第3章外界因素对船舶操纵的影响

第三章 外界因素对船舶操纵的影响

船舶在航行时，可能受到浅水、受限水域、风、流、过往船舶以及本船首、尾波的影响，操船者应对这些影响进行全面正确的评估，以利于船舶安全航行。

第一节 风对操船的影响

一、 风动力与风动力转船力矩

1． 风力及风力矩的计算公式

()θθρ222sin cos 21a a a a a B A C V F +＝

－相对风舷角

方向的面积投影

－，－相对风速－风压力系数

）

－空气密度（其中：

θρy x B A V C m kg a a a a a ,/226.13

作用于x,y 轴的风力和对重心的风力距为：

A a a a a a a x Y N F Y F X ???＝＝＝α

α

sin cos

2． 风力系数的表达方式及其特点

风力系数C a 由船模风洞试验求得，当船模一定时，C a 表示为：

()θθρ222sin cos 21a a a a a

a B A V F C +＝

风速一定时，船模在风洞中在不同的风舷角下测得其受力F a ，然后用上式计算出C a 的大小，进而得到C a 与风舷角之间的函数关系。其有下列几种表达方式。

1） 列表法

将C a 与风舷角之间的对应关系列成表格的方式来表示，如某船的风洞试验结果如下：

2） 曲线法

将上表数据标绘成曲线，即得风力系数曲线图，见教材P 68。

3） 近似估算法

当精度要求不太高的情况下，可按照下列近似公式计算：

θ

θθθθθθθθ6cos 133.04cos 367.02cos 142.0142.16cos 117.04cos 25.02cos 083.0200.16cos 175.04cos 35.02cos 05.0325.1---------＝对于客船：

＝对于油轮：

＝对于一般货船：

a a a C C C 4）风力系数的特点

a. 当θ＝0或180时，C a 最小

b. 当θ＝30－40或140－160时, C a 最大

c. 船型不同，C a 曲线分布也不相同。

3． 风力作用中心一般用无因次量a/L 表示，其大小也是风舷角的函数：

()θf L

a = 1） 曲线法

见P68

2） 近似估算法

θ0023.0291.0-=L

a

风力作用中心的特点

a. a/L 基本是风舷角的线性函数

b. 侧面积在纵向分布决定了风力作用中心的位置。

4．风力角与风舷角的关系

风力角一般用α表示，其大小也是风舷角的函数：

()θαf =

1） 曲线法

见P68

2） 近似估算法

9090180.090115.013??????

?----=）（）（θθα

3） 风力角的特点

a. 风舷角越大，风力角也越大；

b. 除风舷角θ＝0和180之外，风力角α均大于风舷角θ。

5. 风力系数及风力矩系数的其它表达方式

将风力F a 分解为X a 和Y a ，力矩为N a ，则得到三个系数：

L B V X C B V Y C A V X C a a a a aN a a a a ay a a a a

ax 2222

12

12

1ρρρ=== 6．船舶受风面积的估算

一般情况下，船舶正面和侧面受风面积应从船舶资料中查找。如果船舶资料不全或无资料可查，在精度要求不高的情况下，可通过近似计算求得：

A a ＝C 1

B 2

B a ＝

C 2L 2

C 1, C 2与船型有关，见P67

二、 水动力与水动力转船力矩

水动力是由于船舶对水有相对运动而产生的水对船舶的作用力，其大小与船速、漂角等因素有关。与风力的表达方式相似，水动力可由下式表示：

1． 水动力及水动力距的计算公式

Ld C V F W W W 221ρ= 作用于x, y 轴的水动力和对重心的水动

力距为： w

w w w w w w x Y N F Y F X ???＝＝＝γ

γ

sin cos 2． 水动力系数的数学表达方式 Ld C V F C W W w W 22

1ρ=

水动力系数C w 由船模循环水槽试验求得，当船型一定时，C w 表示为：

相对流速一定时，船模在循环水槽中在不同的漂角下测得其受力F w ，然后用上式计算出C w 的大小，进而得到C w 与漂角之间的函数关系。其有下列几种表达方式。

1） 列表法

将C w 与漂角之间的对应关系列成表格的方式来表示，如某船的循环水槽的深水试验结果如下：

2） 曲线法

将上表数据标绘成曲线，即得水动力系数曲线图，见教材P62

3． 水动力作用中心与漂角之间的关系

)(βf L

a w = 水动力作用中心一般用无因次量a w /L 表示，其大小也是漂角的函数：

1） 曲线表示法见P63

2） 水动力作用中心的特点

① a w /L 随着漂角的增大而增大；

② 一般a w /L 值为0/之间；

③ 尾倾越大，a w /L 值越大。

4． 水动力角与漂角之间的关系

水动力角一般用γ表示，其大小也是漂角的函数：

)

