風、流對船舶操縱的影響論文

畢業(yè)設計課題風流對船舶操縱的影響學生姓名學號專業(yè)國際航運業(yè)務管理班級院（系）經(jīng)濟管理學院指導教師 二○年月日

摘要船舶對駕引人員實施操縱的響應能力，總稱為該船的船舶操縱性能。船舶是否具有良好的操縱性能，對于能否安全而高效率地操縱船舶具有重要的影響，一般操縱性能良好的船舶，應兼具方便穩(wěn)定地保持運動狀態(tài)和迅速準確地改變運動狀態(tài)兩方面的性能。風流影響對于行駛的船舶而言，都是不安全的因素。如操縱不當，就會發(fā)生碰撞、擱淺等事故，了解風流對船舶操縱的影響，掌握船舶操縱運動規(guī)律。建立船舶操縱性標準和完善的操縱性計算、實驗方法，研究船形等對縱性的影響，滿足、改進船舶操縱性。船舶在風中航行的保向界限，在一定的風速和風舷角的情況下，船舶水動力矩和舵產(chǎn)生的力矩。隨著風力的增大，風力矩也增大，需要增大舵角來增加舵力矩，水動力矩與船速大小有關。[關鍵字]：船舶操縱；風流；旋回性；保向界限AbstractShiphandlingresponsivenessfordrivingpersonnel,collectively,theshipmaneuverabilityoftheship.Isshipgoodmanoeuvrability,aboutwhetherthiseffectisimportantforsafeandefficientvessel,generallygoodmaneuverabilityofshipsshouldbebothconvenientandstablemovementandperformancequicklyandaccuratelyalteredmotion,two.Windeffectforshipstravelling,arefactorstobeunsafe.Ifmanipulatedproperly,canoccurcollisions,groundingsandotherincidents,understandtheeffectsofairflowonshiphandling,masterofshipmaneuveringmotion.Establishstandardsandimprovethemaneuverabilityofshipmaneuverabilitycalculations,methods,researchship-shapeontheverticaleffects,satisfactionandimprovementofshipmanoeuvrability.Shipssailinginthewindtolimit,inthecaseofcertainsidewindspeedandwindangle,hydrodynamictorque,ruddertorque.Asthewindincreases,windtorquealsoincreasesneedtoincreaserudderangletoincreasesteeringtorque,torquerelatedtothesizeandthespeedofwater.[Keywords]:shipmanoeuvring;romantic;cycles;Bulgariabounds目錄摘要 1Abstract 2目錄 3第一章船舶操縱的性能 41.1船舶旋回運動的過程 41.1.1:第一階段——轉(zhuǎn)舵階段 41.1.2:第二階段——過渡階段 41.1.3:第三階段——定常旋回階段 41.1.4船舶操縱性指數(shù) 51.1.5舵效 5第二章風對船舶操縱的影響 52.1風動力及風動力轉(zhuǎn)船力矩 52.2水動力及水動力轉(zhuǎn)船力矩 62.3風致偏轉(zhuǎn) 72.3.1船舶靜止中受風 