船舶操纵第四章.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第四章 航行环境对操纵的影响,何谓航行环境？,自然环境,气象,雾,雨,风,波浪,潮汐,航道宽度,第一节 风对船舶运动的影响,第二节 流对船舶运动的影响,第三节 受限水域对船舶运动的影响,第四节 航行下沉量及富余水深,1,第一节 风对船舶运动的影响,一、风场概述,风速,风向,1、风向和风速,风的特征参数,指风的来向,表示方法：,圆周表示法,相对方位表示法,指单位时间内空气在水平方向上的位移,表示方法：,米/秒（m/s）,节（kn）,2,第一节 风对船舶运动的影响,2、定常风与非定常风,定常风指风向、风速不随时间空间发生变化的风。,实际不存在,。,风速沿水面以上面积的垂向分布是不均匀的。由下至上逐渐增大。,非定常风指风向、风速随时间空间发生变化的风。,实际风都是非定常风,。,3,第一节 风对船舶运动的影响,4、风力与风压,1）风力指风对地面或海面影响程度的等级。,式中：,q,风压强(N/m,2,),a,空气密度(1.226kg/m,3,),V,a,相对风速(m/s),2）风压指与风垂直的单位面积所受的压力。,表示方法：蒲福风力等级012级。,表示方法：,5,第一节 风对船舶运动的影响,二、风压力及风压力矩,1、风压力,船舶所受的风力可用Hughes公式予以估算：,式中：,F,a,为水线以上船体所受的风力（N）；,q,为风压强（N/m2）；,C,a,为风力系数；,A,T,为水线以上船体正投影面积（m2）；,A,L,为水线以上船体侧投影面积（m2）；,为相对风舷角；,式中：,X,a,为风压力在x轴方向的分量；,Y,a,为风压力在y轴方向的分量；,C,aX,为纵向风力系数；,C,aY,为横向风力系数；,为相对风舷角；,6,第一节 风对船舶运动的影响,2、风压力角,风压力,F,a,与船首尾线的夹角，称为风压角。,岩井也给出一个估算式：,7,第一节 风对船舶运动的影响,3、风压力中心位置,风力作用中心一般以距船首的距离,a,与两柱间船长,L,的比值,a/L,表示，,a/L,随风舷角,的增大近似呈线性增加，其值大约在0.30.8之间,。,船舶平吃水时风力作用中心一般位于船中前。压载，尾倾较大时，可能位于船中后。,风力作用中心指受风面积中心沿纵向的位置。,8,第一节 风对船舶运动的影响,三、风压系数及其试验值,风压力系数和风压力矩系数统称为力矩系数,。船型一定时，风压系数和风弦角有关,。,1、风压系数的表达,风压合力系数:,风压分力系数:,10,第一节 风对船舶运动的影响,四、风作用下的船舶转动,在风的作用下船舶既有平动运动的变化，也有转动运动的变化。,影响因素：,决定船舶运动状态的因素：,风向、风速、受风面积、船舶运动状态及载态。,风压力中心,A,、船舶重心,G,和水动力中心,W,。,12,第一节 风对船舶运动的影响,2、船舶前进中受风转动规律,14,第一节 风对船舶运动的影响,3、船舶后退中受风转动规律,15,第一节 风对船舶运动的影响,五、风作用下的船舶漂移运动,静水中的船舶因风的直接作用和水动力的间接作用而产生的横向运动称为风致漂移。,1、风压差角,u,风中船速在,x,轴上的分量；,v,风中船速在,y,轴上的分量，,也称漂移速度；,16,第一节 风对船舶运动的影响,2、风作用下的横向漂移速度,船舶在风中的漂移速度与,船型、相对风速，相对风向、水深和船速,等因素有关。,船舶在风压力的横向分量的作用下，船舶的横向运动状态将发生变化，产生横移速度即漂移速度。,一般情况下横向受风漂移速度最大，首尾受风时漂移速度变化不大。,17,第一节 风对船舶运动的影响,1）前进中受风移速度,18,第一节 风对船舶运动的影响,敞水中受风横移速度可用下式估算：,空载时：,满载时：,20,第一节 风对船舶运动的影响,六、船舶风中保向界限,1、保向界限的概念,1）定义：船舶在风中是否具有保向能力的界限。,2）船舶在风中所受的合力矩,N=N,R,+N,H,-N,a,3）,N,0,，,即,N,R,N,a,-N,H,时，可以保向；,N,0,，,即,N,R,N,a,-N,H,时，不能保向。,21,第一节 风对船舶运动的影响,强风中操船的可保向界限曲线,23,第一节 风对船舶运动的影响,风中船舶旋回轨迹,24,第二节 流对船舶运动的影响,2、海流的种类,按成因分为：,按局部流场的流向、流速分为：,风生流,均匀流,潮流,密度流,非均匀流,3、潮流及其种类,1）定义：潮流是指海水在潮汐变化过程中周期性的水平流动。