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    风对船舶运动的影响及估算_邢政.docx

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    风对船舶运动的影响及估算_邢政.docx

    摘要 低速航行或者干舷较高的时候,风对船舶操纵的影响 特别显著。本文基于转心和风动力中心的相互位置和关系, 分析风对船舶操纵的影响及偏转规律,并提出一种对风动力 的估算方法,实例计算表明估算简易可行,可为船舶操纵实 践和理论研究提供一定的参考。 关键 词船 舶彳采纵风 0引言 船舶在航行时,他的运动状态受到风、浪、流等外界的 气象水文因素的影响,在低速航行或者干舷较高的时候,风 对船舶操纵的影响特别显著,非常导致船舶操纵困难进而产 生危险。为确保安全顺利地进行船舶操纵,船舶操纵人员必 须掌握外界因素对所操纵船舶的种种影响及规律,趋利避害, 并结合正确运用船舶本身所具备的车、舵、锚、缆以及拖轮 等设备和手段,是在风、流引起的外力影响下正确操纵船舶 的关键。 对风、浪、流等外界环境因素对船舶操纵的影响,目前 的船舶操纵理论研究偏重于定量分析风动力以及转船力矩的 定量分析,但计算过程比较复杂,不利于实践应用。为便于 理解和记忆,本文基于转心 P和风力中心 W的相互位置和关系, 讨论风对船舶操纵的影响及偏转规律,并提出一种船舶横向 受风时的风动力简易估算方法。 1风中偏转规律分析 总的来说,当有较大 横风时靠离泊或者在狭窄水道停船 或者保持船位时,一定要事先考虑好,因为一般来说这种状 况是很难控制船舶的姿态的,所以一定要认真学习和了解一 些相关的风动力对船舶操纵影响的知识,以便利用其有力的 方面,对不利的方面做好相关的准备对应的措施。下面介绍 一种通俗易懂的风中偏转规律分析,不用考虑水动力及重心 等条件。 1.1平吃水时偏转规律 船舶受风影响时的运动规律与船舶运动状态以及装载状 态均有关系。对于运输船舶,船舶受风面积在船中前后的分 布多数不是对称的。平吃水时,受风面积中心大多位于船中 之后,则其风动力中 心大多比较靠后。 假设平吃水船舶在静水中停车且不对水移动,此时转心 P在船中,风从正横处吹来作用在于船舶上的风力中心 W通常 接近于船中略后,会产生很小的转船力臂,会使船舶保持正 横或接近正横受风状态,具体见图 1-1。如果非平吃水的话, 要看船首还是船尾受风面积大,受风面积大的部分将略向下 风偏转一点角度。 0 图 1-1平吃水时转心与风力中心位置 船舶在前进时,则转心 P前移,即使在前进的速度不大 时也会产生明显前移。如果风向仍然从正横方向来,这样就 会产生比较大的转向力臂,造成船首向上风偏转的现象,具 体如图1-2所示。 图 1-2前进中转心与风力中心位置 船舶后退时,情况比较复杂,通常情况下由于转心 P向 38 NAVIGATION 后移动,会产生一个相对较大的转船力臂,产生尾找风的现象。 但是很多时候船舶倒车后退时,倒车会产生较大的横向力, 它们会叠加或者相抵的作用,这时就很难判断船舶的转动 , 主要取决于船舶倒车产生的横向力的大小和力臂和风力中心 和风动力的大小,具体如图 1-3所示。 图 1-3后退时转心与风力中心位置 1.2尾倾时偏转规律 船舶前进时,转心 P接近船首。船舶压载状态尾倾较大 时,受 风面积中心一般位于船中之前,船舶的风动力中心 W 明显前移,接近于转心 P,此时的风动力转船力臂明显减小, 风动力对船首转向上风的作用就不会那么明显,有可能转向 下风或者造成正横受风,具体如图 1-4所示。因为尾倾很大 船首受风面积时,船舶静止时很难保持船首顶着风,所以据 说有的进行 SBM作业时,严格限制尾倾很大的这种情况。 尾倾较大的船舶后退时,情况较平吃水时有很大的变化 , 此时风动力力臂明显增长,船舶静止或者后退时,船首会很 容易或者很快转向下风,具体如图 1-5所示。 2风动力的估算 以上只是定性地了解了一下风动力的作用,当船舶受到 风的作用如果都能定量地计算出来那将是非常有用的,特别 是设定船舶操纵风速限制拖轮马力配备要求等,这点对我们 引水来说尤为重要,特别是面对有关部门 或者船长等人士, 给出真实的科学数据要比只是说 “ 这个我们不能做 ” 要好, 更糟糕的情况是冒着不可接受的风险去做船。 目前,关于风动力的计算方法较多,例如丨 Sherwood公式、 Hughes公式、美军计算手册以及石油公式国际海事论坛公式 等,然而很多复杂的公式没有办法去计算,第一很多系数查 不到,第二计算很复杂,很不实用。