72.3.2船舶前進中受風 72.3.3后退中受風 72.4風致漂移 82.4.1風壓差 82.4.2漂移速度 82.5強風中操船的保向界限 8第三章流對船舶操縱的影響 93.1均勻性水流對船舶操縱的影響 93.1.1對航速和沖程的影響 93.1.2對船舶漂移的影響 93.1.3對舵效的影響 93.1.4水流對舵力的影響 93.1.5流對旋回的影響 93.1.6彎曲水道水流的特點 93.2非均勻水流對船舶操縱的影響 10第四章結論 10參考文獻 11致謝 12第一章船舶操縱的性能船舶旋回是最基本也是最重要的操縱性能，通常在衡量船舶旋回性好壞時，常采用滿舵時旋回初經(jīng)DT與船長L之比，即DT/L（相對旋回初經(jīng)來衡量）。船舶的旋回運動過程中DT/L值小，說明船舶旋回性能好?！?】1.1船舶旋回運動的過程1.1.1:第一階段——轉(zhuǎn)舵階段出現(xiàn)降速和漂角量都很小，旋回角速度不大，但旋回角加速度最大。由于舵壓力的正橫向分量壓力作用，使船向操舵相反一側橫移。因舵壓力的正橫向比重心高度低，構成一個橫傾力矩，時船出現(xiàn)向轉(zhuǎn)舵一側橫傾。因舵壓力的縱向分量壓力增加船舶阻力，使航速下降。此時旋回角速度較小，而旋回角加速度很大。1.1.2:第二階段——過渡階段操舵后，由于船舶出現(xiàn)向操舵相反一側橫移而使其運動方向發(fā)生改變，形成了漂角β。越來越明顯的斜航運動將使船舶進入加速度旋回階段，同時伴有明顯的降速。由于操舵后，船向反側橫移，船舶改變了運動方向，形成了漂角β，水動力方向轉(zhuǎn)為船首外舷，其作用點在重心之前。對船體產(chǎn)生β，β與舵力轉(zhuǎn)船力矩相同，形成加速回轉(zhuǎn)。由于旋回角速度的增加，產(chǎn)生不斷增大的水阻力的阻力力矩，使旋回角速度的下降，限制其增加。特征：第一，船速明顯下降，原因為船舶斜航時水動力的縱向分力作用；第二，向操舵?zhèn)日驒M移；第三，向操舵相反一側橫傾（外傾）；第四，角加速度下降，角速度快速增大。1.1.3:第三階段——定常旋回階段當漂角增加到一定值時，作用于船體所受合力矩為零，進入定常旋回。該階段的主要特征：船速降到最低，并穩(wěn)定。旋回角速度為常數(shù)，旋回角加速度為零。船舶保持外傾，轉(zhuǎn)心位置也穩(wěn)定船舶旋回的運動過程：轉(zhuǎn)舵階段（反移內(nèi)傾），過渡階段（正移外傾），定常旋回（旋回角速度達最大值）。對于不同船舶而言，旋回性能越好、旋回中漂角越大的船舶，其旋回時的轉(zhuǎn)心越靠近船首。1.1.4船舶操縱性指數(shù)假設一物體的轉(zhuǎn)動慣性矩Ι為，當它以角速度r回轉(zhuǎn)時，所遭受的粘性阻尼力矩Νr，Ν是阻尼力矩系數(shù)。此外當其尾部轉(zhuǎn)過一角度δ后，Μ表示單位角度產(chǎn)生的力矩。根據(jù)物體轉(zhuǎn)動定律：Tr'＋r＝Kδ同樣的，將船舶看成物體，當船舶操任一舵角δ，船首轉(zhuǎn)過一定角度，轉(zhuǎn)手角速度為r。上述公式就相應的成為了船舶操舵時船首轉(zhuǎn)動方程。野本認為上述K、T是可以用來表示船舶操縱性的特征參數(shù)，稱之為操縱性指數(shù)。船舶操縱性能指數(shù)K、T值，將隨舵角、吃水、吃水差、水深與吃水之比、船體水下線型等因素的變化而變化，如下圖：影響因素舵角增加吃水增加尾傾增加水淺增加船型越肥大K、T變化同時減小同時增大同時減小同時減小同時增大1.1.5舵效第一，定義，操船中的舵效“是指運動中的船舶操一定舵角后，使船舶在一定時間、一定水域內(nèi)所獲得的轉(zhuǎn)頭角的大小”。當船只需要改變方向的角度相同時，所需要的時間越短和需要舵轉(zhuǎn)過的角度越小，稱為舵效越佳。第二，影響因素?水流速度：舵效與水流速度的平方成正比關系。?