(βγf = 由于船体水下侧面积形状沿x 轴方向变化不大，因此，γ

较集中在90度附近。 5． 水动力系数及水动力距系数的其它表达方式

将风力F w 分解为X w 和Y w ，力矩为N w ，则得到三个系数：

d L V X C Ld V Y C Ld V X C W W WN W W Wy W W

Wx 22222

12

12

1ρρρ===

三、 风致偏转和漂移的规律

1． 风中偏转分析方法 分析船舶风中偏转规律必须知道以下条件：

船舶本身条件：

上层建筑形状、面积、船舶运动状态（系泊、锚泊或航行）、水下侧面积形状等。

外界条件：

风向、风速、相对流速、相对流向、水深等。

综合上述条件，我们可以得出转船合外力距的大小及其方向，进而可以判断船舶的偏转方向。

1）重心、风力作用中心和水动力作用中心的确定重心、风力作用中心和水动力作用中心三者的位置决定了合外力距的方向，进而决定了船舶的偏转方向，因此，我们首先必须知道三者之间的关系。

船舶重心G: 一般在船中稍后。

风力作用中心A：正横前来风，在G之前；

正横来风，在G附近；

正横后来风，在G之后。

水动力作用中心W：船舶前进时，在G之前；

船舶横移时，在G附近；

船舶后退时，在G之后。

2）合外力距的方向确定

根据N a和N w的代数和来确定。

2．船舶静止中受风偏转规律

1）正横前来风（θ<90）

静止中的船舶在风力F a的作用下，使船舶

以一定的船速V，某一漂角β向下风运动，

进而产生水动力F w。这时，A在G之前，

W在G之后，合外力矩为N a＋Nw，在其作用下，产生旋转角角速度，使船首向下风旋转。

随着船舶的转动，A点和W点都向G点靠拢，当船舶转为横风附近时，A点、W点、和G点重合，合外力距N a＋Nw ＝0。当F a＝F w时，船舶将以正横附近受风匀速向下风漂移。

2）正横后来风（θ>90）

静止中的船舶在风力F a的作用下，使

船舶以一定的船速V，某一漂角β向下

风运动，进而产生水动力F w。这时，A

在G之后，W在G之前，合外力矩为

N a＋Nw，在其作用下，产生旋转角角速

度，使船尾向下风旋转。

随着船舶的转动，A点和W点都向G点靠拢，当船舶转为横风附近时，A点、W点、和G点重合，合外力距N a＋Nw ＝0。当F a＝F w时，船舶将以正横附近受风匀速向下风漂移。3）偏转规律结论

船舶静止中受风时，无论是正横前来风还是正衡后来风，船舶都将转向正横附近受风，最终将匀速向下风飘移。

4）静止中受风船舶向下风漂移速度

根据上述结论，船舶受横风匀速向下风漂移时，其运动方程

为：

()()a a w a w a a w w a a a w w a a a a w a V Ld

B C C V Ld

C B C Ld C B C V Y Y r v m m ?====-=++041.0,4.1/900012.0/2

1210

22＝则

时，，在＝设＝经过整理得：

＝则：

γβθρρρργγρρμ 经验数据：

超大型船舶空载时

Ba/Ld=,Vy=1/20Va ；满载时

Ba/Ld=,Vy=1/30Va;

