大风浪中的船舶操纵

2.5大风浪中的船舶操纵

2.5.1恶劣天气下的船舶操纵及波浪概述

知识点1：恶劣天气下的船舶操纵

恶劣天气下的船舶操纵主要指大风浪中的船舶操纵。船舶在海上航行，不但受到风、流 的彫响，还受到波浪的影响。大的波浪不但影响船舶的运行效率，而且还危及人命和船舶的 安全。为避免船舶在大风浪中的危险情况，需要了解风浪的特性、风浪对船舶的影响以及风 浪中的操船。

知识点2：波浪概述

波浪是指水质点在重力以及表而张力作用下以其原有平衡位置为中心，在垂直方向上作 周期性轨圆运动的现彖，即波浪传送能量不传送质量。

波形是指位移对于质点坐标的曲线形状。它是在波的传播过程中，由波线上一系列质点 在某一时刻的位移的点所连接而成的曲线图形。

图2-2(“)给出了表示波形的空间坐标系，其坐标原点0位于静水时的水平而上，z为指 向上方垂直于该水平而的坐标轴，x为指向波浪传播方向的坐标轴。表示波形的时间历程的 坐标系。图2-2(b)给出了表示波形的时间历程的坐标系。

图2-2波形在空间的坐标

用于描述海浪的特征的物理量称为波浪要素，主要包括波髙、波周期、波长和波速等等。

1. 波峰、波谷、振幅与波高

波形最突起的地方或波而的最髙处称为“波峰”，波峰处的纵向位移为正向最大值。同 理，波形最凹下的地方或波而的最低处称为“波谷”，波谷处的纵向位移为反向最大值。振 幅是用来表示波浪强弱的物理量，它是指从静I匕水平面至波U金或波谷的距离，一般用符号⑺ 表不。

波髙指相邻波那或波谷间的垂直距离，一般用符号H表示，显然，波高等于2倍的振幅，

即 Ha 二 20。

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)相继通过一固左点所经历的时间， 称为''波浪周期”，简称“波周期”，一般用符号戌示。波浪的显著特点是周期性，即位 移、速度、加速度，经过一立时间之后又重复地回到原来的数值。根据简谐振动原理，有 T二 2曲3

其中，0为“角频率”，也称波浪频率。

3. 波速

波速指波传播的速度，一般用符号c表示。波速取决于水的惯性和弹性，而与波的频率 无关。波速有两种含义，在物理意义上有明显的区别。

（1） 相速度：等相位而或波唸（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”。

（2） 群速度：即群波传播能量的速度。群波是由一系列波长和频率不同的波叠加而成 的合成波，则群波的波形将随时间变化。若各个分波在水中传播的相速度各不相同，其振幅 最大部分的运动速度称为群波的群速度。其值约为相速度（波速）的一半。

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”。一般用符号儼示。波长是指任意两个相位差为加的水质点之间的距离。由波 速、波长的龙义可知：在水质点振动的一个周期内，振动状态传播的距离恰是一个波长，所 以

2=c/co^u=cT

式中，3表示波频率。波长、波速和频率，称为波浪的三要素。

5. 波陡

指波高与波长之比（H,9）,它是用来描述波形的陡峭程度。

6. 波浪要素的估算

波浪前进时，水而上每个水分子都沿直径和波髙相等的圆形轨道运动。波d犀上水分子运 动方向与波浪前进方向一致，则波U金比较陡峭：波谷中水分子运动方向却与波浪前进方向相 反，则波谷比较平坦，故称为坦谷波。

（1）规则波

海浪可以被认为由很多简单、规则的谐波所组成，每个谐波有英自身的振幅、波长（或 周期或频率）以及传播方向，这种简单、规则的谐波称为规则波。规则波实际上是一种假圮 的波浪，尽管其与实际波浪有一左的差异，但它使复杂的船舶在波浪中的运动问题大为简化, 故在许多研究领域具有广泛的应用价值。

根据波浪余摆线理论，波浪可用正弦或余弦波表示，则波浪要素之间有如下关系：

其中:k ---- 波数(rad/m):

3 ---- 波的频率（rad/s）；

根据势流理论，对于深水中的波浪，有

k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:

r = o.8VI

c = 1（2—3） ty = 7.85/VI 值得注意的是，式（2-3）仅适用于深水中的规则波。

（2）不规则波

实际上，海浪是极其不规则的。对于不规则波的描述采用实际观测统计结果来表示。经 过一左时间观测，将观测到的波髙按从大到小依序排列起来，形成一个波列，则该波列中最 大的波髙称为最大波，记为Hnuu，对应的周期为几臥。

取该波列中最高的一部分波的波高的算术平均值，称为“部分大波的平均波高”。如取 波列中波髙较大的1/10个波髙算术平均值，称为1/10最大波髙，记为H\/ 10,所对应之周 期之平均值称为1/10最大周期，记为TI/10,据对海上不规则波进行统111/10最大波高是平 均波髙的2.0倍：如取波列中波髙较大的1/3个波髙算术平均值，称为1/3最大波高，也称为 有义波高，有时也称作有效波，记为H“3,它是波浪预报的一个重要指标。人们在海上目测 的波髙非常接近有义波高。所对应周期的平均值称为1/3最大波周期，记为丁门，也称为有义 波周期。

