船舶操纵第六章

船舶操纵第六章1第一页，共二十五页，编辑于2023年，星期一第一节船舶在波浪中的运动一、波浪及其要素二、波浪要素的简单估算三、波浪的分类及其特点四、船在波浪中的运动2第二页，共二十五页，编辑于2023年，星期一一、波浪及其要素

波浪是指水质点在重力和表面张力作用下以其原有平衡位置为中心，在垂直方向上作周期性圆周运动的现象。

表征波浪特征的几何要素见图。波高H—波形最高点与波形最低点之间的垂直距离(m)。波浪周期T—水质点每回转一次所需时间(s)。波速C—波形向前移动的速度(m/s)波长λ—两个相邻波峰或波谷间的水平距离(m)波陡H/λ—波高与波长的比。3第三页，共二十五页，编辑于2023年，星期一二、波浪要素的简单估算1、规则波波数和波频率的计算：2、不规则波波列：经过一定时间的观测，将观测到的波高按从大到小依序排列起来即为波列。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。可以用来确定最大有义波的波长：4第四页，共二十五页，编辑于2023年，星期一三、波浪的分类及其特点1、风浪及涌浪按成因分类：风浪、海啸、潮波和船行波。海洋中的波浪主要是风浪，风区内的波称为波浪(T<10s)，离开风区的波为涌浪(T>10s)当水深h与波长λ的比即h/λ≤20时的波浪称为浅水波。浅水波的波速,可见浅水波的波速与波长和周期无关，与水深的平方根成正比。按波长分类：长波（浅水波）和短波（深水波）。2、浅水区波浪5第五页，共二十五页，编辑于2023年，星期一三、波浪的分类及其特点3、波浪破碎4、波浪的折射与干扰当波浪由深海传播至浅海时，由于水深变浅，波谷处水分子速度下降，波形向前倾倒，导致波浪破碎。波浪破碎时约有60%的波浪能量逸出，会对船舶产生较大的冲击力。波浪折射将导致波峰线与海岸平行。波浪的相互干扰将形成三角浪，或周期性的几个小浪后接着几个大浪。5、灾害性海浪可能对船舶引起灾害的海浪称为灾害性海浪。是一个相对的概念。小型船如游艇，渔船2.5-3m;1000-10000t的沿海近海船4-6m;50000t级的远洋船6-8m;20万吨以上的大船，9m以上。6第六页，共二十五页，编辑于2023年，星期一四、船在波浪中的运动1、船舶在波浪中的摇荡2、波浪遭遇周期1）定义：波浪相对于运动中的船舶的周期称为波浪遭遇周期，一般用TE表示。7第七页，共二十五页，编辑于2023年，星期一四、船在波浪中的运动2）波浪遭遇周期的计算遭遇周期：上式中当船速V为零时，遭遇周期即为波浪周期。相对波速：8第八页，共二十五页，编辑于2023年，星期一四、船在波浪中的运动3、波向角及船舶摇摆程度4、谐摇运动及其危害当船舶自由摇摆周期及（或频率）近似等于遭遇周期（或频率）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，甚至倾覆。纵向谐摇可能产生拍底、飞车以及船体结构强度受损。9第九页，共二十五页，编辑于2023年，星期一第二节船舶摇摆幅度及影响因素一、横摇运动二、纵摇运动三、垂荡运动10第十页，共二十五页，编辑于2023年，星期一一、横摇运动1、横摇摆幅式中：——最大波面角，；

TR——船舶横摇周期（s）；

TE——波浪周期（s）。

船舶在规则波中的强制横摇摆幅一般用横摇角表示，近似计算公式为：11第十一页，共二十五页，编辑于2023年，星期一一、横摇运动

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。当舶的横摇周期比波浪周期小，则船舶横摇较快，甲板与波面经常保持平行，很少上浪，但船体所受惯性力较大。当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。12第十二页，共二十五页，编辑于2023年，星期一一、横摇运动2、减轻横摇的措施1）调整船舶自由横摇周期2）调整波浪遭遇周期船舶自由横摇周期公式为：调整航向和航速式中：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）；

