运输船舶在波浪中失速的近似估算

第17卷 第8期 中 国 水 运 Vol.17 No.8 2017年 8月 China Water Transport August 2017收稿日期：2017-06-01作者简介：刘 洋，男，大连海事大学，交通运输管理学院研究生。

基金项目：国家自然科学基金资助（71303026）；中国博士后科学基金资助（2015M580128）；辽宁省自然科学基金资助（2015020074）；辽宁省高等教育内涵发展专项资金（协同创新中心）资助（20110116102）。

浅析船舶在大风浪条件下如何安全航行刘 洋，刘 琳，郭大斌，胡 燕（大连海事大学，辽宁 大连 116026 ）摘 要：在海上，空气的运动产生风，海水的运动产生海流、潮汐、波浪等。

水面船舶在海上航行时，其运动状态无时不受到这些气象、水文要素的影响。

风、流都将会影响船舶的航行效率。

因此，船舶操纵的安全性不但涉及船舶操纵性能，而且还要考虑各种航行环境的影响。

对于在水面航行的船舶，由于船体水面以上暴漏在空气中，因而受到风压力的作用，从而改变了船舶在静水中的航行状态，进而影响船舶操纵的安全性。

近年来，有很多海上事故证明风浪对船舶的安全航行起着关键的作用，有时甚至是决定性的作用，例如发生火灾时，船舶受风方向将对能否及时扑灭火灾或是能否彻底灭火起到关键性的作用，其次，船舶靠离泊时风向对如何操纵有重要的影响。

要减少船舶在风浪中的航行困难，保证船舶的安全，应充分掌握风浪对船舶的影响规律，并在此基础上采取正确的操纵方法。

本文讨论风浪对操纵性能的主要影响因素，并探讨船舶在风浪中的操纵方法。

关键词：风浪；操纵性能；安全；操纵方法中图分类号：U676.1 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2017）08-0035-02一、引言安全是海上航行的首要任务，随着船舶越来越智能化以及船员素质不断提高，海船事故数量逐年减少。

据调查研究，其中大部分原因是由于人为因素所导致的，恶劣天气是造成事故的主要诱因，如大风浪、海啸、极地航行等等。

航海NAVIGATION38Marine Technology 航海技术风对船舶运动的影响及估算摘要：低速航行或者干舷较高的时候，风对船舶操纵的影响特别显著。

本文基于转心和风动力中心的相互位置和关系，分析风对船舶操纵的影响及偏转规律，并提出一种对风动力的估算方法，实例计算表明估算简易可行，可为船舶操纵实践和理论研究提供一定的参考。

关键词：船舶 操纵 风0 引言船舶在航行时，他的运动状态受到风、浪、流等外界的气象水文因素的影响，在低速航行或者干舷较高的时候，风对船舶操纵的影响特别显著，非常导致船舶操纵困难进而产生危险。

为确保安全顺利地进行船舶操纵，船舶操纵人员必须掌握外界因素对所操纵船舶的种种影响及规律，趋利避害，并结合正确运用船舶本身所具备的车、舵、锚、缆以及拖轮等设备和手段，是在风、流引起的外力影响下正确操纵船舶的关键。

对风、浪、流等外界环境因素对船舶操纵的影响，目前的船舶操纵理论研究偏重于定量分析风动力以及转船力矩的定量分析，但计算过程比较复杂，不利于实践应用。

为便于理解和记忆，本文基于转心P和风力中心W的相互位置和关系，讨论风对船舶操纵的影响及偏转规律，并提出一种船舶横向受风时的风动力简易估算方法。

1 风中偏转规律分析总的来说，当有较大横风时靠离泊或者在狭窄水道停船或者保持船位时，一定要事先考虑好，因为一般来说这种状况是很难控制船舶的姿态的，所以一定要认真学习和了解一些相关的风动力对船舶操纵影响的知识，以便利用其有力的方面，对不利的方面做好相关的准备对应的措施。