排水量：排水量增大，轉(zhuǎn)動慣量就增大，舵效變差。?船身傾斜：船首傾斜，舵效差；船尾傾斜，舵效好；橫向傾斜對舵效總體影響不大。?其他因素：舵效還受風流、淺水等外界因素影響，迎風轉(zhuǎn)向較順風轉(zhuǎn)向舵效差；淺水中舵效較深水中差。第二章風對船舶操縱的影響2.1風動力及風動力轉(zhuǎn)船力矩從船舶操縱角度來講，風動力是指處于一定運動狀態(tài)下的船舶，其水上部分所受的空氣動壓力。船舶在風的影響下，頂風減速，順風增速；當風向與船首尾面斜交或垂直時，船舶將向下風漂移，同時其船首將向上風或下風偏轉(zhuǎn)；尤其是在低速航行時，遇到強風甚至還會出現(xiàn)舵力轉(zhuǎn)船力矩不足以抵御的偏轉(zhuǎn)力矩，因而使船舶陷于難以操縱的境地。【2】風動力三要素：大小風動力大小與風速、風舷角、受風面積大小和形狀（包括空、滿載，吃水差，上層建筑布置情況等）有關。風動力系數(shù)Ca：當θ等于0o、180o時為最??；當θ等于30o至40o或140o至160o時達最大值；當θ等于90o附近時較小，是一個近于馬鞍形的曲線。【4】方向風動力方向與船尾方向的夾角α，稱為風動力角。α隨風舷角增大而增大作用點風動力作用點至船首的距離α受風舷角θ、船舶上層建筑形狀以及面積分布情況所影，θ為風舷角。θ由0o至180o變化，其值大體在0.2至0.8之間。說明隨風舷角增大，風動力中心將由船的前部移向船的后部。2.2水動力及水動力轉(zhuǎn)船力矩船舶由于種種原因，與其周圍的水有相對運動時，船舶所受水的作用力稱為水動力？這種船水之間的相對運動，有的是由船舶本身自力（憑借車、舵、纜作用）所造成的，也有的是由外界條件（憑借拖船、風動力、水流作用）所致。2.2.1水動力三要素：大小由于水下船體連續(xù)性較水上為佳，水動力系數(shù)隨漂角β增大而變化，當β＝90o左右時達到極大值，此時水動力也達最大值，約為β＝20o、160o時水動力的四倍。此外，水動力還隨水深與吃水之比的下降而上升。方向水動力的作用方向與船舶首尾線的夾角，稱為水動力角γ。由力的平行四邊形法可知水動力橫向分力Ywtanγ＝——————————水動力縱向分力Xw作用點水動力作用點的位置受漂角、船體水下側面形狀及面積分布情況的影響。同一船舶，空載或壓載時尾傾較大，水動力中心位置比滿載時明顯后移。2.3風致偏轉(zhuǎn)船舶偏轉(zhuǎn)方向由風動力作用點、水動力作用點和重心三者之間的關系確定。在定向分析風致偏轉(zhuǎn)時，關鍵要弄清楚風動力和水動力的大小、方向、和作用點位置。2.3.1船舶靜止中受風靜止中的船舶受風，最終將轉(zhuǎn)至接近正橫受風狀態(tài)，并向下風漂移。但由于船舶類型、上層建筑布置的不同，靜止中受風最終的風舷角也就略有差異。油船和尾機型船多保持正橫稍前受風；客船多保持正橫受風；而一般貨船往往尾吃水較深，船首受風面積較大，多保持在風來自正橫略后的位置上，即θ≈100o。（船舶尾迎風并向下風漂移；船舶首迎風并向下風漂移；船舶趨向橫風狀態(tài)并向下風漂移。）2.3.2船舶前進中受風根據(jù)經(jīng)驗：空船、慢速、尾傾、首受風面積大時，多為順風偏；反之，滿載或半載、快速、尾受風面積大時，多為逆風偏；尾部受風逆風偏。風速越低，船速越快，越近正橫受風，迎風偏的傾向越明顯。當正橫前來風時，風動力矩和水動力矩的作用方向相反，效果互相抵消；而當正橫后來風時，風動力矩和水動力矩的作用方向相同。因此，船舶在前進中，斜頂風航行時比斜順風易于保向。2.3.3后退中受風船舶在后退中受風時，無論風從正橫前吹來，還是從正橫后吹來，只要船舶有一定的退速，就會出現(xiàn)尾迎風的現(xiàn)象。綜上所述，船舶在風中的偏轉(zhuǎn)可歸納為：船舶靜止中或船速接近于零時，船身將趨向于和風向接近垂直。