GM—初稳性高度（m）；

C—横摇周期系数，客船为0.75~0.85；货船为

0.7~0.8；油船（重载）为0.7~0.75；油船（空载）为0.74~0.94；渔船为0.76~0.88；13第十三页，共二十五页，编辑于2023年，星期一二、纵摇运动1、纵摇摆幅船舶在波浪中的纵摇幅度为纵摇摆幅。一般用纵摇角表示，其大小与遭遇周期、船速、以及波长与船速的比λ/L有关。14第十四页，共二十五页，编辑于2023年，星期一二、纵摇运动2、减轻纵摇的措施船舶自由纵摇周期近似估算公式为：式中：TP——船舶纵摇周期（S）：

L——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。减小纵摇摆幅的措施为调整船速和(或)航向。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。15第十五页，共二十五页，编辑于2023年，星期一三、垂荡运动1、垂荡振幅船舶在波浪中的垂荡幅度成为垂荡振幅。一般用垂荡位移表示。其大小与遭遇周期、船速、以及波长与船速的比λ/L有关。16第十六页，共二十五页，编辑于2023年，星期一三、垂荡运动船舶垂荡周期的估算公式为：2、减轻垂荡的措施式中：TH—船舶垂荡周期（s）；

d—船舶平均吃水（m）。减小纵摇摆幅的措施为调整船速和(或)航向。17第十七页，共二十五页，编辑于2023年，星期一第三节纵向受浪的危害一、顶浪或偏顶浪的危害二、顺浪或偏顺浪的危害三、顺浪或偏顺浪避免危险的方法18第十八页，共二十五页，编辑于2023年，星期一一、顶浪或偏顶浪的危害1、拍底在激烈的纵摇和垂荡中，当船首升起后下落而与波的向上运动相撞击时产生的现象，称为拍底。它使船首底部，甚至在整个首垂线后1／4船长区域和波浪表面发生冲击，产生很大的应力，将导致首部结构的损伤。拍底时船体发生剧烈的振动。1）船长与波长相当的时会产生剧烈的拍底。海上的波长在80～140m之间，因此，如船长在这个范围内，则易发生拍底。19第十九页，共二十五页，编辑于2023年，星期一一、顶浪或偏顶浪的危害2）d/L＜5%。吃水与船长之比值小时易产生拍底。一般空船时拍底严重，2/3载以上则不易发生拍底。3）船速是产生拍底的重要因素，根据Lehman的研究，当Fr处于0.14~0.21范围内时容易产生拍底。3）方形系数及棱形系数大的船，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。依上所述，为了减少拍底，应：①保持船首吃水大于1/2满载吃水；②避免纵摇和垂荡的谐振；③减速，保持船速在Fn=0.1左右。20第二十页，共二十五页，编辑于2023年，星期一一、顶浪或偏顶浪的危害2、甲板上浪3、螺旋桨空转

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。同时浪的作用还会使甲板设备、上层建筑直接遭受破坏。特别是装有甲板货时，易造成货物移动，危及船舶的安全。甲板上浪与船首干舷高度、船速及相对波高（/L）有关。船首干舷越低，船速越大，波高越高，甲板上浪也越厉害。为了减少甲板上浪，首先要降低船速；其次是选择尽可能缓解摇摆的航向。21第二十一页，共二十五页，编辑于2023年，星期一一、顶浪或偏顶浪的危害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20～30%轴的螺旋桨直径，当出现空转时，可及时调整航向和速度以减轻船舶摇荡。22第二十二页，共二十五页，编辑于2023年，星期一二、顺浪或偏顺浪的危害1、冲浪和打横2、横稳性降低当船舶位于波峰时，由于排水体积减少，将使稳性降低。当波长为船长的1～2倍时，且波高很大，船舶可能完全丧失稳性。船舶位于波峰的前部时，可能被波浪加速而骑在波峰上，类似于冲浪运动员位于波峰之前的情况，故称冲浪。当发生冲浪时，波浪力的作用可能使船舶航向发生突变，即发生打横现象。23第二十三页，共二十五页，