下面介绍一种通俗易懂的风中偏转规律分析，不用考虑水动力及重心等条件。

1.1 平吃水时偏转规律船舶受风影响时的运动规律与船舶运动状态以及装载状邢 政（舟山引航站 浙江舟山 316000）态均有关系。

对于运输船舶，船舶受风面积在船中前后的分布多数不是对称的。

平吃水时，受风面积中心大多位于船中之后，则其风动力中心大多比较靠后。

假设平吃水船舶在静水中停车且不对水移动，此时转心P在船中，风从正横处吹来作用在于船舶上的风力中心W通常接近于船中略后，会产生很小的转船力臂，会使船舶保持正横或接近正横受风状态，具体见图1-1。

横摇、纵摇和垂荡一、船舶横摇：1、船舶在规则波浪中的强制摇摆幅度θ可用下式表示：θ＝αο/[1－(Tө/τ)²]；αο－最大波面角；αο＝180°×H/λ，H－波高；λ－波长；τ－波浪周期；τ＝λ/c，c－波速Tө－船舶横摇周期；Tө＝CB÷GM ，C－横摇周期系数，客船0.75~0.85，货船0.70~0.80；B－船宽；GM－稳性高度；2、横摇规律：1）当Tө/τ＜1时：船舶横摇较快，甲板与波面经常保持平行，很少上浪，但船舶所受的惯性力较大；2）当Tө/τ＞1船舶摇摆较慢，并且与波浪不协调，船舷易与波浪撞击，甲板上浪较多；3）当Tө/τ≈1船舶摇摆最为剧烈，横摇角越摇越大，会导致船舶倾覆，称之为谐摇，这时应该立即改变航向，以改变波浪的相对周期τe，以防止谐摇的发生；τe＝λ/(c+Vcosφ)；－船首尾线与波浪的夹角，顶浪时为0°；顺浪时为180°；横浪时为90°。

4）谐摇时的横倾角可用下式估算：θ＝7.92αοαο－最大波面角；αο＝180°×H/λ。

二、船舶纵摇：船舶在规则波浪中的强制纵摇周期Tφ，可用Tφ＝CφL估算；Tφ－船舶纵摇周期；L－船长；－纵摇周期系数，客船0.45~0.55，客货船0.54~0.0.64，货船0.54~0.72，尾机船0.80~0.91，三、垂荡：船舶垂荡周期T H可用T H＝2.4 d 估算；d－船舶平均吃水。

四、容易产生拍底的条件有：1、λ/L≈1：会产生剧烈的拍底；海上波浪的波长在80~140之间，因此，如果船长在这个范围，则容易产生拍底现象；2、λ/L＜5％：容易产生拍底；一般空船时严重，⅔载以上时，则不易发生；3、L /λ＞1.3时，纵摇角较大；船长越大越趋于平稳；4、船舶对波浪的相对速度超过临界速度时，容易发生拍底；5、方形系数及菱形系数大的船舶，冲击力也大，U型船首V型船首相比，U型船首收拍击的次数多，强度也大。

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。

“xx轮”拖带“xx轮”拖航阻力计算依据：中国船级社《海上拖航指南》附录 2 海上拖航阻力估算方法：1.海上拖航总阻力 R T可按以下经验公式计算：R T=1.15[R f+R B+(R ft+R Bt)] KN------被拖船的摩擦阻力，kN；其中：RfR------被拖船的剩余阻力，kN；B------拖船的摩擦阻力，kN；Rft------拖船的剩余阻力，kN；RBt（1）被拖物的阻力按如下近似方法确定：a、摩擦阻力R f=1.67A1V1.83×10-3（kN）b、剩余阻力R B=0.147δA2V1.74+0.15v（kN）船舶或水上建筑物的水下湿表面积，㎡；式中：A1V 拖航速度，m/s （1 节=0.514m/s）；δ方型系数 0.8A2浸水部分的船中横剖面积，㎡（舯剖面系数×船宽×吃水）；如无详细资料，可按如下方法求得：其中：湿表面积A1正常船舶：A= L（1.7d+δB）m21=0.92L（B+1.81d）m2运输驳船、首尾有线形变化的箱型船：A1=L（B+2d）m2没有任何载重线型变化的箱型船及水上结构：A1式中：L,B,d 分别为船长、船宽、拖航吃水，m；δ=方型系数 0.8（2）拖船阻力R ft和R Bt可使用拖船的设计资料，如无资料也可按上述（1）的近似计算公式计算。

