基本概念介绍
波高(H):是指相邻的波峰和波谷之间的垂直距离。它是描述海浪高度的一个重要参数,波高越大,海浪的能量就越大,对船舶的冲击力也越强。
波长(L):是指相邻两个波峰或者波谷之间的水平距离。波长影响着海浪的周期和船舶在海浪中的摇摆周期。
船舶稳定性:船舶在受到外力(如海浪作用力)干扰后,能够恢复到原来平衡位置的能力。它与船舶的重心高度、浮心位置、船型等因素有关。
波高与船舶稳定性的关系
横摇运动:当海浪的波高增加时,船舶的横摇角度会增大。根据横摇运动的理论,船舶横摇的幅值(θ)与波高(H)近似成正比关系,即,其中 B 是船宽,k 是一个与船舶的惯性半径、重心高度等因素有关的系数。例如,对于一艘船宽为 20 米的船舶,当波高从 2 米增加到 4 米时,在其他条件不变的情况下,横摇幅值可能会增大一倍左右。
纵摇运动:波高也会影响船舶的纵摇。纵摇角度()与波高同样存在近似的正比关系,不过还与船长(Lship)和波长(L)的比值有关,当时,纵摇会比较剧烈。纵摇幅值公式可以简单表示为,m 是与船舶自身特性相关的系数。比如,一艘船长为 100 米的船舶,在波高为 3 米、波长接近船长的海浪中,纵摇角度会比在波高为 1.5 米的同样波长海浪中明显增大。
波长与船舶稳定性的关系
共振现象:当海浪的波长与船舶的长度之比接近一定数值时,船舶容易发生共振。船舶的固有周期()和波长(L)以及波速(v)有关,,其中是海浪的圆频率,(g 是重力加速度)。当船舶的固有周期与海浪的周期相匹配时,船舶的摇荡运动幅度会急剧增加。例如,一艘船舶的固有周期为 10 秒,当遇到波长和波速组合使得海浪周期也为 10 秒的情况时,船舶的稳定性会受到极大威胁,横摇、纵摇和垂荡等运动都会变得非常剧烈。
波长对船舶运动的影响:如果波长较短,船舶可能会同时受到多个波峰和波谷的作用,船舶的运动较为复杂,但是整体的运动幅度可能相对较小,因为短波长的海浪能量分布较为分散。相反,长波长的海浪可以使船舶产生较为平缓但幅度较大的运动,如长波长的涌浪会使船舶产生长时间的纵摇和垂荡运动,影响船舶的稳定性。例如,在开阔洋面上遇到长波长的涌浪,船舶可能会出现持续的上下起伏,船员会感觉到船舶长时间的不稳定状态。
波高和波长对船舶横摇周期有何影响?
除波高和波长外,还有哪些海洋因素会影响船舶稳定性?
船舶设计师如何通过设计来提高船舶在恶劣海况下的稳定性?