第三章外界因素对操船的影响
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3 1 0.15 0.80 1 90o 90 90
风压力角取决于相对风舷角、受风面积以及船 型等因素。一般船舶侧面受风面积远大于正面 受风面积，且在不是顶风或顺风时，横向风压 力系数通常大于纵向风压力系数，因此，风压 力的方向总是较风的来向更接近于正横方向。 风压力角随相对风舷角的变化而变化，当相 对风舷角≈0º 或180º 时，风压力角≈0º 或180º ，即 顶风或顺风时不产生横向风压力；当≈90º 时， 风压力角≈90º ，即横风时不产生纵向风压力； 当风舷角为40º ～140º 时，风压力角≈80º ～ 100º 。
作用于船舶的风压力大小与风速、受风 面积、风舷角以及船型(风压力系数)等因 素有关。风速增加，风压力也增大。在 风速、风向一定的情况下，受风面积越 大，风压力也就越大，例如，船舶压载 状态比满载状态受风面积大；集装箱船 和客船比油船和散货船受风面积大，则 风压力也相应较大。
1）风力系数Ca 船型不同，同一相对风舷角下的风压系数差别较大。从 船体水上面积形状来看，横向受风面积分布较为均匀的 LNG 、 VLCC 油船，它们的风压系数和较小；而受风面 积较大的客船、集装箱船等的风压系数较大；同一船舶 吃水不同其风压系数也不相同，随着吃水的增大，风压 系数值略有减小。 VLCC 船舶满载时的风压力矩系数与 其他类型船舶比较，有明显的差别，在 =0º ~180º 范围内 均为负值，这说明，任何方向来风 VLCC 船首均向上风 偏转。其他船型的风压系数随相对风舷角的变化比较有 规律，且差别不是很大。
第三章 外界因素对操船的影响
第一节 第二节 第三节 第四节
风对操船的影响 流对操船的影响 受限水域的影响 船间效应
第一节
风对操船的影响
一、风力和风力转船力矩 二、水动力与水动力转船力矩 三、风致偏转 四、风致漂移 五、强风中操船的可保向界限
1. 风力 船舶水面以上面积(简称受风面积)的风压 总和称为风压力。风压力的作用改变了 船舶的动力学状态，进而改变了船舶的 运动状态。
当由00~1800变化时，a/Lpp在都在0.3~0.8范围之间。 当=900左右即船舶正横风时，a0.5Lpp，即风压力中心在船 中附近，当<900即从正横前来风时，a在中心之前；当>900 时，a中心之后 平吃水时，受风面积中心大多位于船中之后，则其风压力中 心大多比较靠后；船舶压载状态尾倾较大时，受风面积中心 可能位于船中之前，则其风压力中心比较靠前。
2. 水动力转船力矩
水动力转船力矩可以表达成与水动力相 类似的形式， 即： 9.81 2 2 NW W C NW L d w 2 式中，CNW为水动力转船力矩系数，随漂 角、水深吃水比、船体水线以下形状等 的变化而变化。
1. 2. 3.