常把有义波高旳3设为1,贝IJ用统计法可求得平均波髙弘为0.63,旳w为1.27, Hwoo为

1.610

有义波高可用来确左最大有义波长和最大能量波长，即

入最大有义=60W1/3

入最大能呈：=40/71/3

根据这两个波长可以估汁岀某船在该不规则波中航行时的摇摆情况。

2.5.2船前在波浪的运动

知识点1：船舶在波浪的运动

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轴一一纵荡和横摇；

y轴一横荡和纵摇；

z轴一一垂荡和首摇；

其中对船舶安全有威胁的摇摆是横摇、纵摇和垂荡。改变航向和（或）船速，可以改变 船舶的摇荡程度。船舶在波浪中的摇荡程度取决于作用于船舶的外力和外力矩以及船舶本身 的运动性能。

知识点2：波浪遭遇周期

设船舶以与波浪方向成一左的交角P和船速V在波浪中运动，则波浪相对于船舶的传播 速度为

VE=c + Ucos“ （2-4）

式中：VE一一相对波速（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”。

遭遇周期可用下式表示，

式中：TE一一遭遇周期（s）：

2 ----- 波长（m）：

知识点3：波向角及船舶摇摆程度

当船速">0时，遭遇频率取决于波向角。在海上，船舶遭遇不同的波向角分别称为顶 浪、偏顶浪、横浪、偏顺浪和顺浪。以右舷受浪说明如下。

当0°^<30°时，称为顶浪，也称为“迎浪”，其遭遇频率比波浪频率要髙，纵摇摆幅 较大，横摇摆幅较小。在尸0。时遭遇频率最高，相应的纵摇摆幅最大。

当3（TW“<60。时，称为偏顶浪，荘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。

当60°^<120°时，称为横浪，英遭遇频率比偏顶浪时要低，纵摇摆幅较小，横摇摆幅 较大。在“二90。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。

当120。冬“<150。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。

当150° 180°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。

在“二180。时遭遇频率最低，相应的纵摇摆幅较大，横摇摆幅较小。

知识点4：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：

式中：B——船宽（m）；

GM—一初稳性高度（m）：

C一一横摇周期系数，客船为0. 75〜0. 85：货船为0. 7〜0. 8；油船重载时为0. 7〜0.

75： 油船压载时为0.74〜0.94；漁船为0.76〜0.88。其也可按下式计算：

C =0 746 + 0.046 （ B/d ） -0. 086 （L/100） （2-7）

各类船舶的横摇周期如表2-2所示。船舶种类 横搖周期心⑸ 7；厶一^

VE c + V cos “ (2-5)

(2-6) 表2-2

客船 500-1000t 6〜9

客船 1000-500 Ot 9~13

客船 5000~10000t 13 〜15 |

客 船10000〜300 0吐 16 〜20

客 船 30000-50000t 20 〜28

货 船（满载） 9~14

货 船低载） 7〜10 1

拖 轮 6〜3

大型油船的横摇周期，空载时都在6s以下，满载时在14s以上。

从船舶设备承受情况及船员的舒适程度和船舶安全考虑，一般来说，GM>B/10横摇过 于剧烈，而GMVB/30横摇过于缓慢，当B/30VGMVB/10时比较适中。

由式（2-7）可见，船舶自由横摇周期与船宽、船型以及横稳性高度等因素有关，其中 只有初稳性髙度是可以调整的。实际上，对于航行中的船舶，调整初稳性髙度几乎是不可能 的，故一般采取调整遭遇周期的措施。

2. 横摇摆幅

船舶在波浪中横向摇摆的幅度称为横摇摆幅，一般用横摇角来表示。在规则波中的强迫 横摇摆幅可以近似地用下式表示：

1_匹丫 <2-8）

匕丿

式中：ao一一最大波而角（°） 180/7/2：

TR——船舶自由横摇周期（s）：

当船舶横摇周期小于遭遇周期，即加/TEV1时，则船舶横摇频率大于遭遇频率，船舶 横摇较快，甲板平而与波而经常保持平行，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，即时，则船舶横摇频率小于遭遇频率，船舶 横摇较慢，甲板平而与波而经常不平行，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/TER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：

4 = 7.92 Jd。 （2~9 ）

式中：他 -- 最大波面角。

实际上，一般徑TR/TEH.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

船舶在波浪中横摇剧烈时，不但会危及人员、设备、货物和船舶的安全，严重时还会发 生谐摇而使船舶倾覆。则需要采取减摇措施，避免谐摇的产生。从船舶操纵角度出发，减摇 措施包括调整船舶自由横摇周期和遭遇周期。

（1）调整船舶自由横摇周期