下面介绍一种很简单的 实用的估算方法供大家参考。 2.1横风动力估算 考虑最糟糕的状况,船舶受到正横风的影响的时候,受 到的风动力最大。 横风时,船舶所受的风动力可以按下式估算 Fa Sax va2/18000 2-1 其中, Fa为风动力(单位 t, va为风速(单位 m/s , Sa为横风时受风面积(单位 m2。可按下式简化估算, Sa Loa x Hf, Loa为船长(单位 m , Hf为干般高度(单位 m 。 船舶所受的风动力也可以按下式估算 Fa Sax va2/72000 2-2 其中 va为风速,单位 kn。 大家要牢记风速又很小的变化风力就有很大的变化,特 别是风速较高或者很强的阵风会产生很大的风压力。 2.2计算实例 为验证简易估算方法的可行性,下面分别以某巴拿马型 船舶和海峡型船舶为例,给出不同载况和风速情况下的受力 计算结果。 实例 1船型参数为 LOA 225型深 20m, 在不同载 况和风速情况下的受力计算结果如表 2-1与图 2-1所示。 表 2-1横风受力估算结果(巴拿马船型 ) Vkn V5tr 载况 5kn 10kn 15kn 20kn 25kn 30kn 35kn 40kn 45kn 50kn 空载(干 舷12米) 0.9 3.8 8.5 15 23.5 33.8 45.8 60 76 93.8 半载(干 舷9.5米) 0.7 3 6.7 12 18.6 26.7 36.2 47.5 60 74.3 满载(干 舷6.0米) 0.5 1.9 4.2 7.5 11.8 16.8 23 30 38 47.9 图 1-5尾倾后退时转心与风力中心位置 39 I Marine Technology 紙珞豉术 巴拿马船型不同载况风压力表 实例 2 Cape型船舶 L A 292m型深 25m, 在不同 载况和风速情况下的受力计算结果如表 2-2与图 2-2所示。 表 2-2横风受力估算结果 ( Cape船型) 5akn VtT 载况 5kn 10kn 15kn 20kn 25kn 30kn 35kn 40kn 45kn 50kn 空载(干 舷 17米 1.7 6.9 15.5 27.5 43 62 84 110 140 172 半载(干 舷 13米 1.3 5.3 11.9 21 34.4 49.5 67.3 88 111.4 137.5 满载(干 舷 6.5米 0.7 2.6 6 10.4 16.5 23.8 32.3 42.2 53.5 66 响的时候,所收到风动力的估算,通过横风受力的估算与实 际操纵中使用的拖轮总功率相比较,上述横向受力的计算基 本符合实际情况,对所需拖轮总功率的估算以及实际操纵能 够提供指导。 3结论 针对风对船舶操纵的影响,本文基于转心和风动力中心 的相互位置和关系分析风对船舶操纵的影响及偏转规律,并 考虑横风的最不利情况,提出一种横风受力的估算方法,可 以用来估算所需拖轮总功率和所需拖力,并为船舶操纵实践 和理论研究提供一定的参考。由于水平有限,一定会有错误 或缺陷,欢迎大家指出,共同探讨。 参考文献 1 Canadian Coast Guard, Fisheries and Oceans Canada, Canadian Waterways National Manoeuvring Guidelines,, June, 1999. 2 Captain Henk Hensen, Tug Use in Port, A Practical Guide, The Nautical Institute, London, 2003. 3 R. M. Isherwood, Wind Resistance of Merchant Ships, Institute Naval Architect, supplementary papers. Vol. 115, Nov. 1973. 4 苏兴翘,船舶操纵性,国防工业出版社, 1981.8 5 蒋维清,船舶原理,大连海事大学出版社, 1998 6 古文贤,船舶操纵,大连海事大学出版社, 1995 CAPE船型不同载况风压力表 图 2-2横风受力估算结果 (Cape船型) 以上数据只是考虑最糟糕的状况,船舶受到正横风的影 淫丰舦 篇学含 40 NAVIGATION

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