第三章外界因素對操船的影響

第一節(jié)風對操船的影響第二節(jié)流對操船的影響第三節(jié)受限水域的影響第四節(jié)船間效應一、風力和風力轉船力矩二、水動力與水動力轉船力矩三、風致偏轉四、風致漂移五、強風中操船的可保向界限第一節(jié)風對操船的影響1.風力船舶所受的風力可用Hughes公式予以估算：式中：

a

為空氣密度，為0.125kgsec2/m4；

為相對風舷角；

Ca為風力系數，其值隨風舷角以及船體水線以上受風面積的形狀的變化而變化；

a

為相對風速（m/s）；

Aa為水線以上船體正投影面積（m2）；

Ba為水線以上船體側投影面積（m2）；

Fa為水線以上船體所受的風力（N）；1）風力系數Ca風力系數Ca隨相對風舷角的變化曲線為一馬鞍形曲線。當風舷角＝0度或180度時，風力系數Ca值為最?。划旓L舷角＝30～40度或140～160度時，風力系數Ca值為最大；當風舷角＝90度左右時，風力系數Ca值較小，但船舶所受的風力值達到最大。2）風力作用中心位置a/Lpp風力作用中心至船首的距離a與兩柱間船長Lpp的比值隨風舷角的增大近似呈線性增加，其值大約在0.3～0.8之間

風壓力中心的位置由巖井聰給出一個估算式當由00~1800變化時，a/Lpp在都在0.3~0.7范圍之間。當=900左右即船舶正橫風時，a0.5Lpp，即風壓力中心在船中附近，當<900即從正橫前來風時，a在中心之前，當>900時，a中心之后。3）風力角風壓力Fa與船首尾線的夾角，稱為風壓力角式中，Cay為橫向風力系數；Cax為縱向風力系數。巖井也給出一個估算式：總的看來，風力角將隨風舷角的增大而增大，當風舷角處于400～1400之間時，風力角大體處于800～1000范圍之內，其變化并不明顯大連海事大學遠洋實習船“育英”輪的數據2.風力轉船力矩風力轉船力矩與風力有相類似的表達形式，即：式中，Na為風力轉船力矩（Nm）；CNa為風力轉船力矩系數；

L為船長；當已經求得船舶所受的風力、風力作用中心以及風力角時，風力轉船力矩也可按下式計算。

Na＝Fasin(lG－a)＝Fasin(L/2－a)式中，lG為船舶重心至船首的距離。在船舶靠泊中，當船首或船尾處于一端用系纜固定于泊位時，估算船舶所受的風力轉船力矩則應根據船舶實際受約束狀態(tài)進行計算。

Na＝Fasina（船首固定時）

Na＝Fasin(L－a)（船尾固定時）另外：l風速變動不明顯時，可取平均風速；l強風中，可取1.25倍平均風速；l風暴中，可取1.50倍平均風速。二、水動力與水動力轉船力矩

1.水動力1）水動力的大小當船舶與周圍的水存在相對運動時，船舶所受的水動力FW可用下式估算：式中，FW為水動力（N）；

W為水密度，為104.5kgsec2/m4；

CW為水動力系數，其值隨漂角以及船體水下形狀等因素的變化而變化；為漂角，即相對水流與船舶首尾面的夾角；W為船舶與水的相對速度（m/s）；L為船舶水線長度（m）；d為船舶吃水（m）；水動力在船體坐標系中的表達：2）水動力角水動力角是指水動力FW與船舶首尾面的夾角。與風力角相類似，水動力角取決于橫向水動力和縱向水動力的比值，即：由于船體水下正投影面積較小，縱向水動力較小，tg趨向于無窮大，所以水動力角在900左右。3）水動力作用中心水動力作用中心距離船首的距離與船長之比aW/L，隨漂角的增大而增大。即隨著漂角的增大，水動力作用中心自距離船首0.25L漸次移至0.75L處?？蛰d或壓載時往往尾傾較大，尾部水下側面積較首部大得多，水動力作用中心要比滿載平吃水時明顯后移。2.水動力轉船力矩水動力轉船力矩可以表達成與水動力相類似的形式，即：式中，CNW為水動力轉船力矩系數，隨漂角、水深吃水比、船體水線以下形狀等的變化而變化。三、風致偏轉

