大风浪中船舶顺浪斜顺浪航行的危险及对策.doc

精品文档，仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除大风浪中船舶顺浪和斜顺浪航行的危险及对策赵月林（大连海事大学航海学院，辽宁大连，116026）摘要：本文探讨了大风浪中顺浪航行的危险和产生这些危险的机理从稳性降低的角度考虑，当船长与波长接近、波速与船速接近时顺浪航行危险最大；从尾淹和打横的角度，当波长超过两倍船长、波速与船速接近时顺浪航行危险最大；从横摇的角度，顺浪或者斜顺浪航行较顶浪或者斜顶浪航行更容易发生横谐摇根据对这些危险的机理分析，并结合有关的理论研究成果和实际操船实践，提出了各种船舶顺浪和斜顺浪航行的操纵措施关键词：顺浪和斜顺浪航行；稳性降低；尾淹和打横；横谐摇；船舶操纵 前言所谓顺浪航行通常是指船尾正后方左右各15°方向来浪航行的方法，而斜顺浪航行通常是指正横后大于45°到正后方15°范围内来浪航行的方法顺浪或斜顺浪航行，可能是基于航次计划的需要；也可能是基于大风浪操船的需要，例如，在避台操纵中，当船舶位于台风路径的进路上或者可航半园时，往往需要通过偏尾受风的方式斜顺浪航行驶离台风中心，又如，在顶浪航行或者滞航中仍然经不起波浪袭击的船舶，可以采用顺浪航行然而，虽然顺浪航行具有降低波浪对船的相对速度从而大大缓解波浪对船舶的袭击，同时船舶在风浪中可以保持较高的船速，有利于摆脱风浪区等优点，但是顺浪或斜顺浪航行中仍然存在船舶稳性降低、出现尾淹和打横、横谐摇等危险。

本文试图从探讨产生这些危害的机理出发，并结合有关理论研究和实际操船实践，针对不同的船舶，提出大风浪中船舶顺浪或斜顺浪航行的适用条件和操纵注意事项一、船舶在波浪中的稳性变化1. 顺浪航行顺浪航行，当船长与波长接近相等时，如图1所示，当波峰处于船中附近时，由于水线面面积惯性矩减小等原因，导致复原力矩明显变小，船舶稳性降低；当波谷处于船中附近时，水线面面积惯性矩将增加，复原力矩将增加，船舶稳性提高图1 船中在波峰和波谷中时水线面面积惯性矩的变化事实上这种复原力矩变化导致船舶稳性的变化，无论船舶是在顶浪航行还是顺浪航行中均存在，只是在顶浪航行中，船舶与波浪的相对速度大，持续时间短，这种船舶稳性的变化对船舶安全的影响不大而已而在顺浪中，由于船舶与波浪的相对速度小，这种稳性的变化对船舶的影响较大，因此，复原力矩的变化主要考虑顺浪航行中的情况顺浪航行中这种复原力矩的变化，与波长和船长的关系、波速和船速的关系、载态以及波高等因素有关当波长与船长接近相等，波速与船速接近相等时，就可能导致波峰始终处于船中附近，从而导致船舶复原力矩的持续减小，从而使船舶的稳性减小甚至消失而存在倾覆的危险当船长远远超过波长时，这时船舶将跨越两个波峰或者波谷，船舶复原力矩的变化将减小，这种由于复原力矩减小而倾覆的危险性将大大降低。

当波长大大超过船长时，船舶将处于波浪的上坡段或者下坡段，船舶复原力矩的变化也将大大降低当船速与波速存在显出差异时，船舶复原力矩的变化将呈现周期性的变化，船舶倾覆的危险将大大降低波高越大，船舶水线面面积惯性矩的变化也越大，复原力矩的变化也越大从船舶的载态看，当船舶重载或者吃水较大时，这种复原力矩的变化将有所减小文献[1]对“怀河”轮集装箱船在波高为2m、波长与船长相等（114m）的波浪中顺浪航行中船舶初稳性高度和大倾角复原力矩进行了计算该轮在静水中的初稳性高度为1.45m时，当其船中位于波峰时初稳性高度只有1.13m，在大倾角时的复原力矩也将大幅度减小，且船舶横倾角越大，当船中在波峰中时的复原力矩的减小越大也就是说，当船舶存在大倾角横摇时，船舶更容易出现倾覆现象 从上述分析可以看出，从稳性降低的角度考虑，顺浪航行对船长与波长接近、波速与船速接近的船舶的危险性最大鉴于大洋中最容易产生的波浪的波长是80～140m，相应的波速为11.2~14.8m/s，因此，从船长角度，大洋上顺浪航行对于船长为80～140m左右的中小型船舶的危险性较大，但是由于这种中小型船舶（集装箱船舶等船速较高的船舶外），往往难以达到波速，其危险性相对减小，即使能够达到与波速相接近的船速，仍然可以采取大幅度减速的措施，使得船速与波速产生显著差异，从而减小船舶因顺浪航行而使复原力矩减小的危险性。

