第二章-外界因素对操船的影响课件.ppt
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1、第二章第二章 外界因素对操船的影响外界因素对操船的影响 第一节第一节 风对操船的影响风对操船的影响 第二节第二节 流对操船的影响流对操船的影响 第三节第三节 受限水域对操船的影响受限水域对操船的影响 第四节第四节 船间效应船间效应 第一节第一节 风对操船的影响风对操船的影响 一、风动力及风动力转船力矩二、水动力及水动力转船力矩三、风致偏转 四、风致漂移 五、强风中操船的保向界限一、风动力及风动力转船力矩 从船舶操纵角度来讲,风动力是指处于一定运动状态下的船舶,其水上部分所受的空气动压力。船舶在风的影响下,顶风减速,顺风增速;当风向与首尾面斜交或垂直时,船舶将向下风漂移,同时其船首将向上风或下风
2、偏转;尤其是在低速航行时,遇到强风甚至还会出现舵力转船力矩不足以抵御的偏转力矩,因而使船舶陷于难以操纵的境地。1风动力(wind resistance)设船舶受风情况如图示21所示。图中:风舷角,即相对风舷角();Fa风动力(N);A风动力中心;风动力角();a 船首至风动力中心的距离(m);L船长(m);Ma风动力矩(NM)。图211风动力三要素1)大小2)方向3)作用点)大小 风动力大小与风速Va、风舷角、受风面积大小和形状(包括空、满载,吃水差,上层建筑布置情况等)有关。其值可用Hughes公式估算:Fa=1/2aCaVa2(Aacos2+Basin2)(21)式中:a空气密度(1226
3、kg/m3);Ca风动力系数;Va相对风速(m/s);Aa水线上船体正面积(m2);Ba水线上船体侧面积(m2)。2)方向 风动力方向与船尾方向的夹角,称为风动力角。它与风舷角、Aa与Ba之比及吃水和船型的变化有关。通常船舶的Ba总是大于Aa,故风动力方向与船舶首尾线的夹角总大于风向与船舶首尾线的夹角。此外,随的增大而增大,但当=40140之间时,大体在80100之间,因而变化不明显。若船舶正横受风(=90),并取风动力系数Ca=1.13作为一般估算平均值的话,那么依式(2-1),可简化出正横受风风动力估算式为:Fa=0.69BaVa2 (2-2)3)作用点 风动力作用点至船首的距离a受风舷角
4、、船舶上层建筑形状以及面积分布情况所影响。岩井聪教授(日)根据实验求得a的估算公式:a/Lpp=0.291+0.0023(2-3)当90时,A在G之后。a/Lpp值在0.2-0.7之间。2风动力转船力矩(moment of wind resistance)在已知风动力(包括该力的大小、方向及作用点)之后,欲求该风动力在具体操纵中的转船力矩大小,应根据操纵中的支点,即旋转中心位置才能正确求出。当尾离泊时,以船首为支点,则风动力转船力矩Ma为:Ma=Fasina (24)当处于水上漂浮状态时,以重心为支点,则风动力转船力矩Ma为 Ma=Fa sin(LGa)(25)上二式中:Ma风动力转船力矩(N
5、M);Fa风动力(N);风动力角();a风动力中心至船首距离(m);LG重心至船首的距离(m),一般近似为LPP/2。二水动力及水动力转船力矩 船舶由于种种原因,与其周围的水有相对运动时,船舶所受水的作用力称为水动力(hydrodynamic force)。这种船水之间的相对运动,有的是由船本身自力(凭借车、舵、缆作用)所造成,也有的是由外界条件(凭借拖轮、风动力、水流作用)所造成。1水动力 设船舶受水流作用情况如图23所示。图中:漂角,即水的来向与船首方向的夹角();Fw水动力(N):W水动力中心;水动力角();aw船首至水动力中心的距离(m);L船舶水线长(m);Mw水动力力矩(NM)。水
6、动力大小、方向、作用点与水和船的相对运动方向(即漂角)密切相关。图231)大小 水动力估算式,由于水下船体连续性较水上为佳,与风力估算式形式类似而且更为简单,水动力FW估算式为:Fw=1/2WCWV2WLd (26)式中:W所在水域水的密度(海水标准值为1025kg/m3,淡水标准值为1000kg/m3);Cw 水动力系数,可依漂角及水深与吃水之比查表求得;Vw水对船的相对流速(m/s);L 船舶水线长(m);d 吃水(m)。2)方向 水动力Fw的作用方向与船舶首尾线的夹角,称为水动力角。由力的平行四边形法可知:由于船体水下正面积很小,导致Xw很小,故水动力角大体在90左右 WWXYtg水动力