船舶在風中的偏轉是船舶所受的風力轉船力矩和水動力轉船力矩共同作用的結果。船舶的偏轉情況可以分為兩種，即迎風偏轉和背風偏轉。按船舶各種運動狀態(tài)來定性分析風致偏轉規(guī)律1.船舶靜止中圖3－12靜止中船舶正橫后來風時的偏轉圖3－11靜止中船舶正橫前來風時的偏轉圖3－13前進中船舶正橫前來風的偏轉圖3－14前進中船舶正橫后來風的偏轉2.船舶在前進中

圖3－15后退中船舶正橫前來風的偏轉圖3－16后退中船舶正橫后來風的偏轉3.船舶在后退中

船舶在風中的偏轉規(guī)律，可以歸納為：（1）船舶在靜止中或船速接近于零時，船舶將順風偏轉至接近風舷角1000左右向下風漂移。（2）船舶在前進中，正橫前來風、慢速、空船、尾傾、船首受風面積較大的船舶，船首順風偏轉；前進速度較大的船舶或滿載或半載、首傾、船尾受風面積較大的船舶，船首將迎風偏轉；正橫后來風，船舶將呈現極強的迎風偏轉性。（3）船舶在后退中，在一定風速下并有一定的退速時，船舶迎風偏轉，這就是我們通常所說的尾找風現象（sterntowind），正橫前來風比正橫后來風顯著，左舷來風比右舷來風顯著；退速極低時，船舶的偏轉與靜止時的情況相同，并受倒車橫向力的影響，船尾不一定迎風。四、風致漂移

靜水中的船舶因風的直接作用和水動力的間接作用而產生的橫向運動稱為風致漂移。1.停船時的漂移速度2.航行中的風致漂移速度1.停船時的漂移速度停船時，受風漂移，其漂移速度由風壓力Ya和水動力Yw達到相等來決定：有估算式：Va為風速（m/s）；L為船舶水線面長度（m）；d船舶實際平均吃水（m）；Ba船體水線以上側面積（m2）。空載時：滿載時：2.航行中的風致漂移速度

根據實船試驗，船舶航行中受正橫風影響的漂移速度與停船時的漂移速度有如下關系：式中，為船舶航行中的漂移速度（m/s）；

為停船時的漂移速度（m/s）；

為船舶航行速度（kn）。五、強風中操船的可保向界限

圖3－19強風中操船的可保向界限曲線由圖可知：1）風舷角＝600～1200時，曲線位置較低，可保向范圍小。2）當相對風向逐漸向首、尾靠攏時，曲線位置升高，可保向范圍擴大。3）船首附近來風時的可保向曲線要比船尾附近來風時的曲線要高得多。4）強風中船舶保向性總的說來隨風速的降低而提高，隨船速的降低而降低，增大舵角可提高保向性。另外，對于不同類型的船舶而言，水線上下側面積之比較大的船舶其保向性較差；淺水對強風中船舶的可保向界限的影響甚微。圖3－20低速航進中可保向的極限風速

第二節(jié)流對操船的影響

一、流對船速、沖程的影響二、流對舵效和旋回的影響圖3－21斜頂流靠泊時的速度合成

頂流中，沖程較小，流速越大沖程越??；順流中則沖程增大，因此在順流進港時，針對停車后降速過程非常緩慢的特點，一方面應及早停車淌航，另一方面應及時地運用倒車、拋錨或拖輪進行減速制動。二、流對舵效和旋回的影響1.流對舵力、舵效的影響舵力及其轉船力矩與舵對水的相對速度的平方成正比，不論頂流還是順流，只要對相對速度相等、舵角和槳轉速等條件相同，舵力及力矩就相同，但頂流舵效好，其原因是，頂流時可在較短的距離上使船首轉過較大的角度，且易把定，操縱為靈活。注意：重載船在強流中，由于流壓力矩的作用，船舶迎流轉向時，舵效反而變差.2.流對旋回的影響根據經驗，船舶有流的水域中旋回掉頭的漂移距離，可用下式估算：式中，Dd為旋回中的流致漂移距離（m）；

c為流速（m/s）；

t為掉頭所用的時間（s）。掉頭所用的時間t因船而異，主要取決于船舶的排水量，船舶滿載時的掉頭時間可估算為：

噸位：旋回1800約需時間：0.5萬噸3.0min1.0萬噸3.5min5.0萬噸4.5min10.0萬噸5.5min20.0萬噸6.5min第三節(jié)受限水域的影響

