第6章特殊情况下的船舶操纵.ppt
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1、第六章 恶劣天气下的操船,第一节 大风浪中的船舶操纵第二节 避离热带气旋的船舶操纵,第一节 大风浪中的船舶操纵,一、波浪概述二、船在波浪中的运动三、大风浪中航行时所遭受的危害四、大风浪中的操船方法五、大风浪中掉头,一、波浪概述,1波浪的要素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。水质点的轨圆运动方向,当处于波峰时与波的传播方向相同,处于波谷时则与波的传播方向相反。这种波的波峰比较陡峭,波谷比较平坦,因此称为坦谷波。表征波浪特征的几何要素见图61。波高H波形最高点与波形最低点之间的垂直距离(m)波
2、长两个相邻波峰或波谷间的水平距离(m)波速C波形向前移动的速度(m/s)波浪周期水质点每回转一次所需时间(s),即波形向前传播一个波长所需的时间。,一、波浪概述,波面角(wave slope angle)波形的切线与水平线间的夹角。陡度(wave steepnees)波的陡峭程度(=H/)。根据摆线理论,可以得到:由上述公式,得到坦谷波的波速和波浪周期与波长间的如下关系:波浪的大小和风力、风时以及海区的广度、深度有关。风力大、风时长、海区广又深,则波浪就大。有关各海区不同季节的波浪要素可从气象书籍和航路指南中找出。大洋中最容易产生的波浪的波长是80140m,波周期为710s最陡的波的倾斜度为1
3、/10。一般为1/301/40。,一、波浪概述,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。有义波高(hw/3)可以用来确定最大有义波的波长(64)和最大能量波的波长(65)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。,一、波浪概述,2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
4、,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。,一、波浪概述,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
5、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。通过仔细观察,掌握住海浪的这个规律,就能够选择在较小的波浪时进行操纵较为有利。,二、船在波浪中的运动,1风浪中的船舶摇摆 船舶在波浪作用下,沿着和围绕着通过船重心的X、Y、Z轴作线运动和回转运动。各摇荡运动的名称为:X轴纵荡(surging)和横摇(rolling);y轴横荡(swaying)和纵摇(pitching);Z轴垂荡(heaving)和首摇(yawing);船舶在波浪中的摇荡运动,是波浪的强迫摇荡和船舶本身固有的摇荡相结合的复合运动,这种摇荡运动由于受到水阻力的阻尼作用,因而是逐渐衰减的
6、。摇荡的强度取决于波面角的陡度、波浪的周期、船舶本身的摇荡周期与船舶尺度和波长的比例关系。对船舶安全有威胁的摇摆是横摇、纵摇和垂荡。,二、船在波浪中的运动,2横摇1)横摇摆幅船舶在规则波中的强制横摇摆幅可以近似地用下式表示:(66)式中:最大波面角,;TR船舶横摇周期(s);波浪周期(s)。,二、船在波浪中的运动,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,即船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,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
7、舷易与波浪撞击,甲板上上浪较多。当,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。,二、船在波浪中的运动,谐摇时的横倾角可用下式估算:(67)式中:最大波面角。2)船舶固有的横摇周期(TR)船舶在规则波中作小角度(小于15)无阻尼横摇时的周期称为船舶固有横摇周期(natural rolling period),可用下式求得: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);,二、船在波浪中的运动,C横摇周期系数,客船为0.750.85;货船为0.70.8;油船(重载)为0.70.7
