基本介紹
- 中文名：縱搖
- 外文名：pitching
- 實質：船體繞橫軸的迴轉振盪運動
- 影響：造成舶舶失速、砰擊、上浪
- 特性：固有縱搖周期小於固有橫搖周期
- 相關概念：橫搖、升沉
概述,縱搖研究方發法,縱搖的穩定,固定鰭,主動減縱搖鰭,增加縱搖阻尼,
概述
當船舶縱向對浪航行時，主要產生縱搖和垂盪。作為周期性運動，它們和橫搖有許多相似的地方，但也有自己的特點，主要表現為：
圖1 縱搖與橫搖示意圖
圖1 縱搖與橫搖示意圖(1)在研究橫浪橫搖時，假定船舶的橫向尺度和波長之比是小量，可以用角振動的液面代替波浪的擾動。在縱向運動中，船長和波長是同量級的，因而必須考慮波浪曲率的影響。
(2)縱搖和垂盪是同時發生的，見圖1。縱搖能引起垂盪，垂盪能引起縱搖，即所謂的耦合影響。只有當漂心和重心在同一垂直線上時，才有可能把兩者分開。
(3)縱搖運動的幅值較小，線性理論能得到十分滿意的結果。
縱搖研究方發法
目前對縱向運動的研究有以下三個途徑：
(1)建立在模型試驗或實船統計基礎上的經驗公式和圖譜，一般作為方案設計階段的參考。
(2)模型試驗，包括在規則波中確定頻率回響函式和不規則波中的試驗。
(3)根據流體力學原理，用電子計算機進行理論計算，它不僅能計算縱搖和垂盪，同對可以對耐波性的一系列內容進行預報。目前電算結果已經具有工程上要求的精度，在若干方面可以代替模型試驗。電算具有大量、迅速、經濟和可靠的特點。我國許多單位都具有電子計算機和備有耐波性理論計算源程式，設計工作者應充分利用這一有力工具。
縱搖的穩定
船舶因縱搖運動而遭致的不利後果有：同等功率下的失速、嚴重的結構損傷、船員暈船症。因此，如果能減少船的縱搖運動，那是極為理想的。縱搖的穩定問題是和橫搖的穩定有很大區別的。船舶的縱搖阻尼很大，這一事實意味著需要有很大的力矩才能進一步加大這一阻尼。要想如同穩定橫搖那樣利用船內的裝置(例如水倉、陀螺儀、移重等等)來產生這樣量級的力是不實際的。此外，不象橫搖，縱搖運動的諧搖並不明顯。也就是說，橫搖譜的峰狹而陡，而縱搖譜的峰卻對應很寬的頻率。減縱搖鰭只有在諧搖範圍附近才較為有效，在更高或更低的頻率時其效果就大為降低。
因此，對穩定縱搖的所有嘗試都是利用能夠產生大的作用力的船外的裝置，諸如固定首鰭、可動尾鰭，以及在少數情況下用可動首鰭和固定尾鰭。只有固定首鰭曾實際裝在船上過，並起到減少縱搖和失速的效果。
固定鰭
曾經進行過船模試驗和實船試驗來探討固定首鰭對船舶縱搖運動的影響。從試驗中發現，在較短的波浪中縱搖運動可以有相當大的減少，但是人們對於固定鰭是否能對縱搖運動提供足夠的穩定作用仍有相當的懷疑。在另一方面，主動式鰭的效果要比固定鰭高一倍，不過主動式鰭與其操作機構和控制裝置在重量、空間和費用方面可能提出很高的要求。
固定鰭結構圖
固定鰭結構圖在實船試驗中發現，對於減縱搖鰭來說，大的浸深是很重要的。但是任何裝有首鰭或尾鰭的船舶，不論鰭的浸深是多么大，都會面對鰭可能出水這一不利情況。這一情況在設計上是一個難題，尤其是對於主動式鰭，因為鰭的出水會導致很大的作用力，這一點在結構設計中是必須加以考慮的。再者，空氣的吸入還將減少鰭的上表面的穩定力。
雖然可以通過加大浸深來加以改善，但完全消除是不可能的。由鰭而引起的船速損失在靜水中是不大的。甚至還有可能將固定鰭設計得使之在某一船速下的阻力反而更低些，如同球首的情況一樣。但是，用鰭穩定的船舶在洶濤海面上會受到頻繁的砰擊，而僅只在縱搖運動上減少20～25%並不能抵償砰擊或振動的不良效果，後者是由空泡破裂在船側殼板上形成衝擊而造成的。尾鰭看來並不比首鰭優越。
主動減縱搖鰭
減縱搖鰭如同舵和減橫搖鰭一樣，可以由一個自動控制系統加以操作，從而使船舶在洶濤海面上的運動狀態大為改善。
主動式減縱搖首鰭並不如主動式減橫搖鰭那么有利。其原理是固定的減縱搖鰭會根據攻角而自動地產生升力，攻角是由船的前進速度和縱搖引起的船首垂向速度合成的。
固定鰭的阻尼力是相當大的，而且其相位也是適當的。首鰭襟翼的主動化只有在需要更大的升力時方是值得的，尤其是要求在低速情況下也能減少縱搖時。總之，由於需要與縱搖周期而不是橫搖周期相適應，水泵和馬達都需要有相當大的尺度才能產生足夠的轉矩來對抗船首很高的波浪和壓力。
噴水水翼作為減縱搖鰭是部分主動化的，主體是固定的鰭。噴水襟翼鰭是受空泡限制的，在產生空泡之前它的升力要大得多。
模型試驗表明，可動的尾鰭可以與固定首鰭同樣有效。此外，首鰭的效果會隨波高或攻角(失速前)的增加而提高，但尾鰭的效果將不會因波高而有多少變化。
另一種穩定縱搖的方法是設法有效地減少水線面的面積，例如採用開式水倉。但有一艘船在尾部裝上開式水倉後反而使它的縱搖性能惡化。橫型試驗表明，雖然採用水倉並不能減少運動的最大幅值，但這些最大運動幅值卻被轉移到較低的船速。這一事實使得船舶在設計的船速範圍內可以更有效地營運。
增加縱搖阻尼
作為振盪運動，阻尼無疑是一個重要參數。由於船很長，縱搖的阻尼力矩很大。船舶縱傾復原力矩很大，使縱搖固有周期很小。所以，在靜水中自由縱搖衰減極快，圖2是某船的減幅曲線。正因為縱搖衰減快，故無法像橫搖那樣繪出衰減曲線，求出相應的衰減係數。少數試驗資料表明，縱搖無因次衰減係數一般在0.3至0.5之間，而橫搖只是在0.05至0.07之間。
圖2 某船的減幅曲線
圖2 某船的減幅曲線增加縱搖阻尼是改善縱搖的一個途徑，例如，在船首加裝首龍骨和減縱搖鰭都是以增加縱搖阻尼為出發點的。