7、纵向分力水动力横向分力3)作用点 水动力作用点的位置受漂角、船体水下侧面形状及面积分布情况的影响。aw/LWL随漂角的增大而增大。当 90时,W在G之前;当=90时,W在G附近;当 90时,W在G之后。同一船舶,空载或压载时尾倾较大,水动力中心位置比满载时明显后移,尾机型船更甚。aw/LWL值在0.25-0.75之间。2水动力转船力矩 在已知水动力三要素之后,欲求水动力转船力矩,如同求风动力转船力矩一样,也需视支点而定。当以船首为支点尾离泊时,水动力力矩为:Mw=Fwsin a w (27)当以重心为支点,相当于船舶在航行中时,该力矩为:Mw=Rwsin (LGaw)(28)上二式中:Mw水动
8、力转船力矩(NM);L重心至船首的距离(m),一般近似为 LWL/2。三、风致偏转 船舶在受风作用下的偏转方向,决定于风压力转船力矩Ma和水动力转船力矩Mw的合力矩方向。在定性分析风致偏转时,关键要弄清风动力和水动力的大小、方向和作用点位置。下面按船舶运动状态来分析风致偏转的规律。1.船舶静止中受风 2船舶前进中受风 3后退中受风1.船舶静止中受风(一)风从正横前吹来,如图24(a)所示。90,A在G之前,风动力Fa产生的转船力矩Ma使船首转向下风;同时Fa使船舶向下风方向漂移,即相对流向来自于船尾方向(即90),W在G之后,Mw使船尾转向上风。总之,风从正横前吹来时,Ma和Mw均使船首向下风
9、偏转,直至接近正横受风,使A、W点都在G点附近,Ma、Mw均趋向于零,船舶才停止偏转,仅作向下风方向的漂移。1.船舶静止中受风(二)风从正横后吹来,如图24(b)所示。90,A在G之后,Ma使船尾转向下风;同时Fa使船舶向下风方向漂移,即相对流向来自于船首方向(即90),W在G之前,MW使船首转向上风。总之,风从正横后吹来时,M a和MW均使船首转向上风,直至变成正横附近受风,Ma、MW趋于零,船舶偏转停止,仅作向下风方向的漂移。1.船舶静止中受风(三)因此,静止中的船舶受风,最终将转至接近正横受风状态,并向下风漂移。但因船舶类型、上层建筑布置的不同,静止中受风最终的风舷角也就略有差异。油轮和
10、尾机型船多保持正横稍前受风;客船多保持正横受风;而一般货船往往尾吃水较深,船首受风面积较大,故多保持在风来自正横略后的位置上,即100。2船舶前进中受风(一)正横前来风时,90,A在G之后,W在G之前,Ma与MW共同使船首逆风偏转。如图25(b)所示。由此可见,船舶在前进中,斜顶风航行时比斜顺风易于保向。3后退中受风 当正横前来风时,90,A、W均处于G之后方,此时船舶偏转方向由Ma与MW之代数和来决定。如图26(b)所示。由于船尾要比船首肥大,且船尾还有舵及车叶等设备,所以当倒航中船有一定退速时,作用于船尾部下风侧水动力Fw非常大,而且W比A更靠近船尾,因此不论风舷角是多少,MW往往大于Ma
11、,使船尾迎向上风。但若退速较低,FW较小,则受Ma作用。4风致偏转综合结论 1)船静止中或航速接近于零时,船身将趋向于和风向垂直。2)船舶前进中,正横前来风,空载、慢速、尾倾、船首受风面积大的船,顺风偏;满载或半载、首倾、船尾受风面积大的船或高速船,逆风偏;正横后来风,逆风偏显著。3)船舶后退中,在一定风速下当船有一定退速时,船尾迎风,正横前来风比正横后来风显著,左舷来风比右舷来风显著。退速较低时,船的偏转基本上与静止时情况相同,并受到倒车横向力的影响,船尾不一定迎风。四、风致漂移 船舶受风作用而向下风漂移,其漂移速度随船速降低而增加,当停船时,漂移速度最大。1船舶停于水上的漂移速度 2.船舶
