舰艇空气阻力与影响因素及变化规律

在海上运动的舰艇与水接触的部分会遭遇水阻力，与空气接触的部分会遭遇空气阻力。其实对空气阻力也可按成因进一步细分，但是由于空气的密度只有水密度的1/1000左右，所以舰艇的空气阻力相对水阻力小得多，无再细分的必要。

此外还需要注意的是，由于风压的作用，运动的舰艇可能会出现横倾或者偏离既定航向，横倾现象会导致船体水阻力增大，为了纠正舰艇的偏航要操舵以保证航向，此时也会产生额外的水阻力。这些都是由于风的作用而产生的附加水阻力。

对于军用水面舰艇或者民用海洋船舶，水线面以上的船体和上层建筑比水线面以下的船体和附体要大得多，尽管舰艇与空气接触的面积远大于与水接触的面积，但是空气阻力远小于水阻力，所以对于水下部分的船体和附体，在设计和安装布置时都有严格的减小运动阻力的要求，而对于水上部分船体和上层建筑，在设计过程中却不用遵照低阻力的要求，更多地是基于使用和功能的需要来选择外形。由于舰艇上层建筑并非采用低阻力流线型设计，绕流场流线紊乱，会产生大量旋涡，所以舰艇的空气阻力主要是黏压阻力。

舰艇的空气阻力主要与舰艇相对于空气速度的大小、舰艇的受风面积、受风部分的形状等因素相关。空气阻力可以采用类似于水阻力的计算表达式来计算：

式中　Raa——空气阻力，N；

Ca——空气阻力系数；

ρa——空气的密度，kg/m3；

Sc——船体水线面以上部分在中横剖面上的投影面积，m2；

va——舰艇相对空气速度大小，m/s。

舰艇的航速为vs、风速为vw，若舰艇是顺风航行，则舰艇相对空气速度大小为vs-vw，若舰艇是逆风航行，则舰艇相对空气速度大小为vs+vw。设φa表示风向与船体纵向的夹角，称为风向角，则

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由于海面上的风大小和方向都是极不稳定的，因此此处的风速与风向角只能是平均值。并且，海面上的风速受到海面边界层的影响，其速度大小会随离海面高度的不同而变化。

由于海面上真实风的复杂性，所以准确得到舰艇的空气阻力系数是困难的，目前主要是通过风洞中稳定风速下舰艇水线面以上部分缩尺模型的测力试验来确定，并且风洞试验段中风速也会受到边界层的影响。

试验表明，舰艇的空气阻力系数Ca随风向角变化规律大致如图8-37所示。一般空气阻力的峰值出现在迎风30°相对风向角处，比完全逆风时的空气阻力稍大。空气阻力受上层建筑形式的影响很大，不同舰艇的空气阻力系数及其具体的变化规律是不尽相同的。

如果为了与水阻力系数表达式统一形式，并方便对空气阻力与水阻力进行比较，取空气阻力系数的表达式为

图8-37　舰艇空气阻力系数随风向角的变化曲线

则空气阻力Raa为

式中　S——船体的湿表面积，m2。

一般舰艇的空气阻力系数CAA在0.1×10-3左右，但有些特殊的船舶，如气垫船、地效应船等，其空气阻力很大，需要对其进行专门的分析研究。