纵摇

船体绕横轴的回转振荡运动

纵摇是船体绕横轴的回转振荡运动。纵摇和垂荡对船舶造成多方面的不利影响，是失速、砰击、上浪的主要原因之一。一般来讲，舶舶固有纵摇周期小于固有横摇周期。与纵摇相关的概念是升沉，一般，纵摇和升沉彼此相关，只要漂心与重心不在同一条铅垂棱上，升沉就必会引起纵摇，反之亦然，而且这两种运动的周期和衰减值也大致相似。

内容简介

当船舶纵向对浪航行时，主要产生纵摇和垂荡。作为周期性运动，它们和横摇有许多相似的地方，但也有自己的特点，主要表现为：

(1)在研究横浪横摇时，假定船舶的横向尺度和波长之比是小量，可以用角振动的液面代替波浪的扰动。在纵向运动中，船长和波长是同量级的，因而必须考虑波浪曲率的影响。

(2)纵摇和垂荡是同时发生的，见图1。纵摇能引起垂荡，垂荡能引起纵摇，即所谓的耦合影响。只有当漂心和重心在同一垂直线上时，才有可能把两者分开。

(3)纵摇运动的幅值较小，线性理论能得到十分满意的结果。

纵摇研究方发法

对纵向运动的研究有以下三个途径：

(1)建立在模型试验或实船统计基础上的经验公式和图谱，一般作为方案设计阶段的参考。

(2)模型试验，包括在规则波中确定频率响应函数和不规则波中的试验。

(3)根据流体力学原理，用电子计算机进行理论计算，它不仅能计算纵摇和垂荡，同对可以对耐波性的一系列内容进行预报。电算结果已经具有工程上要求的精度，在若干方面可以代替模型试验。电算具有大量、迅速、经济和可靠的特点。我国许多单位都具有电子计算机和备有耐波性理论计算源程序，设计工作者应充分利用这一有力工具。

纵摇的稳定

船舶因纵摇运动而遭致的不利后果有：同等功率下的失速、严重的结构损伤、船员晕船症。因此，如果能减少船的纵摇运动，那是极为理想的。纵摇的稳定问题是和横摇的稳定有很大区别的。船舶的纵摇阻尼很大，这一事实意味着需要有很大的力矩才能进一步加大这一阻尼。要想如同稳定横摇那样利用船内的装置(例如水仓、陀螺仪、移重等等)来产生这样量级的力是不实际的。此外，不象横摇，纵摇运动的谐摇并不明显。也就是说，横摇谱的峰狭而陡，而纵摇谱的峰却对应很宽的频率。减纵摇鳍只有在谐摇范围附近才较为有效，在更高或更低的频率时其效果就大为降低。

因此，对稳定纵摇的所有尝试都是利用能够产生大的作用力的船外的装置，诸如固定首鳍、可动尾鳍，以及在少数情况下用可动首鳍和固定尾鳍。只有固定首鳍曾实际装在船上过，并起到减少纵摇和失速的效果。

固定鳍

曾经进行过船模试验和实船试验来探讨固定首鳍对船舶纵摇运动的影响。从试验中发现，在较短的波浪中纵摇运动可以有相当大的减少，但是人们对于固定鳍是否能对纵摇运动提供足够的稳定作用仍有相当的怀疑。在另一方面，主动式鳍的效果要比固定鳍高一倍，不过主动式鳍与其操作机构和控制装置在重量、空间和费用方面可能提出很高的要求。

在实船试验中发现，对于减纵摇鳍来说，大的浸深是很重要的。但是任何装有首鳍或尾鳍的船舶，不论鳍的浸深是多么大，都会面对鳍可能出水这一不利情况。这一情况在设计上是一个难题，尤其是对于主动式鳍，因为鳍的出水会导致很大的作用力，这一点在结构设计中是必须加以考虑的。再者，空气的吸入还将减少鳍的上表面的稳定力。

虽然可以通过加大浸深来加以改善，但完全消除是不可能的。由鳍而引起的船速损失在静水中是不大的。甚至还有可能将固定鳍设计得使之在某一船速下的阻力反而更低些，如同球首的情况一样。但是，用鳍稳定的船舶在汹涛海面上会受到频繁的砰击，而仅只在纵摇运动上减少20～25%并不能抵偿砰击或振动的不良效果，后者是由空泡破裂在船侧壳板上形成冲击而造成的。尾鳍看来并不比首鳍优越。

主动减纵摇鳍

减纵摇鳍如同舵和减横摇鳍一样，可以由一个自动控制系统加以操作，从而使船舶在汹涛海面上的运动状态大为改善。

主动式减纵摇首鳍并不如主动式减横摇鳍那么有利。其原理是固定的减纵摇鳍会根据攻角而自动地产生升力，攻角是由船的前进速度和纵摇引起的船首垂向速度合成的。

固定鳍的阻尼力是相当大的，而且其相位也是适当的。首鳍襟翼的主动化只有在需要更大的升力时方是值得的，尤其是要求在低速情况下也能减少纵摇时。总之，由于需要与纵摇周期而不是横摇周期相适应，水泵和马达都需要有相当大的尺度才能产生足够的转矩来对抗船首很高的波浪和压力。

喷水水翼作为减纵摇鳍是部分主动化的，主体是固定的鳍。喷水襟翼鳍是受空泡限制的，在产生空泡之前它的升力要大得多。

模型试验表明，可动的尾鳍可以与固定首鳍同样有效。此外，首鳍的效果会随波高或攻角(失速前)的增加而提高，但尾鳍的效果将不会因波高而有多少变化。

另一种稳定纵摇的方法是设法有效地减少水线面的面积，例如采用开式水仓。但有一艘船在尾部装上开式水仓后反而使它的纵摇性能恶化。横型试验表明，虽然采用水仓并不能减少运动的最大幅值，但这些最大运动幅值却被转移到较低的船速。这一事实使得船舶在设计的船速范围内可以更有效地营运。

增加纵摇阻尼

作为振荡运动，阻尼无疑是一个重要参数。由于船很长，纵摇的阻尼力矩很大。船舶纵倾复原力矩很大，使纵摇固有周期很小。所以，在静水中自由纵摇衰减极快，图2是某船的减幅曲线。正因为纵摇衰减快，故无法像横摇那样绘出衰减曲线，求出相应的衰减系数。少数试验资料表明，纵摇无因次衰减系数一般在0.3至0.5之间，而横摇只是在0.05至0.07之间。

增加纵摇阻尼是改善纵摇的一个途径，例如，在船首加装首龙骨和减纵摇鳍都是以增加纵摇阻尼为出发点的。

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