一、受限水域影響的概況二、移動阻力的增加及航行于淺水時的降速

三、航行中船體下沉與縱傾變化

四、淺水對操縱性的影響五、岸壁效應與狹水道保向

六、淺水域航行時的富余水深受限水域是指對于所操縱的船舶而言水深較淺的水域和寬度較窄的水道。一、受限水域影響的概況1.出現受限水域影響的水深及航道寬度2.淺水影響概要3.窄水影響概要

1．出現受限水域影響的水深及航道寬度

1）水深相對而言，因船有大小之分，故是否屬于淺水域應依與船舶吃水之比H/d而定,H/d值，也稱為相對水深，在船舶操縱中是一個很重要的概念。根據霍夫特（Hooft）的研究可作如下界定。（1）從對船體前進時阻力的影響來區(qū)分，低速船以H/d≤4，高速船以H/d≤10，即可作淺水域對待。（2）從出現對船體橫向運動的影響來區(qū)分，以H/d≤2.5為界作淺水域對待；同時，該數值也可作為對船舶前進中的操縱性有影響的水深界限。（3）對操縱性有較明顯影響，并達到易發(fā)現程度的水深則應以H/d≤1.5來界定。2）航道寬度從操船角度分析，通常認為應以航道有效寬度W與船長之比而定。（1）考慮到出現岸壁效應時，應以W/L≤2來界定，作為窄水域對待。（2）對操縱性有明顯影響，并達到易發(fā)現程度的航道寬度則應以W/L≤1來界定。應注意的是，上述航道寬度W是指航道的底部寬度，而非平均寬度和水面寬度。

2．淺水影響概要從船舶運動來看，由深水域駛入淺水域將出現以下現象。1）船舶阻力增大，船速降低；同轉速下船速較深水域為低。2）船體中部低壓區(qū)向船尾擴展，船體下沉，并伴生縱傾變化。3）船尾伴流增強，螺旋槳上下槳葉推力之差較深水明顯，因此將出現較深水更為明顯的船體振動。4）船舶在淺水域內旋回時，因旋回阻矩增加，旋回性將變差，而航向穩(wěn)定性反而變好。

3．窄水影響概要當船舶偏離航道中央而接近航道一側岸壁時，將出現偏航和偏轉效應，即岸壁效應。此效應主要表現是：

l)

船舶整體將被吸（壓）向岸壁（所謂岸吸作用）2）船首將轉向航道中央（所謂岸推作用）

二、移動阻力的增加及航行于淺水時的降速1．移動阻力的增加1）船舶的虛質量及虛慣矩在深水中，船舶沿其前后方向的附加質量僅為船舶質量的0.07～0.10倍；橫向附加質量為船舶質量的0.75～1.00倍；繞Z軸的附加慣矩則為船體慣矩的1.00倍左右。由圖可知，隨著相對水深變淺，船體越肥大，則附加質量及附加慣矩比深水中增加的倍數越顯著。當H/d＜2時這種增加即不容忽視，當H/d＜1.5時，這種增加倍數將急劇增大。圖3一22淺水中船舶的附加質量圖3一23淺水中船舶的附加慣矩圖3一24淺水域有岸壁影響時的橫向阻力系數3）航行于淺水時的降速

從深水域以船速駛入淺水域時，其船速的表達式為：圖中，為船中水線下橫剖面積的平方根與水深之比

為深水域船速的平方與水深和重力加速度之比。

圖3一25淺水域中的船舶降速率

三、航行中船體下沉與縱傾（trim）變化

1．航行于深水域中的船體下沉與縱傾1）與船型的關系2）與船速的關系傅汝德數Fr=V/gL

Fr=0.06時開始下沉；

Fr<0.3,首尾均下沉，但首下沉大于尾下沉

Fr>0.3,尾下沉開始大于首下沉

Fr>0.6,尾傾增大，船舶開始上浮。圖3一28船舶在淺水域與深水域中航行時船體下沉的比較2．航行于淺水域中的船體下沉與縱傾成因：主要是由于淺窄航道的阻塞效應，導致船舶相對于周圍附近之水的平均速度與船速值不相等，其差值稱為回流速度(排開流，displacementcurrent)而引起水位下降，又由于船舶應維持起源浮力，船體就出現下沉。其下沉量正比與水位沿船長的平均下降的量。船體下沉量的變化與船速有關，一般船速用傅汝德數Fnh=V/gh

表示，稱為水深傅汝德數其變化的典型曲線見圖。一般將水深傅汝德數Fnh從0到首下沉量最大對應的Fnh間，稱為亞臨界區(qū)

