Определение силы волнения и ветра

Объективная характеристика волнения и ветра — основных факторов, определяющих внешние условия плавания судна, — является одним из наиболее важных элементов мореходных испытаний судов.

Неточное определение условий плавания искажает оценку мореходности судна и существенно понижает точность и ценность результатов испытаний. В практике мореходных испытаний обычно применяют упрощенный способ описания волнения, который сводится к определению его интенсивности (степени, или силы) и указанию типа волнения.

До 1954 г. в Советском Союзе степень волнения в процессе мореходных испытаний оценивалась по шкале состояния поверхности моря [5]. Практическое использование этой шкалы осложнялось отсутствием указаний о том, какая высота волны из всего многообразия волн, наблюдаемых на поверхности моря, должна быть выбрана в качестве определяющей. Поэтому при оценке интенсивности нерегулярного морского волнения, помимо размеров волн, учитывали внешний вид поверхности моря, ориентируясь на указанные в шкале признаки для определения состояния поверхности моря. Внешний вид морской поверхности зависит главным образом от силы ветра и плохо отражает влияние на размеры волн таких важных (с точки зрения волнообразования) факторов, как продолжительность действия ветра, длина его разгона, образование и распространение зыби, глубина моря. Поэтому данная шкала не обеспечивает однозначной оценки силы волнения.

С 1954 г. в СССР при мореходных испытаниях судов используют единую шкалу для оценки интенсивности волнения на морях, озерах и крупных водохранилищах.

Шкала Главного управления гидрометеорологической службы для определения степени волнения Высота волн, м Степень волнения, баллы Характеристика волнения 0—0,25 0,25—0,75 0,75—1,25 1,25—2,0 2,0—3,5 3,5—6,0 6,0—8,5 8,5—11,0 11,0 и более 12 3 4 5 6 7 8 9 Слабое Умеренное Значительное» Сильное» Очень сильное» Исключительное

Шкала предусматривает оценку степени волнения только по одному параметру, в качестве которого принята высота волны с обеспеченностью 3%. Эта высота определяется как расстояние от подошвы до вершины волны без учета вторичных волн, соответствующих относительным экстремумам волнового профиля. При заданной степени волнения характерная высота волны может изменяться в пределах некоторого диапазона.

Необходимо подчеркнуть, что высота волны не позволяет однозначно определить волновые условия в отношении их влияния на мореходные качества судна, поскольку результат воздействия волн на судно зависит не только от их высоты, но также и от периода, определяющего длину волн. В этом плане наиболее совершенным методом описания морского волнения является энергетический спектр волн (см. § 32). При отсутствии средств определения спектра волн оценку степени волнения обязательно следует дополнять определением среднего периода волн и типа волнения. Вызванное ветром морское волнение всегда является нерегулярным и трехмерным. В зависимости от стадии развития ветровое волнение подразделяется на развивающееся, развитое (или установившееся) и затухающее. Корреляционная зависимость между средним периодом и характерной высотой волн, установленная на основании наблюдений на различных морях и океанах, представлена на рис. 82. В среднем эта зависимость согласуется с формулой где k=3,1÷3,3 — для развитого ветрового волнения.

После прекращения ветра волновое движение продолжается по инерции, но вследствие вязкости воды постепенно затухает. На этой стадии морское волнение называется зыбью. В результате интерференции ветровых волн и зыби возникает смешанное волнение. В образовании смешанного волнения может участвовать одна или несколько систем зыби, распространяющихся в разных направлениях.

Кроме типа волнения, указывают его направление. Оценку направления распространения волн производят визуально по компасу с точностью 5—10° и обозначают румбом, от которого бегут волны. Например, направление волн, распространяющихся по азимуту 235°, обозначают так: NOtO (норд-ост-тень-ост).

Рис. 82. Зависимость среднего периода волнения от высоты волн.

1 — развитое (установившееся) волнение; 2 — развивающееся волнение; 3 — затухающее волнение; 4 — область редко встречающихся значений периодов волн.

В зарубежной практике оценку степени волнения обычно связывают с силой ветра, определяемой по шкале Бофорта. В табл. 15 представлена шкала степени волнения, согласованная с энергетическим спектром Пирсона-Московица. В качестве характерной высоты волны в этой шкале используют значительную высоту H1/3, которая равна среднему значению 1/3 наибольших в данной последовательности волн где Dζ — дисперсия волновых ординат.