3． 船舶前进中受风偏转规律

1） 正横前来风（θ<90）

与静止中受风不同，船舶有前进速度

μ，在风力F a 的作用下，使船舶以一定

船速V ，某一漂角β向下风运动，进而

产生水动力F w 。这时，A 和W 都在G

之前，其合外力距为N w －N a ，船舶的旋

转角加速度方向根据合外力距的符号

决定：

当N w >N a 时，船首向受风偏转（逆风偏转）

当N w

随着船舶的转动，A 点和W 点两点逐渐靠拢，当两点重合，且合外力距N a ＋N w ＝0时，船舶将以某一风舷角、某一漂角和一定船速作匀速斜航运动。

水动力距N w 与漂角、吃水、风速等因素有关，而漂角为： μβv

tg 1-=

船舶受风时，纵向速度μ和横向速度ν又与风力有关，因此，前进中的船舶正横前来风时，船舶的偏转方向取决于风速，风舷角、船速和船舶装载状态等因素。根据经验：

空载、慢速、尾倾、船首受风面积大时，船首多数为顺风偏转；

反之，满载、快速、首倾、船尾受风面积大时，船首多数为逆风偏转，或称为“首找风”或“首迎风”。

2）正横后来风（θ>90）

船舶有前进速度μ，在风力F a 的作用下，

使船舶以一定船速V ，某一漂角β向下风

运动，进而产生水动力F w 。这时，A 在G

之后，W 在G 之前，其合外力距为N w ＋

N a，在其作用下，产生的旋转角加速度，使船首向上风偏转。

3）偏转规律结论

正横前来风：

空载、慢速、尾倾、船首受风面积大时，船首多数为顺风偏转；

反之，满载、快速、首倾、船尾受风面积大时，船首多数为逆风偏转，或称为“首找风”或“首迎风”。

正横后来风

船首向上风偏转。

4．船舶后退中受风偏转规律

1）正横前来风分析

2）正横后来风分析

3）偏转规律结论

四、强风中操船的保向界限简介

1．航行中的风压差角

船舶航行中，若风舷角θ不为0或180，

则在风力的作用下，船舶做下风漂移和旋

转运动，其运动方程为：

δβδ

βδβN N N r J I Y Y Y vr u m m T

X Y X vr u m m a z z a y a x ++=+++=+++++=-+&&&)())(())(( 假定操舵可以使船舶在风中保持航向，在合外力和合外力距为0时，船舶只有匀速平移运动，而没有旋转运动，即r=0, u=常量，v ＝常量。

根据经验公式：

V e Ld

B u a 14.0097.0-?＝γ 由此可见，在风速一定的情况下，船速u 越大，船舶向下风横向漂移速度越小，反之，船速u 越小，船舶向下风横向漂

移速度越大，则，船舶风中航行时的风压差角为： μβv tg

1-=

2． 船舶风中航行保向界限

由上图可见，合外力距为：

βαδN N N N ＋－＝

在一定的风速和风舷角的情况下，船舶水动力距和舵产生的力矩能够克服风产生的力矩。随着风力的增大，风力距也增大，需要增大舵角来增加舵力矩，水动力距与船速的大小有关。当风力超过某一值时，舵力矩到达最大，船舶水动力距和舵产生的力矩已经不能克服风力矩。这个界限称为船舶风中保向界限。

第二节 流对操船的影响

水流的作用是使船舶随水流漂移，其漂移速度与水流速度相同。

一、 流对航速、冲程的影响

1） 顺流时，船舶对地的速度为：

V ＝u ＋V c

2） 顶流时，船舶对地的速度为：

V=u －V c

3） u 与流速成某一角度时，船舶对地的速度为：

c V u V ρρρ-=

二、 流对旋回、航效的影响

1． 流对航效的影响

根据舵速的定义，舵速是舵相对于水的速度。由于舵与船体同时随流漂移，舵相对于水的速度与没有流时相同，因此，舵力和舵力转船力矩没有变化。

根据舵效的定义，它与距离有关，顶流可以使船舶转过同样角度的距离比顺流时小，或在同样距离内顶流比顺流转过的角度大。

因此，顶流比顺流舵效好。

2． 流对旋回的影响

根据以上分析，船舶在有流水域中旋回时，由于船舶整体有漂移，其对地的旋回圈大小在流的方向上按时间比例拉长或缩短了一定的距离，也就是在旋回过程中船舶顺流漂移的距离。

第三节受限水域对操船的影响

一、浅水对船舶操纵的影响

1．浅水对船速的影响

1）浅水对附加质量的影响

在深水中，附加质量一般为：

m x＝－

m y＝－

在浅水中附加质量较深水中有所增大。

2）浅水对水动力的影响

浅水中水动力比深水中有所增大，如图

这时由于三维流场变为二维流场，导致流速增加的缘故。除此之外，船舶在浅水中会发生下列现象：船体下沉、纵倾增大、兴波增强、流速加快（相对流速）等现象。

综上所述，浅水导致船速下降。

2. 浅水对船体下沉和纵倾变化的影响

船舶在海上航行，船体周围由静水压变为动水压，则会导致船体浮态的变化。

1）深水中船体下沉与纵倾

船舶航行中，由于动水压，使船体下沉，由于压力纵向分布不同，使船首尾下沉量不同，而产生纵倾。

对于中低速船舶（如一般商船），V较小，L较大，船舶航行时首尾均有下沉现象。一般首下沉大于尾下沉。即静态吃水差为0时，航行时将呈现首倾现象。

对于高速船舶，V较大，船舶航行时，随着船速的提高，首下沉量达到最大值后，开始呈现上浮。而尾下沉量先是增大，达到最大值后逐渐减小，船体将呈现尾倾现象。2）浅水中船体下沉与纵倾

船舶从深水进入浅水后，由于三维水流变为二维水流，船体周围的流速相对加快，船体周围的压力分布比深水中有较大的变化，水深越浅，纵向压力分变化大，兴波也越大，船速越高，纵向压力分变化大，兴波也越大。

则船体会加剧下沉和纵倾。

由上图可见：

a.在浅水中，低速时船体就开始下沉；

b.在浅水中，低速时首倾比深水中大；

c.水深越小，达到最大首倾的船速越低，也就是说，浅

水中船首开始时的船速比深水中低。

在实际工作中，有一些经验公式可以利用；还可以查阅一些经典曲线。

3．浅水对操纵性的影响

.1）浅水对接附加惯性矩的影响

3）浅水对水动力距系数的影响