R f=R B=R ft=R Bt=R T=1.15[R f+R B+(R ft+R Bt)] KN= T2.对于受风面积庞大的钻井平台或其他水上建筑，其拖航阻力尚应按下式计算，与R T取较大值：∑R=0.7（R f+R B）+ R a + 1.15(R ft+R Bt) KN式中：R f，R B，R ft，R Bt同上述计算R a空气阻力，按下式计算：R a=0.5ρV w2ΣCsA i×10-3 KN其中：ρ空气密度，按1.22kg/m³计算；V w风速，取20.6m/sA i受风面积，按顶风计算；Cs 受风面积A i的形状系数，取1.01.受风数据受风面数据如下：总宽： m 总高： m2.空气阻力Ra =0.5ρV w2ΣCsA i×10-3 KNRa= KN总拖航阻力：∑R=0.7（R f+R B）+R a+1.15(R ft+R Bt)KN= KN= T∑R＜或＞Rt因此拖航总阻力：∑R或Rt结论：xx号系柱拖力xxT,在主机发挥85%功率的情况下，拖力为xxT，远大于拖航阻力xxT，根据《海上拖航指南》要求，满足此次拖航。

舰船风浪失速计算新模式
李超;石爱国;杨波;张永胜
【期刊名称】《中国航海》
【年(卷),期】2011(034)001
【摘要】舰船在风浪中的失速预报难以满足海上实践需求,是当前航海科学技术领域亟待解决的课题.通过对失速预报精度不高的三个主要原因进行了分析,明确了解决问题的思路.首先,提出了获取当前海浪谱的两种方案;其次.强调了必须会面计算波浪增阻、风增阻、螺旋桨推力损失、艏摇增阻,并一一给出了优化的计算公式;最后,通过对比功率一航速曲线得到失速值.采用这一失速计算新模式的计算结果和实船测试数据相比对,吻合良好,经完善可满足海上实践需求.
【总页数】6页(P63-67,85)
【作者】李超;石爱国;杨波;张永胜
【作者单位】海军大连舰艇学院,辽宁大连,116018;海军大连舰艇学院,辽宁大连,116018;海军大连舰艇学院,辽宁大连,116018;海军大连舰艇学院,辽宁大
连,116018
【正文语种】中文
【中图分类】U661.32+2
【相关文献】
1.舰船风浪航行失速的估算方法 [J], 李超;杨波;张永胜
2.风浪中舰船稳性计算 [J], 高占胜; 蔡烽; 迟卫; 侯建军; 杨宝璋
3.水下爆炸载荷和随机风浪联合作用下破损舰船的运动及其倾覆概率计算 [J], 江忠
4.水下爆炸载荷和随机风浪联合作用下破损舰船运动及其倾覆概率计算 [J], 高瑞
5.风浪中舰船横浪及随浪稳性计算 [J], 蔡烽;张永胜;周波;侯建军;石爱国;杨宝璋因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

