(qū)域也可能是不安全的，因此，船長應(yīng)確保船舶保持良好的穩(wěn)性狀態(tài)，謹慎駕駛。nMSC/Circ.707 對船舶不同船速下的危險范圍以矢量圖的形式表示，并提出了避免危險局面的指導(dǎo)意見。該指導(dǎo)適用于各種船舶在波向角為135-180范圍內(nèi)的順浪或偏順浪的情況。武漢海事學(xué)院37n1 1）防止沖浪和打橫的措施）防止沖浪和打橫的措施將船速降低至1.8 L 以下，避開 “沖浪區(qū)域” 。如果船舶仍發(fā)生較大的搖擺，應(yīng)進一步降低

23、船速，避開 “臨界區(qū)域”。武漢海事學(xué)院38n2）防止巨浪連續(xù)沖擊的措施當平均波長大于0.8 L 、有義波高大于0.04 L ，不要進入 “危險區(qū)域”。當遭遇周期約為波浪周期的2 倍(約1.52.8)時，一般認為船舶位于危險區(qū)內(nèi)。當船舶位于該危險區(qū)域時，應(yīng)降低船速以避免巨浪的連續(xù)抨擊。武漢海事學(xué)院39n防止巨浪連續(xù)沖擊武漢海事學(xué)院40n3 3）避免諧搖和大幅度橫搖）避免諧搖和大幅度橫搖當TE /TR 1時，船舶將發(fā)生諧搖，當TE /TR 1/2時，將發(fā)生大幅度橫搖。為避免嚴重橫搖情況船舶需要減速，但應(yīng)注意的是，船速也不宜過低，無論如何要確保船舶在大風(fēng)浪中保持航向的最低航速。武漢海事學(xué)院41n4

24、4）流程圖及其應(yīng)用）流程圖及其應(yīng)用n為了便于使用，MSC/Circ.707 還給出了使用流程圖武漢海事學(xué)院42四、大風(fēng)浪航行的準備工作四、大風(fēng)浪航行的準備工作1、保證水密n檢查甲板開口、水密門、關(guān)閉通風(fēng)口、天窗和舷窗、錨鏈管等2、排水暢通 n檢查排水管系、污水溝、黃蜂巢、抽水機、分路閥等3、綁牢活動物 n甲板物件都要綁牢、散裝貨平艙、減少自由液面。 4、做好應(yīng)急準備 n通信聯(lián)系暢通；n檢查應(yīng)急電機、天線、舵設(shè)備等處于良好狀態(tài)n保證消防和堵漏設(shè)備隨時可用n加強全船巡視檢查，勤測各液體艙及污水溝等5、空船壓載武漢海事學(xué)院43五、大風(fēng)浪中的操船方法五、大風(fēng)浪中的操船方法1 1、“Z”Z”字航法字航法

25、武漢海事學(xué)院442、滯航、滯航(heave to)(heave to)n以能保持舵效的最小速度將風(fēng)浪放在船首23羅經(jīng)點的方位上迎浪前進的方法，稱為滯航。n船舶處于緩進或不進，甚至是微退的狀態(tài)n減輕波浪對船首的沖擊和甲板上浪；n保證有足夠的舵效，以免被打成橫浪武漢海事學(xué)院453、順浪、順浪(scudding)(scudding)以船尾部受浪前進的方法，稱為“順浪”。順浪航行時，波浪與船的相對速度較小，可以大大減弱波浪對船體的沖擊。滯航中經(jīng)不起波浪襲擊的船舶，宜改用順航。順航的船舶由于縱蕩的原因可以保持相當?shù)乃俣?。有利于擺脫大風(fēng)浪海域或臺風(fēng)中心。武漢海事學(xué)院464、漂滯漂滯(lie to)(lie to)船舶停止主機隨風(fēng)浪漂流，稱為“漂滯”。主機或舵損壞將被迫漂滯，滯航中不能頂浪或順航中保向性差或船體衰老的船，可以主動采用漂滯的方法。 漂滯中，波浪對船體的沖擊力大為減小，甲板上浪不多。要求下風(fēng)有足夠水域。船舶一般不主動采取漂滯。關(guān)鍵措施：避免船舶處于橫向受風(fēng)浪狀態(tài)，可松出錨和錨鏈。武漢海事學(xué)院47六、大風(fēng)浪中的掉頭六、大風(fēng)浪中的掉頭n1、掉頭操縱時機等待較平靜的海面來到，三大八??；n2、掉頭操縱方法開始時慢速中舵（15左右）掉頭過程中適時使用快車滿舵；從頂浪轉(zhuǎn)向順浪時，轉(zhuǎn)向應(yīng)在較平靜海面到來之前開始