8、5;油船(空载)为0.740.94;渔船为0.760.88;估算时可简单地把C定为0.8。各类船舶的横摇周期如表6一1所示。,3)波浪遭遇周期(TE)波浪相对于航行中的船舶的周期即波浪的遭遇周期(也称作波浪视周期)TE。船舶在海上航行时,设其前进方向与波浪来向成一夹角,该夹角称为遭遇浪向角。顶浪时=0;顺浪时=180;横浪时=90。如图62所示。上图表示船在波浪中航行的一般状态。直线AB表示以速度C传播的波峰,船以速度V并与波浪传播方向成角航行。,二、船在波浪中的运动,二、船在波浪中的运动,这时,波峰相对船的传播速度即波的表观传播速度(船上观察者所看到的波传播速度)VE为:VE=C+Vcos(
9、69)显然,波浪的遭遇周期TE为式中:波长(m);C波速(m/s),二、船在波浪中的运动,4)减轻横摇的措施 当般舶在波浪中发生横摇谐振运动时,摇摆加剧,如不采取减摇措施,将危及船舶的安全。从操船角度出发,减摇措施有:(1)调整船舶的固有横摇周期 船舶确定航线后,可根据本航次中各海区季节可能经常遭遇的波浪周期,于配载时选择较为合适的船舶摇摆周期,避开谐振区:TR/TE 1.3(611)根据式(67)避开谐振的要求,当波长为100220m,其相应的波浪周期约为812s时,则船舶的周期应调整到小于6 s或大于14s,就不会发生谐振了。,二、船在波浪中的运动,(2)改变航向和速度,调节波浪遭遇周期由
10、式(6一10)可见,改变船速或遭遇浪向角或者同时改变船速与遭遇浪向角,就能改变波浪的遭遇周期,避免谐振运动。这种方法对于航行中的船舶是简便而有效的。当=90或270,即正横受浪时,TR=TE,此时改变船速对波浪遭遇周期无影响;只有改变航向才能取得减轻横摇的效果。,二、船在波浪中的运动,3纵摇与垂荡 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。当波浪通过船体时,随着浮力的周期变化,使船体作上升和下降的垂荡运动,波高越大,垂荡越激烈。上下运动时水对运动的阻力很大,使运动很快衰减。,二、船在波浪中的
11、运动,1)纵摇周期与纵摇振幅般舶的纵摇周期可用下列近似公式估算。(612)式中:TP船舶纵摇周期(5):L一船长(m);CP纵摇周期系数,客船为0.450.55,客货船为0.540.64,货船为0.540.72,油船(尾机)为0.800.91。规则波中的相对纵摇振幅(纵摇振幅与最大波面角之比)与TP/TE、Fr、/L三者的关系如图63所示。,二、船在波浪中的运动,从图中可见:(1)船长与波长的关系对船舶相对纵摇振幅有决定性影响。L1.5 时,相对纵摇振幅小于04,纵摇角较小。船长越大,越趋平稳。L,相对纵摇振幅急剧增大,正如小船遇长波,船舶纵摇很大,不论船速如何,无法避免。(2)船舶的纵摇周期
12、与波浪的遭遇周期的关系对于船舶相对纵摇振幅的影响,事实上也一定程度程度上反映了船长与波长之间关系的影响,而且,也反映出船速或傅汝德数的影响。当TP/TE=1时,相对纵摇振幅并不是各曲线的最大值,要想有较低的相对纵摇振幅,各曲线均要求有较高的TP/TE值。从本质上看,这也就要求具有船较长、波较短的条件。船舶顶浪航行,当船速一定时,总的趋势是相对纵摇摆振随TP/TE的增大而降低。,二、船在波浪中的运动,(3)船速对船舶相对纵摇振幅的影响。由于船速(用佛汝德数Fr表示)当中也包含船长因素在内,所以当船速相同时,较长的船具有较小的Fr和较高的TP/TE,相对纵摇振幅也将相应的降低。海上航行对操船者来说
13、,船长和波浪均为客观给定的条件,可以调整的对象仅船速和航向而已。激烈的纵摇容易产生拍底和甲板上浪现象,适当降低船速,可缓解上述不利因素。(4)THTE对垂荡运动振幅也有影响;但由于垂荡运动与纵摇一样也具有高阻尼性,故THTE的影响是随阻尼大小而变化的,也随船速不同而不同。一般说来,在船长波短船速较高的条件下,THTE处于0.8附近将出现较大的相对垂荡振幅。然而毕竟垂荡运动是高阻尼的,所以即使出现垂荡谐振也不会有很高的相对垂荡振幅。,二、船在波浪中的运动,2)垂荡周期与垂荡振幅 船舶的垂荡周期可用下列近似公式估算:式中:TH船舶垂荡周期(s);d船舶平均吃水(m)。,船舶的垂荡周期和纵摇周期很接