,26,第二节 流对船舶运动的影响,2）种类：,按潮汐的涨落分为：,按流体流态：,按潮汐的性质：,落潮流,涨潮流,旋转流,往复流,半日周期潮流,日周期潮流,混合潮流,前进波：潮流转向在半潮面,驻波：潮流转向在高低潮,憩流：涨潮流与落潮流交替之际,水体短暂停止流动的现象,27,第二节 流对船舶运动的影响,二、均匀流对船舶运动的影响,1、流对航速的影响,流对船舶运动的影响：,约束状态下的影响,自由航行状态下的影响,V,0,=,V,c,+,V,V,0,航速,V,c,流速,V 船速,28,第二节 流对船舶运动的影响,流压差角为：,流弦角,c,=0,0,时，流压差角,=0,0,；流弦角,c,=90,0,时，流压差角,=90,0,。,令,则：,流弦角0,0,c,90,0,或90,0,c,180,0,时，流的影响情况？,30,第二节 流对船舶运动的影响,3、流对舵力、舵效的影响,4、流对旋回运动的影响,顶流时舵效比顺流时好。为什么？,不影响船舶对水旋回圈的大小。但对地旋回圈将在流的方向上，以流速发生漂移和变形。,31,第二节 流对船舶运动的影响,三、非均匀流对船舶运动的影响,1、顶流通过弯道,2、顺流通过弯道,流向和流速在局部水域范围内不相同的流场。,32,第三节 受限水域对船舶运动的影响,一、受限水域的概念,1、受限水域的类型,1）非受限浅水域,2）受限航道,3）航槽,受限水域是指水深、宽度受到限制的可航水域，如江河、运河、进港航道以及港内水域。,宽度不受限制的浅水域。,指人工修缮的宽度受限制的可航水域。,宽度受限制的可航水域也称深水航道。,33,第三节 受限水域对船舶运动的影响,2、浅水的概念,1）深水,2）中等水深,3）浅水,4）超浅水,当1.5 h/d 3.0，船舶操纵性基本不受水深影响。,当1.2 h/d 1.5时，船舶操纵性受到明显影响。,当h/d 1.2时，船舶操纵性受到显著影响。,34,第三节 受限水域对船舶运动的影响,3、受限水域宽度,受限水域宽度一般用航道宽度表示，通常用相对航道宽度，即航道宽度与船长之比,(W/L),表示。,一般认为,W/L2,时，将对船舶操纵产生影响；,W/L1,时，产生明显影响。,35,第三节 受限水域对船舶运动的影响,二、浅水效应及其对船舶运动的影响,船舶由深水驶入浅水将产生如下效应：,1、浅水中船体周围的流态,1）船舶阻力增大，船速降低。,2）船舶水动力和力矩增大，横移和转向困难。,3）船体下沉和纵倾变化剧烈。,4）船体发生剧烈振动。,5）船舶操纵性发生变化。,36,第三节 受限水域对船舶运动的影响,3、浅水对附加质量和附加惯性矩的影响,2、浅水对船舶阻力的影响,4、浅水对水动力及力矩的影响P102,1）摩擦阻力增加。,2）兴波阻力增加。,3）螺旋桨推进效率下降。,由于附加质量和附加惯性矩的增加，船舶不易改变运动状态。,37,第三节 受限水域对船舶运动的影响,5、浅水对船舶操纵性的影响,1）浅水对旋回性的影响,2）浅水对首摇抑制性的影响,3）浅水对航向稳定性的影响同首摇抑制性。,4）浅水对停船性能的影响,从深水到中等水深，随水深的减小而变差。,从中等水深到浅水，随水深的减小而变好。,对冲程的影响不明显，对倒车中船首的偏转影响明显。,38,第三节 受限水域对船舶运动的影响,三、岸壁对船舶运动的影响,1、岸壁效应,船舶偏离航道中心线而靠近航道一侧岸壁时，靠近岸壁的一侧水流加速，压力下降，产生使船舶靠近岸边的附加作用力，即岸吸力。同时还产生一个使船首偏离岸壁的力矩，即岸推力矩。岸吸力和岸推力矩通称为“岸壁效应”。如下图所示：,39,第三节 受限水域对船舶运动的影响,2、影响岸壁效应的因素,1）船和岸壁之间的距离,2）前进速度,3）水深与吃水比,4）螺旋桨的作用,5）岸壁的几何形状,3、弹性效应,指当船舶以一定的横向速度接近岸壁的过程中，作用在船体上的水动力随离岸距离的减小而增加。,40,第三节 受限水域对船舶运动的影响,四、船舶在受限水域中的航迹带,指船舶航行时，为保持航迹所占用的水域宽度。,1、无风无流的航迹带宽度。,影响因素：船舶的操纵性能,操船者的操纵技能,41,第三节 受限水域对船舶运动的影响,2、风对航迹带宽度的影响,影响因素：相对风向、相对风速与船速的比、水深与吃水比、船舶载况、船型。,3、流对航迹带宽度的影响,影响因素：流速、水深与吃水比、船舶载况、船型。