(SupercriticalRange)，而將從此到Fnh=1

間，稱為臨界區(qū)(CriticalRange)，而將Fnh>1間，稱為超臨界區(qū)(SupercriticalRange)。在亞臨界區(qū)，船舶近似平吃水下沉。通常，細長型船(StreamlinedSea-goingShip)會略有尾傾；對于豐滿型船(FullerShipType)，如油輪、內河船，會略有首傾。在超臨界區(qū)，出現水位上升，因此，船舶上浮。隨著船速的增加，從亞臨界向超臨界區(qū)過渡不是突然地出現，而是慢慢過渡，所以，將該區(qū)稱為臨界區(qū)。在這個區(qū)中，船排開的水不能繞過船舶的橫截面，將有一部分迅速升起的在船的前部而成為首波，因此，導致船首上浮，船尾下沉，所以，會出現強烈的尾傾。

3．淺水域船首下沉量的估算1）塔克（Tuck）等人在對船型作適當假定的條件下給出了求平均下沉量S和縱傾變化τ的公式：式中，CB為方形系數；L、B、d分別為船長、船寬和船舶吃水（m）；L/B——船舶長寬比；Frh為水深的傅汝德數，；H—水深（m）；2）霍夫特（Hooft）結合實驗結果給出了估算相對縱傾變化的公式式中，△為船舶排水量（m3）。3)美國Barrass對大型船下沉量計算公式：S重心處平均下沉量，V為船速（kn)

3）查曲線求取首尾下沉量法圖3一29求取首、尾下沉量曲線5）在有限寬淺航道中下沉量的計算Barrass的公式阻塞系數

四、淺水對操縱性的影響

1．淺水對舵力的影響2．淺水對旋回性、追隨性的影響3．淺水對停船性能的影響1．淺水對舵力的影響在淺水中航行，由于渦流和伴流的增強導致了舵力的降低，且水深吃水比越小，舵力下降得越多；然而，當螺旋槳轉速仍保持定值，考慮到淺水域中因船速減低導致螺旋槳滑失比得以提高，提高了螺旋槳的排出流的速度，以及淺水域中舵的下緣距海底較近導致舵的整流作用得以加強等因素的影響，又使前述舵力降低得到了補償?？偟膩砜矗媪τ兴陆档陆挡淮?。2．淺水對旋回性、追隨性的影響淺水域，船舶虛慣矩、旋回阻矩均有較大增加，其中旋回阻矩的增加較虛慣矩增加得更快。從船舶操縱性指數K、T來分析圖3一30淺水中Z形試驗超越角的變化圖3一31螺旋試驗中航向不穩(wěn)定區(qū)域的變化圖3一32同航速等舵角條件下淺水域與深水域中旋回初徑的比較圖3一33DW27.8萬噸油輪旋回試驗記錄

圖3一34淺水對加速旋回的影響

3．淺水對停船性能的影響船舶駛于淺水域時，因船體下沉、首傾、興波增強、二維流增速等原因，船體阻力將有所增加。另外，也由于螺旋槳推進效率的某些降低，故總的看來沖程會有一定程度的減小。特別表現在剛停車后余速較高的一段時間內，淺水阻力較大的特點將有利于較快降速減小沖程，當降速至較低船速時，因為上述作用因素的減弱，減速情況趨緩，所以對減小沖程的作用也將減弱。

五、岸壁效應與狹水道保向

1．岸壁效應（bankeffect）水道寬度受限時，當船舶偏航接近水道岸壁，因船體兩舷所受水動力不同，而出現的船舶整體吸向岸壁、船首轉向中央航道的現象稱為岸壁效應。

1）岸吸（suction、attraction）與岸吸力近岸壁航行時，船體被岸壁“吸攏”的現象稱為岸吸。其原因在于作用于船體而其方向指向岸壁的岸吸力。該力F可按下式估算：式中，F為岸吸力（N）；

W為水密度，為104.5kgsec2/m4；L為船舶水線長度（m）；d為船舶吃水（m）；CF為H/d=1.4時的岸吸力系數；

Vs為船舶速度（m/s）；α為水深修正系數。

2）岸推（repulsion）與岸推力矩與岸吸產生的同時，船首轉向中央航道而“離岸”的現象稱為岸推。其原因在于岸推力矩的作用，該力矩可按下式估算：3）岸壁效應相關因素實船操縱和模型試驗均表明，岸壁效應與下列因素有關：（1）距岸越近、偏離中心航道越遠岸壁效應越明顯。（2）水道寬度越窄，岸壁效應越激烈。（3）水深越淺、岸壁效應越明顯。（4）船速越高，岸壁效應越激烈。（5）船型越肥大，岸壁效應越明顯。