对于大型船舶而言，由于其船长较长，在顺浪航行中往往跨越两个波峰或者波谷，这种波浪对船舶复原力矩的影响较小，其顺浪航行的危险性较小对于小型船舶而言（如渔船），当其在沿海水域遭遇到波长较短的风浪时，一方面由于风浪的波长较短，另一方面由于沿海水域水深较浅，波浪的速度减小，这样使得容易满足船长与波长接近、船速与波速接近的条件，从而使得船舶的稳性降低甚至消失，容易出现船舶倾覆的危险实际上，船舶是在不规则波中航行，因此，其遭受的是一系列不同波长、不同波速、不同波高的波浪，任何船舶尤其是中小型船舶均有可能遭受波长与船长接近、波速与船速接近的波浪，从而使得船舶的稳性降低2. 斜顺浪航行在斜顺浪航行的情况下，即当船舶与波浪形成一定的波浪舷角时，左右舷的船侧波是非对称性的，在其他条件相同的情况下，随着波浪舷角的增大，船舶水线面面积惯性矩的变化将减小，船舶复原力矩的变化也将减小从这一角度而言，在斜顺浪航行时，当船中处于波峰位置时，其初稳性高度的减小将随着波浪舷角的增大而减小此外，斜顺浪航行时，如图2所示，由于船舶与波浪传播方向存在一个较大的交角，要满足波峰始终在船中附近而使船舶复原力矩急剧减小的条件，相对于顺浪航行的情况，要求船长更长、船速更高。

如前所述，大中型船舶虽然具备船长与波长相接近的条件，但船速难以达到波速，在这种斜顺浪航行时，其船速更难以达到波速波速船速波峰波谷波谷图2 船舶斜顺浪航行时的情况然而值得注意的是，虽然斜顺浪航行时不容易满足船中始终在波峰的条件而引起船舶复原力矩的下降，但是，当船舶斜顺浪航行时，因船舶与波浪存在一定的夹角，船舶左右两舷所受的波浪浮力不同，如图3所示，船体在波浪的浮力的作用下，在作用于船体浸水部分的倾斜力矩的作用下，船舶将产生一个初始横倾角，该初始横倾角将随波浪舷角的增加而增加船舶在横摇过程中，这种倾斜力矩可能使船舶的横摇角度加大，尤其是当船舶的固有横摇周期与波浪遭遇周期相接近的情况下因此，从这一方面考虑，斜顺浪航行可能较顺浪航向更为危险从实际的情况看，斜顺浪航行较顺浪航行更危险波浪浮力产生的倾斜力矩图3 船舶斜顺浪航行时波浪浮力产生的倾斜力矩二、顺浪航行中的尾淹和打横船舶顺浪或斜顺浪航行中，当船尾陷入比船速快的波谷时，浪打上船尾甲板，称为尾淹此时，船与波的相对速度很小，波通过船的时间较长，打上海水的机会就多打在甲板上的海水，一方面使得船舶载荷增加，储备浮力减小；另一方面甲板上的海水可看作是自由液面对稳性的影响，将使船舶的稳性降低。

当船尾干舷低或者排水不畅时，这种影响更甚此外，严寒时还有结冰的危险从尾淹的角度看，当波浪的速度略大于船速时，船尾将周期性地上浪船舶顺浪或斜顺浪航行时，当船舶处于波浪的下坡段（追逐波的前倾斜面）时，由于船舶首尾所受的水压力不同，使得船舶航向稳定性（直线运动稳定性）变差，同时由于作用在船尾左右两舷的波浪力不同，在船舶上作用一个使船舶转向横浪的力矩，从而会出现航向不稳定状态，甚至突然产生首摇而横于波浪中，即所谓打横（broaching-to）此时，瞬间产生很大的横倾，袭来的波浪打到船上便会使船陷入非常危险的境地波峰波谷波速轨圆运动速度轨圆运动速度船速图4 波浪水质点运动产生的偏航上述现象产生的原因是由于水质点的轨圆运动，使得处于波浪不同位置处的船首和船尾受有不同的水压力如图4所示，在波峰处，水质点的轨圆运动速度与船速方向一致，船尾部与水的相对速度降低，水动力减小，而在波谷处，水质点的轨圆运动速度与船速方向相反，船首部的相对速度增加，水动力增加，从而使得船体周围水压力的分布发生了变化，即船舶水动力作用中心向船首方向移动，使得船舶的直线运动稳定性变差事实上，这种船舶在波浪中航向稳定性变差的情况同样出现在顶浪或者偏顶浪航行中。