·第三章4、我国船舶的航区、航线是如何划分的？海船航区常分为沿海航区、近洋航区、远洋航区，遮蔽航区。

航区划分通常是依据距航线离岸距离和风浪情况。

按海船稳性规范分为Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ三类航区,其中Ⅰ类航区称为无限航区。

内河船常按水系名称来分，如我国长江水域根据风浪及水流情况分为A,B,C级航段。

不固定航线的船通常提出主要航行的航线或航区。

定航线船通常给出停靠的港口等等。

7、何谓船舶入级？航行于国际航线的船舶依照国际惯例办理船级业务，应按《海船入级章程》申请入级，经检验合格后，发给相应的船级证书后，才能进行国际航行。

8、试航速度Vt与服务航速Vs有什么不同？试航速度一般指满载试航速度，即主机在最大持续功率情况下，静止深水中的新船满载试航所测得的航速。

而服务航速是指船平时营运所使用的速度，一般是一个平均值。

通常Vs较Vt慢0.5—1.0kn。

9、什么叫船的续航力和自持力？续航力一般是指在规定航速或主机功率下，船上一次装足的燃料可供船连续航行的距离。

自持力有时也叫自给力，指船上所带淡水、食品等能在海上维持的天数。

11、举例说明设计船的尺度受限制的原因？船长L，因泊位短，港域小，河道曲折而调头困难及通过船闸、船坞等原因，而使船长或最大长度有所限制；吃水T，受航道或港区水深所限制；船宽B，主要受过闸门、过运河的限制；船的水上高度部分，主要考虑过桥的限制。

12、船舶主要要素一般是指哪些？通常是指排水量△，载重量DW，船长L，船宽B，吃水T，型深D，方形系数Cb，航速V及主机功率P等。

13、什么是设计螺旋线？描述设计过程中逐步近似的特点，常用设计螺旋线表示。

设计螺旋线表示的意思是:如任务书已给定载重量DW及主机类型（包括功率及转速），此时可首先参考型船及有关资料，初估得一个排水量，并据此初估船长、型宽、吃水及型深，初选一个方形系数，并使其满足浮性方程，即△=ρKa LBTCb。

然后，根据这套主尺度，参考型船及有关资料，估计空船重量，求出船的排水量，看其是否与第一步初估得的排水量相吻合，如有差别，再进行主尺度及系数调整，直至排水量符合要求为止。

船舶耐波性总结第一章耐波性概述一、海浪的描述、、。

船舶耐波性是船舶在波浪中运动特性的统称，它包括船舶在波浪中所产生的各种摇荡运动以及由这些运动引起的抨击、飞溅、上浪、失速、螺旋桨飞车和波浪弯矩变化等性能，直接影响船舶在风浪作用下维持正常功能的能力。

二、6个自由度的摇荡运动船舶任意时刻的运动可以分解为在Oxyz坐标系内船舶中心G沿三个坐标轴的直线运动及船体绕三个坐标轴的转动。

而这些运动中又有直线运动和往复运动垂荡对船舶航行影响最大，是研究船舶摇荡运动的主要内容。

船舶摇荡是指船舶在风浪作用下产生的摇荡运动，他们的共同特点是在平衡位置附近做周期性的震荡作用。

产生何种摇荡运动形式取决于船首方向与风浪船舶方向之间的夹角，称为遭遇浪向。

三、动力响应船舶耐波性是船舶在风浪中性能的总的反应，它主要包括船舶摇荡、砰击、上浪、失速、螺旋桨飞车。

剧烈的横摇、纵摇和垂荡对船舶产生一系列有害的影响，甚至引起惨重后果，主要表现在以下三个方面：1）、对适居性的影响；2）、对航行使用性的影响；3）、对安全性的影响；船舶在风浪中产生摇荡运动时，船体本身具有角加速度和线加速度，因此属于非定常运动。

第二章海浪与统计分析2-1 海浪概述风浪的三要素：风速、风时、风区长度。

风浪要素定义：表观波长、表观波幅、表观周期。

充分发展海浪条件：应有足够的风时和风区长度。

海浪分类：风浪、涌浪、近岸浪。

风浪的要素表示方法：统计分析方法。

2-2规则波的特性波面可以用简单的函数表达的波浪称为规则波。

A 0=cos kx -t ξξω（）A k ξξω为波面升高，为波幅，为波数，为波浪圆频率。

在深水条件下，波长T c λ、周期和波速之间存在以下关系 ：≈； 2=1.56T λ； c==1.25T λλ； 2=T πω； 2k=g ω 波浪中水质点的振荡，并没有使水质点向前移动，也没用质量传递。

但是水质点具有速度且有升高，因此波浪具有能量。

余弦波单位波表面积的波浪所具有的能量2A 1E=g 2ρξ2-3不规则波理论基础一、不规则波的基本概念 1、确定性关系和统计关系我们所讨论的不规则波引起的船舶摇荡运动等都是属于统计规律范畴之内的。