12、航行中的漂移速度 1船舶停于水上的漂移速度 停于水上的船舶受风作用时最终将保持正横附近受风,并匀速向下风横向漂移。其漂移速度可由下式估算:式中:Vy深水中停船时受风横向漂移速度(m/s);Va真风速(m/s);Ba水面上船体的侧面积(m2);Lwl船舶水线长(m);d吃水(m)。一般万吨船空载时,vy1/20va;满载时,vy1/30va。dLwBaVaVy1041.02.船舶航行中的漂移速度 船舶航行中的漂移速度,可采用日本学者平岩通过实船试验提出的下列公式来求取:Vy=Vy e-1.4Vs (213)式中:Vy航行中风致漂移速度(m/s);Vy停船时的漂移速度(m/s);Vs船舶航速(kn
13、)。3.风致漂移结论 由此可见,船舶航行中的漂移速度除与影响停船时的漂移速度的因素相同之外,还与本船航速密切相关。船速越低,横漂速度越大。因此在港内靠离泊或掉头操纵过程中,应根据船舶当时漂移速度及下风侧可供使用的水域大小,确定可供操纵使用的时间,与完成整个操纵过程所需的时间相比较,是否安全可行,做到心中有数。五、强风中操船的保向界限(一)船在航行时,除首尾向来风不发生偏转外,其他方向来风都将使船在向下风漂移的同时还将产生偏转运动。为了保证船能航行在预定的航线上,必须使用风压差和压舵(checking the helm)来抵消船的漂移和船首的偏转。风速越大,航速越小,则风压差也越大,为了保向所需
14、的压舵量也势必越大。五、强风中操船的保向界限(二)当风速大到某一界限以上时,即使用满舵,也无法保持航向。能够用舵保持航向的风速界限,称保向界限。它和风速与航速之比及相对风向角有关,如图27所示。图28为某大型油轮在低速航行时能够操舵保向的风速界限。图27图28五、受风保向界限结论 1同一条船的不同舵角的保向界限曲线中,舵角大时曲线位置更高一些,这说明压舵角大,保向范围扩大。2相对风向角对保向界限的影响尽管因船不同而有所差异,但大多约在=80120范围内曲线出现最低值,这说明船舶正横附近或稍后受风时,保向最为困难。风速只要达到船速数倍时,就将出现即使满舵也无法操纵的情况。3 90即斜顶风时曲线较
15、高,90即斜顺风时曲线较低,这说明船舶斜顶风时的保向性较斜顺风时好。4 4保向范围总的来说随风速的降低而扩大,随船速的降低而减小,增大压舵角可扩大保向范围。由此可知,提高航速、增加压舵角、采取斜顶风是提高船舶保向性的有效措施。但提高船速是有限度的,对于任何船舶,随着风速提高均存在受风不能保向的范围,操船时应予注意。第二节第二节 流对操船的影响流对操船的影响 流对船舶的影响通常比风大得多,尤其对于重载船舶而言。流对船舶运动影响的规律性可从下列几个方面讨论。1.水流对船速和冲程的影响 2.水流对舵力和舵效的影响 3.流压对船舶漂移的影响 4.流对旋回的影响 5.弯曲水道水流的特点1.水流对船速和冲
16、程的影响 1)船舶顺流航行时,实际船速等于静水船速加流速;顶流航行时,实际船速则等于静水船速减流速。因此,在静水船速和流速不变的条件下,顺流航行时对地船速比顶流航行时实际对地船速大两倍流速。2)顶流时,对地冲程减小,流速越大冲程越小;顺流时,对地冲程增加,停车后减速的过程非常缓慢,最后如不借助倒车或抛锚,将不能阻止船以水流速度向前漂移。2.水流对舵力的影响 舵力及其转船力矩是与舵叶对水速度的平方成正比的,而舵叶对水速度又与船舶对水速度成正比。由于不论顶流或顺流,只要流速相等,船舶相对于水的速度则不变,等于静水船速,所以在舵角和螺旋桨转速(排出流速度)等条件相同时,顺流和顶流时的舵力相等,其转船
17、力矩也一样。3.水流对舵效的影响 顶流时对地船速比顺流时小两倍流速,故使用同样的舵角顶流时能在较短的距离上使船首转过较大的角度,需要时也比较容易把定,操纵较为灵活。因此,顶流时的舵效较顺流时好。但当船首斜向顶流时,由于流压力矩的作用,船舶向迎流舷回转困难,舵效反而差。重载大船在遇强流时尤其如此。3.流压对船舶漂移的影响 船舶首尾线与流向有一交角时,流速和静水船速的合成速度,将使船向水流来向相反一舷运动,通常称之为流压。流压使船漂移,流速越大、交角越大,流压也越大;船速越慢、流压也越大,漂移速度也越快。操纵时应特别警惕横压流的影响,尤其船舶以较低航速在狭窄水域航行时应特别注意漂移速度,及时修正流
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