只是由于在顺浪或者斜顺浪航行中，由于波浪和船舶的相对速度小，波浪作用的时间长，这种现象更为显著而已当船舶运动方向与波浪传播速度方向存在一夹角时，船首、船尾所作用的水动力产生的水动力力矩将均使船舶转向横浪从上述的定性分析可以看出，这种打横现象的严重程度主要取决于下列因素：（1）水质点的轨圆运动速度波高越大、波浪周期越小即水质点轨圆运动的频率越高，水质点轨圆运动的速度越大这种情况下，船体周围水压力的变化越激烈，船舶航向稳定性变差的现象越严重2）波长、船长与波向角的配合恰好使得船尾处于波峰而船首处于波谷时也就是说，顺浪航行中，当波长约为2倍的船长，而船尾恰好处于波峰、船首处于波谷时，船舶最容易出现打横现象3）波浪持续作用时间当波浪的传播速度在船长方向上的分量与船速相等或接近相等时，波浪作用时间长，这种打横现象也容易发生4）波浪与船首向的夹角当波浪与船首向存在一定夹角而使得船舶所受的波浪转船力矩最大时，最容易发生打横现象5）船舶本身的操纵性能船舶航向稳定性和保向性差的船舶，容易受外界波浪的影响而容易出现打横的现象在船舶在顺浪航行中打横的定量研究，主要有数学模拟方法和试验方法，总结有关数学方法的模拟结果以及船模试验的统计结果，船舶容易发生打横的条件是[2]：波长船长比＝1.0~2.5；船速近似平均波速；船体位于波浪的下坡段；波高与波长之比大于等于1/25；斜顺浪航行中，波浪舷角为20°~30°之间；方形船尾受波浪冲击面大，容易受轨圆运动水质点横向分力的扰动，其打横的发生率要大于椭圆形船尾。

结合容易产生尾淹和打横的条件以及大洋上最容易产生的波浪的波长是80～140m，相应的波速为11.2~14.8m/s的情况，可以看出，当船长超过波长的1.5倍（即120～210m）时，船舶将至少横跨两个波峰，船舶的纵摇幅度较小，一般不会产生激烈的尾淹和打横现象，而小型船舶或者中型船舶在长浪中顺浪或者斜顺浪航行，则可能容易出现尾淹和打横现象三、横谐摇当船舶的固有横摇周期与波浪的遭遇周期相等或接近相等时，船舶将产生横谐摇从而导致激烈的横摇其中波浪的遭遇周期可以利用下式计算： ……………（1）鉴于大洋上常见的波长位于80～140m之间，200～300m的波长很少遇到，选择波长为100～250m作为船舶遭遇大风浪的波长，已经具有很好的代表性 世界上主要海洋中经常发生的最大波长如下：南印度洋236m，南大西洋210m，北大西洋168m，中国南海78m参见：冯铁城等编，《船舶操纵与摇荡》，国防工业出版社，1989年版，第104页船舶固有横摇周期主要与船宽以及船舶的初稳性高度有关，但其值均有一定的范围，一般货船的固有横摇周期为空载时7～10s，满载时9～14s；超大型油船空载时都在6s以下，满载时在14s以上；渔船4～8s。

为此，笔者分别针对固有横摇周期分别为8、10、12、14、16、18、20s的船舶在波长为100、150、200、250m的波浪中顺浪或者斜顺浪航行时发生横谐摇的船速进行了计算对计算的结果进行分析，可以得到如下结论：（1）船舶固有横摇周期很小时，只有其在遭遇波长较小的波浪时，在顺浪或者斜顺浪航行时，才有可能发生横谐摇，并且只是在船速较低时发生例如固有横摇周期为10以下的船舶，在波长为100m以上的波浪中不发生横摇的谐振固有横摇周期很小的小型船舶在波长较短的波浪中顺浪或斜顺浪航行容易产生横谐摇2）对于船舶固有横摇周期较大的船舶（如18～20s），只有以较高的船速顺浪或斜顺浪航行时，才会出现横谐摇3）对于船舶固有横摇周期为12～16s的船舶，当其遭受不同波长的波浪时，。