舰艇静力学：风的作用

风对舰艇的作用是产生一个横倾的外力矩，由于风的不同作用性质，可将该外力矩分为静倾力矩和动倾力矩。以下先分析风的性质。

1.风的分类和分级

海洋风按其成因可分为如下四种类型：气压梯度风、锋面风、低压风和台风。

气压梯度风和锋面风的特点是刮风时间较长，但它们的强度不大，通常为10～15 m/s，最大风速在24 m/s左右，这类风在海面上经常出现。风速和时间的关系大致如图4-26（a）所示。这两类风对舰艇的作用可以看成是静倾力矩。

低压风和台风的特点是最大风力在它们的中心处，但中心处的风向是反复的（即180°地改变风向），过中心后继续刮后续稳定风。这类风强度较大，根据实测统计数据，中心附近的最大风速，低压风可高达32 m/s，台风可达50 m/s（在台风中心处有的记录值甚至高达110 m/s），而后续稳定风的风速，低压风可达15 m/s，台风可达20 m/s。其风速与时间的关系如图4-26（b）所示。这两类风在中心处对舰艇的作用相当于动倾力矩的作用。

图4-26　风速与时间关系曲线

自然界风在风速和风压上的表现有“平均”和“突变”之分，这种“平均”和“突变”之间存在着一定的关系，常用所谓突风度来表征这种关系：突风度的大小与风的类型、平均风速、地形等因素有关，有一定的变化范围，各个国家的统计资料也不尽相同。根据统计，目前各国所取突风度大致在1.2～1.7之间，并且当平均风速较小时，突风度取得较大，而当平均风速较大时取得较小。

气象台站一般用所谓的蒲氏风级表表示风速和风压之间的关系。表4-3为1946年巴黎国际气象会议所推荐的蒲氏风级表，该表中只列出了平均风速和风压，突风风速就需要根据突风度大小来确定。该表中平均风压是按下列公式计算的：

其中：当t=0°时，ρ=0.132 kg/m3，C0=1.186。

表4-3　1946年蒲氏风级表

海上风力的大小是随着距离海面高度的不同而变化的，表4-3中给出的是海面以上10 m处的风速和风压。海面上不同高度处的风速风压修正系数如表4-4所示。

表4-4　海面上不同高度处风速和风压的修正系数

2.风压倾斜力矩的确定

当风长期作用（即静作用）时，舰艇产生均匀的横移运动，这时船体水下部分的船体侧面上将产生水的阻力R，与风压力Fj相平衡，阻力R的作用点可取在1/2吃水处，如图4-27所示。于是由风力和水的阻力构成的倾斜力矩是(www.xing528.com)

式中　zn——风的作用中心到基平面的高度，m；

T——舰艇吃水，m。

图4-27　风长期作用下舰艇受力

风压力Fj的计算式为

式中　Sf——受风面积，即舰艇水线以上部分在中线面上的投影面积，m2；

pj——风的静压力，即受风面积中心处的静风压值，N/m2。

当突风作用于舰艇时，舰艇的横倾是一种不均匀（不稳定）的运动，这时，舰艇有较大的横移加速度，但速度却很小，故水对船体水下部分侧面的阻力很小，可以忽略不计，而这时必须估计作用于舰艇重心G上的、与舰艇运动方向相反的惯性力R，如图4-28所示。在这种情况下动倾力矩应按下式计算：

式中　FD——突风作用力，FD=pD·A，其中pD为风的动压力，取受风面积中心处的动风压值；

zg——重心G在基平面以上的高度。

图4-28　突风速作用下舰艇受力

有时在计算时就简单地取zg=T，这时式（4-23）可改写为