Таблица 15. Соотношение между силой ветра и характеристиками волнения (по Пирсону-Московицу)

Считается, что зафиксированные в действовавших в СССР до 1954 г. шкалах высоты волн, именуемые средними, фактически должны пониматься как волны с обеспеченностью 5—20%, т. е., как нетрудно проверить, они примерно соответствуют значительным высотам H1/3 [55].

Как правило, при определении степени волнения в процессе мореходных испытаний используют регистрирующие приборы, которые позволяют получить распределение высот и периодов волн по частоте их повторения и, следовательно, однозначно определить высоту волн с обеспеченностью 3% и средний период волн. Но иногда, в частности при наблюдениях за мореходными качествами судов в эксплуатационных условиях, ограничиваются визуальной оценкой степени волнения. Регистрируемые визуально элементы волн зависят от методики наблюдений.

В качестве визуальной оценки высоты волн Нвиз используют высоту преобладающей системы волн. Величина Нвиз, а также получаемая на основе инструментальных измерений высота с обеспеченностью 3%, являются случайными величинами (первая — по способу определения, а вторая — вследствие ограниченной продолжительности исходной волнограммы). Поэтому между оценками Нвиз и H3% существует только статистическое соответствие, т. е. определенным значениям Яви з соответствует совокупность значений и регрессионные зависимости характеризуют лишь средние соотношения между ними. Анализ таких зависимостей обнаруживает различия в оценках высот наблюдателями на малых и больших судах, которые имеют, видимо, психологическую природу и заключаются в завышении крупных волн на малых судах и занижении низких волн на средних и больших судах (рис. 83). По оценкам на больших судах при слабом волнении H3% : Нвиз = 1,3÷1,45, при сильном волнении (H3% =7÷8 м) — указанное отношение равно 1,15—1,20 [55].

Рис. 83. Зависимость между визуальной и инструментальной оценками высоты волн.

— — — Нвиз = H3%; — · — наблюдения на малых судах; - - - наблюдения на больших судах.

Визуальные оценки периода волн, выполненные с помощью секундомера, как и оценки высот, обладают большим разбросом, что определяется очень малым числом волн, которые может проследить наблюдатель вследствие группового движения видимых волн. По данным, полученным отечественными и иностранными океанографическими судами, отношение Т виз к среднему периоду волн Т убывает от 1 при малых периодах волн (3—4 с) до 0,75— 0,85 при больших периодах (7—8 с). Кроме высоты и периода волн при визуальных оценках определяют длину волн, однако это сопровождается значительными ошибками.

В качестве характеристик ветра рассматривают его силу и направление. Силу ветра определяют по 12-балльной шкале Бофорта в зависимости от средней скорости ветра на стандартной высоте 6 м над уровнем моря (табл. 16). Для приближенного определения скорости ветра на разных высотах можно использовать табл. 17, заимствованную из работы [55].

Таблица 16. Шкала Бофорта Балл Характеристика ветра Скорость ветра на высоте 6 м над уровнем моря, м/с средняя при шквале 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Штиль Тихий Легкий Слабый Умеренный Свежий Сильный Крепкий Очень крепкий Шторм Очень сильный Жестокий Ураган 0—0,5 0,6—1,7 1,8—3,3 3,4—5,2 5,3—7,4 7,5—9,8 9,9—12,4 12,5—15,2 15,3—18,2 18,3—21,5 21,6—25,1 25,2—29,0 Больше 29,0 1,0 3,2 6,2 9,6 13,6 17,8 22,2 26,8 31,6 36,7 42,0 47,5 53,0 Таблица 17. Профиль скорости ветра над морем при нейтральной стратификации

ветра в течение 2 мин относительная погрешность может достигать 10— 15% [15].

Анемометр на движущемся судне измеряет скорость кажущегося ветра. Для определения истинной скорости ветра необходимо знать скорость судна и угол между направлением кажущегося ветра и диаметральной плоскостью судна. Простейший способ определения истинной скорости ветра — графическое построение треугольника скоростей, в котором известны две стороны и угол между ними, а искомой величиной является третья сторона, определяющая истинную скорость ветра. Для упрощения указанного построения используют имеющийся в наборе штурманского инструмента круг П. А. Молчанова.

Направление ветра определяют визуально по судовому компасу или с помощью флюгера, поворот которого относительно диаметральной плоскости судна можно регистрировать дистанционно [53]. Направление ветра обозначается так же, как и направление волнения.