船舶前進中，正橫前來風，空載、慢速、尾傾、船首受風面積大的船，順風偏；滿載或半載、高速、首傾、船尾受風面積大的船，逆風偏；正橫后來風，逆風偏顯著。船舶后退中，在一定風速下當船有一定退速時，船尾迎風，由于倒車時螺旋槳排出流和沉深橫向力的作用，正橫前來風比正橫后來風顯著，左舷來風比右舷來風顯著。退速較低時，船舶的偏轉(zhuǎn)基本上與靜止時情況相同，并受到倒車橫向力的影響，船尾不一定迎風。2.4風致漂移船舶受風作用而向下風漂移，其漂移速度隨船速降低而增加，當停船時，漂移速度最大。2.4.1風壓差在有無風流的情況下，航行船舶的航跡向與真航向之間的夾角。航行中，風不僅影響航速，且使船舶偏離計劃航線向下風漂移。其風壓差的表達方式是航跡向與真航向的差。風壓差的大小與風速、風舷角、船速、吃水差有關。2.4.2漂移速度船舶停于水上的漂移速度停于水上的船舶受風作用時最終將保持正橫附近受風，并勻速向下風橫向漂移。?當正橫相對風速增大，漂移速度增大；?當水面上船體的側面積增大時，漂移速度增大；?當漂移速度增大時，受風橫向漂移速度和真風速隨之增大，漂移速度減??；Fa＝Fw時，船舶以漂移速度作勻速橫移；?船舶在風中航行時βa的變化，漂移速度大漂角也就大，反之，漂移速度小漂角也就小。2.5強風中操船的保向界限【3】定義：船舶前進中受風時船首偏轉(zhuǎn)，需壓舵保向，當船舶在某一相對風舷角下，能否保向的相對風速與船速的比值為保向界限。保向界限的大小取決于相對風速、相對風向和船速。同一船舶的不同舵角的保向界限曲線中，舵角大時曲線位置更高一些，這說明壓舵角大，保向范圍擴大。船舶首尾受風時，可保向范圍大，保定性變好。相對風向角對保向界限的影響盡管因船不同而有所差異，但大多在θ＝80o～120o范圍內(nèi)曲線出現(xiàn)最低值，這說明船舶正橫附近或稍后受風時，保向最為困難。風速只要達到船速數(shù)倍時，就將出現(xiàn)即使?jié)M舵也無法保向，船首呈極強的逆風偏轉(zhuǎn)的情況。θ小于90o即使頂風時曲線較高；θ大于90o即斜順風時曲線較低，這說明船舶斜頂風時的保向性較斜順風時好，船首偏頂風時的保向性較船尾偏順風或順風時為好?？偟膩碚f保向范圍隨風速的降低而擴大，隨船速的降低而減小，增大舵角可擴大保向范圍。由此可知，提高船速、增加舵角、采取斜頂風是提高船舶保向性的有效措施。正橫受風時，船速、壓舵角、可保向極限風速的關系船速壓舵角可保向極限風速（級）船速壓舵角可保向極限風速（級）615o6415o5635o9～10435o7～8第三章流對船舶操縱的影響3.1均勻性水流對船舶操縱的影響3.1.1對航速和沖程的影響V＝Vs＋Vw或V＝Vs－Vw在靜水船速和流速不變的條件下，順流航行時對地船速比頂流航行時實際對地船速大兩倍流速。頂流時，對地沖程減小，流速越大、沖程越??；順流時，對地沖程增加，借助倒車或拋錨，以水流速度向前漂移。3.1.2對船舶漂移的影響船舶首尾線與流向存在交角時，流速和靜水船速的合成速度，將使船舶向水流來向相反一舷運動，通常稱為流壓。流壓使船舶漂移，流速越大、交角越大，流壓也越大；船速越慢、流壓越大，漂移速度也越快。正橫前受流時，流速越快，流舷角越大，船速越慢，漂移速度越大。3.1.3對舵效的影響舵效與水流速度的平方成正比關系，逆流時舵效較順流時好3.1.4水流對舵力的影響舵力及其轉(zhuǎn)船力矩是與舵葉對水速度的平方成正比的，而舵葉對水速度又與船舶對水速度成正比。因為不論頂流或順流，只要流速相等，船舶相對于水的速度則不變，等于靜水船速，所以在舵角和螺旋槳轉(zhuǎn)速（排出流速度）等條件相同時，順流和頂流時的舵力相等，其轉(zhuǎn)船力矩也一樣。3.1.5流對旋回的影響船舶順流旋回時，縱距要比頂流旋回時大得多，這是由于受水流推移的緣故。在旋回過程中，船舶除了旋回運動外，還有受水流作用而產(chǎn)生的漂移運動。在流速和靜水船速不變時