2．狹水道岸壁效應的影響與保向

1）越近岸壁航行時，岸壁效應越激烈，越難以保向2）水道寬度越小岸壁效應越激烈，保向越困難3）船速越高越激烈4）水深越淺越激烈5）船型越肥大越激烈，保向越困難，要求保向舵角越大

六、淺水域航行時的富余水深富余水深可由下式求出：富余水深＝海圖水深十當時當地潮高一船舶靜止時的吃水

1．確定富余水深應考慮的主要因素1）船體下沉和縱傾變化，淺水域尤應注意首沉量。2）船體在波浪中的搖蕩，包括橫搖、縱搖及垂蕩造成的實際吃水的可能變化。其下沉量可分別近似求得如下：橫搖時的吃水增量：縱搖時的吃水增量：3）圖標水深精度。按照國際測深標準，海圖的圖標水深可能有如下等級的誤差：水深范圍：20m以下；允許誤差0.3m

水深范圍：20～100m；允許誤差1.0m4）主機冷卻水進口，如使用船底的海水進口時，至少需有冷卻水進口直徑1.5～2倍的船底富余水深。5）為安全操船而確保必要的操縱性所需的富余水深。6)其它方面海水與淡水的影響假設為船舶可安全通過航道的最小水深，根據研究表明，可表示為

其中，為船舶靜止時的吃水；

為水深的誤差，包括海況、氣象等條件的變化引起的水深變化及海圖的水深誤差等；為船舶在靜水中運動時引起的吃水變化(Squat、Sinage)；

為海浪引起船舶搖蕩而產生的吃水變化；為維持船舶有足夠的操縱能力應保有的水深余量；為操縱負荷的不穩(wěn)定和操船引起縱傾和橫傾而使吃水的變化為海水、淡水比重變化而引起的吃水的變化。2.富余水深的確定經驗估算法歐洲引水協(xié)會（EMPA），對進出鹿特丹、安特衛(wèi)普港的船舶建議采用如下的富余水深：外海水道港外水道港內船舶吃水的20%船舶吃水的15%船舶吃水的10%

荷蘭的Europoort港，對于VLCC采用較上述值低5%的富余水深標準。

馬六甲海峽、新加坡海峽對VLCC（DW＞15萬噸）油輪及深吃水（d＞15m）船舶過境，規(guī)定了至少應確保3.5m富余水深的義務。日本獺戶內海主要港口的富余水深標準為：吃水在9m以內的船舶，取吃水的5%吃水在9~12m的船舶，取吃水的8%吃水在12m以上的船舶，取吃水的10%第四節(jié)船間效應一、船間效應的現象及產生原因船舶在近距離上對駛會船、或追越、或駛過系泊船時，在兩船之間產生的流體作用，將使船舶出現互相吸引、排斥、轉頭、波蕩等現象，稱之為船間效應（interaction）1.吸引與排斥航進中的船舶，首尾處水位升高，壓力增高從而給靠近航行的他船以排斥作用，而船中部附近的水位下降，壓力降低，則給靠近航行的他船以吸引作用。

2.波蕩處于他船發(fā)散波中的船舶，由于相對于波的位置不同而受到加速或減速的現象，稱之為波蕩或無索牽引。顯然，興波越激烈、追越船的吃水越小，波蕩現象越明顯。3.轉頭處于他船發(fā)散波中的船舶，當其船首向與他船發(fā)散波方向存在夾角時，即船舶斜向與發(fā)散波遭遇時，由于波中水質點作軌園運動，導致波峰處的船體部分受波的前進方向的力，而波谷處的船體部分則受相反方向的力，其結果構成了力矩使船首轉頭。

二、影響船間效應的因素1.兩船間距越小，相互作用越大船間作用力的大小約與兩船間橫距的4次方成反比；船間作用力矩約與兩船間橫距的3次方成反比。一般當兩船間的橫距小于兩船船長之和時，就會直接產生這種作用；兩船間橫距小于兩船船長之和的一半時，相互作用明顯增加。兩船過度接近則有碰撞的危險。2.船速越大，則興波越激烈，相互作用也越大。船間作用力和力矩約與船速的平方成正比。3.雙方航向相同比航向相反作用時間長，相互作用也更大。4.大小不同的兩船互相接近時，小船受到