14、近,后者稍大于前者。一般船舶均具有TRTPTH的关系,后二者约为前者的一半。垂荡运动的强迫位移为:式中:有效波高系数,是由/L决定的,它和垂荡运动的强迫力系数相当;h 1/2波高;倍率系数,取决于垂荡频率与波长之比()。如式(6一14)所示,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。如图64,二、船在波浪中的运动,二、船在波浪中的运动,由图64可得到:(1)垂荡运动振幅与波高成正比,波越高,垂荡振幅越大。(2)垂荡运动振幅受有效波高系数影响极大。值大体上与垂荡运动强迫力系数相当,当时不论其余条件如何,甚至即使出现谐振,垂荡振幅仍然很小;当 时,相对垂荡振幅将逐渐增
15、大,也就是说在波长船短的情况下不可避免地出现随波垂荡的情况。,二、船在波浪中的运动,(3)船舶垂荡相对振幅也受船速的影响。当 时,船速的影响较小;当 时,船速越高,垂荡越激烈。因此,当波长船短时适当降速将大大缓解船舶垂荡的激烈程度。(4)THTE对垂荡运动振幅也有影响;但由于垂荡运动与纵摇一样也具有高阻尼性,故THTE的影响是随阻尼大小而变化的,也随船速不同而不同。一般说来,在船长波短船速较高的条件下,THTE处于0.8附近将出现较大的相对垂荡振幅。然而毕竟垂荡运动是高阻尼的,所以即使出现垂荡谐振也不会有很高的相对垂荡振幅。,二、船在波浪中的运动,3)船舶在不规则波中的纵摇情况 船舶在不规则波
16、中顶浪前进,它相当于遭遇一系列波长变化的规则波的作用,这时不再适用谐摇的概念,而需用临界状态的概念来说明船舶的摇摆情况。当船舶的纵摇周期TR和波浪TE相等时,将发生谐摇。如已知船舶的航行速度,则根据式(6一2)和(6一11)可推算出谐摇波长 根据谐摇波长和船长的关系,可以确定船舶所处的临界状态,从而判断船舶的摇荡情况。,二、船在波浪中的运动,(1)亚临界区域 船舶以某一速度航行,当谐摇波长小于3/4船长时,该船处于亚临界区域,这一速度相当于低速。此时,纵摇和垂荡都比较缓和,甲板干燥。不产生砰击。(2)超临界区域 当谐摇波长大于最大有义时,该船处于超临界区域,船舶的纵摇和垂荡中等。这相当于中速货
17、船在小波中航行,或快艇顶着中等海浪航行的情况。但在大浪中一般商船难以达到这么高的速度。,二、船在波浪中的运动,(3)临界区域 当谐摇波长介于船长和最大能量波长最大能量之间时,该船处于临界区域。此时,船舶的纵摇和垂荡都非常严重,可能出现强烈的拍底和上浪。所有船舶都有可能处于临界区域。为了减轻摇荡,须避开临界区域,其有效的方法是将船速降低到保持舵效的速度。根据以上临界状态的划分,我们可以根据遭遇的波浪要素来判断顶浪航行时船舶的摇荡情况。,三、大风浪中航行时所遭受的危害,1.横向受浪时所产生的危害横向受浪航行中,船舶容易出现横谐摇的情况,由于船舶的剧烈的横摇,将产生下列危害:(1)产生过大的横摇角;
18、(2)舷侧容易上浪;(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;(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。,三、大风浪中航行时所遭受的危害,2.纵向受浪时产生的危害1)拍底(slamming)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14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。容易产生拍底的条件有:/L1遇到与船长相当的波长时会产生剧烈的拍底。海上的波长在80140m之间,因此,如船长在这个范围内,则易发生拍底。,
19、三、大风浪中航行时所遭受的危害,(2)d/L5%。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(见图6一5)。(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。(4)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:保持船首吃水大于1/2满载吃水;避免纵摇和垂荡的谐振;减速,保持船速在Fn=0.1左右。,三、大风浪中航行时所遭受的危害,2)甲板上浪(ship water on deck)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
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