,4、船速对航迹带宽度的影响,船速的影响不大。,42,第三节 受限水域对船舶运动的影响,五、船间效应及其影响因素,指两船在近距离上对驶、追越或一船近距离驶过另一系泊船时，船舶将出现加速或减速、吸引或排斥以及转头等现象。,1、两船船长接近相等时的船间效应模式,（1）纵向阻力随两船距离的,减小,而,增大,。,（2）横向随两船距离的接近，表现为,排斥-吸引-排斥。,（3）转动表现为,排斥-吸引-排斥-吸引。,1）对驶,43,第三节 受限水域对船舶运动的影响,（1）纵向阻力随两船距离的,减小,而,增大,。,（2）横向表现为,吸引。,2）本船以一定的速度通过停泊船时,（1）纵向阻力随两船距离的,减小,而,增大,。,（2）当追越船A接近被追越船B,船尾时，易出现B船内转，挡住A船进路而导致与A船首触碰的危险。同理，当A船船尾接近B船首时，易出现A船内转，挡住B船进路，而导致与B船船首触碰的危险。,3）追越时,44,第三节 受限水域对船舶运动的影响,（4）当A，B两船平行时，两船间横向作用力很大，若并驶时间较长，随着两船距离的迅速接近，将出现追越船A船船尾擦碰B船船中的危险现象。,（3）A，B,两船有部分重叠时，两船回转力矩先后达到最大值，将出现危险的转头运动。在这种情况下易出现追越船A船船首突然内转，碰撞被追越船B的船中或船尾的现象。同理，当A船船首追过B船，两船有部分重叠时，也将出现危险的转头运动，被追越船B船的船首碰撞追越船A的船中或船尾。,45,第三节 受限水域对船舶运动的影响,2、两船船长差别较大时的船间效应模式,1）对驶时，模式不变，船间效应发生的频率高，对尺寸较小的船转动影响明显增大。,2）追越时，模式不变，船间效应发生的频率不同。,46,第四节 航行下沉量及富余水深,一、航行中船体升沉与纵倾,船舶在水中运动时，船体周围水的压力分布发生不均匀的变化。船首尾为高压区，且船首高于船尾，船中为低压区。,船体周围的水位下降或上升。,船体下降、上升或纵倾。,这种船体浮态的变化称为升沉与纵倾。,47,第四节 航行下沉量及富余水深,1、深水中船体的升沉与纵倾,48,第四节 航行下沉量及富余水深,2、受限水域中的船体下沉,船舶在受限水域中运动时，船体周围水的压力分布发生不均匀的变化。船中为低压区扩展至船首尾。,船体下沉和纵倾的变化较深水更为显著。P111,二、受限水域中的船体下沉估算(略),49,第四节 航行下沉量及富余水深,三、船型及水深对下沉量的影响,方形系数越大船航行下沉量越大。,四、富余水深及其影响因素,1、富余水深的定义,水深越小船舶航行下沉量越大。,为保证船舶航行安全，并使船体水下有足够的空间供船舶操纵，在考虑航行水域条件和气象条件的基础上，船舶龙骨下水深留有一定的安全余量，该余量称之为富余水深,(,UKC,),。,UKC=h-d,50,第四节 航行下沉量及富余水深,2、影响富余水深的因素,船舶的纵倾、横倾、航行下沉量、波浪等。,3、确定富余水深应考虑的因素,UKC=s+h,1,+h,2,+h,3,+h,0,51,第四节 航行下沉量及富余水深,1）,s,船舶航行下沉量,2）,h,1,船舶航行龙骨下最小富余水深,考虑船舶航行下沉量后船舶基线至海底之间的最小富余水深（净富余水深）。,作用：一是防止船舶擦底或搁浅；,二是保证船舶具有一定的操纵性。,由海底底质条件确定。,52,第四节 航行下沉量及富余水深,3）,h,2,波浪富余水深,波浪将引起船舶横摇、纵摇和垂荡，因而引起船舶吃水增加。,根据水域的遮蔽条件确定。,4）,h,3,船舶纵倾富余水深,采用首尾的最大吃水。,5）,h,0,其他富余水深,其他富裕深度包括水密度减小、潮汐测量误差和海图水深误差等。,53,第四节 航行下沉量及富余水深,六、港内富余水深实例,欧洲引水协会（EMPA），对进出鹿特丹、安特卫普港的船舶建议采用如下的富余水深：,外海水道 港外水道 港内,船舶吃水的20%船舶吃水的15%船舶吃水的10%,荷兰的Europoort港，对于VLCC采用较上述值低5%的富余水深标准。,54,第四节 航行下沉量及富余水深,马六甲海峡、新加坡海峡对VLCC（DW15万吨）油轮及深吃水（d15m）船舶过境，规定了至少应确保3.5m富余水深的义务。,日本獭户内海主要港口的富余水深标准为：,吃水在9m以内的船舶，取吃水的5%,吃水在912m的船舶，取吃水的8%,吃水在12m以上的船舶，取吃水的10%,55,