影响船体水动力的因素 船舶的几何特征 船舶的运动特征 航行水域的几何特征
2）风力作用中 心位置a/Lpp
风压力中心位置是 指受风面积中心沿 纵向的位置， 风力作用中心至船 首的距离a与两柱 间船长Lpp的比值 随风舷角的增大 近似呈线性增加， 其值大约在0.3～ 0.8之间
风压力中心的位置 由岩井聪给出一个估算式
a 0.291 0.0023 Lpp
空载时：
Ba / ( Ld ) 18 . 1 y a 20
满载时：
Ba / ( Ld ) 0.8 1 y a 30
2. 航行中的风致漂移速度
根据实船试验，船舶航行中受正横风影响 的漂移速度与停船时的漂移速度有如下关 系： /
y y exp(0.14 x)
二、水动力与水动力转船力矩 1. 水动力
在深水中，超大型船舶的纵向附加质量 mx≈0.07m；横向附加质量my≈0.75m；附 加惯性矩Jz≈1.0m。
2）水动力角g：
水动力角是指水动力 合力方向与船舶首尾 线之间的交角 除了船舶进行纯纵向 运动或纯横向运动， 水动力角总是较漂角 更接近正横方向。
Vw
aw G
g
Fw
水动力角g是指水动力FW与船舶首尾面的 夹角。与风力角 相类似，水动力角 g 取 决于横向水动力和纵向水动力的比值， 即： tgg Y
W
XW
3）水动力作用中心
水动力作用中心距离船首的距离与船长之比 aW/L，随漂角的增大而增大。即随着漂角的 增大，水动力作用中心自距离船首0.25L渐次移 至0.75L处。 空载或压载时往往尾倾较大，尾部水下侧面积 较首部大得多，水动力作用中心要比满载平吃 水时明显后移。 当β<900即船有向前运动趋势时，w在中心之前； β＝900 时，w在中心附近；当β>900时，w在中 心之后。
风力系数Ca随相对风舷角的变化曲线为一马鞍形曲线。当风舷角＝0度
或180度时，风力系数Ca值为最小；当风舷角＝30～40度或140～160度时 风力系数Ca值为最大；当风舷角＝90度左右时，风力系数Ca值较小，但 船舶所受的风力值达到最大。
除VLCC船外，对于同一类船型，风压系数取决于相对 风舷角的大小。当相对风舷角≈0º 或180º 时，风压系数 最小。顶风和顺风仅对船速有影响，而对横向运动和 转动状态没有影响；当相对风舷角≈30º 或160º 时，风压 系数为最大，这时风对船速的影响最大，并对横向运 动和转动状态都有影响；当相对风舷角≈50º ～60º 或 120º ～140时，则风不但对船速有影响，且对横向运动 和转动状态影响最大，当相对风舷角≈90º 时，这说明 横风对船速没有影响，对横向运动状态影响最大，对 转动状态影响较小。 对于满载VLCC船舶，当相对风舷角≈135～140º 时，其 风压力矩系数最大，说明该方向来风最不易保向。
2. 流对旋回的影响
图3－21 斜顶流靠泊时的速度合成
二、流对舵效和旋回的影响
1. 流对舵力、舵效的影响 舵力及其转船力矩与舵对水的相对速度的平方 成正比，不论顶流还是顺流，只要对相对速度 相等、舵角和桨转速等条件相同，舵力及力矩 就相同，但顶流舵效好，其原因是，顶流时可 在较短的距离上使船首转过较大的角度，且易 把定，操纵为灵活。 注意：重载船在强流中，由于流压力矩的作用， 船舶迎流转向时，舵效反而变差.
（3）船舶在后退中，在一定风速下并有 一定的退速时，船舶迎风偏转，这就是 我们通常所说的尾找风现象，正横前来 风比正横后来风显著，左舷来风比右舷 来风显著；退速极低时，船舶的偏转与 静止时的情况相同，并受倒车横向力的 影响，船尾不一定迎风。
四、风致漂移
静水中的船舶因风的直接作用和水动力 的间接作用而产生的横向运动称为风致 漂移。 1. 停船时的漂移速度 2. 航行中的风致漂移速度
另外： l风速变动不明显时，可取平均风速； l强风中，可取1.25倍平均风速； l风暴中，可取1.50倍平均风速。
1）水动力的大小 当船舶与周围的水存在相对运动时，船舶所受的 水动力FW可用下式估算： 9.8 2 Yw wCwyVw Ld 式中， 2 FW为水动力（N）； W为水密度，为104.5kgsec2/m4； CW为水动力系数，其值随漂角以及船体水下形 状等因素的变化而变化； 为漂角，即相对水流 与船舶首尾面的夹角； W为船舶与水的相对速度（m/s）； L为船舶水线长度（m）； d为船舶吃水（m）；
2.风力转船力矩 风力转船力矩与风力有相类似的表达形 式，即：
9.81 2 2 2 Na a C Na ( Aa cos Ba sin ) a L 2
式中，Na为风力转船力矩（Nm）； CNa为风力转船力矩系数； L为船长；
当已经求得船舶所受的风力、风力作用中 心以及风力角时，风力转船力矩也可按下 式计算。
3）风力角
风压力Fa与船首尾线的夹角 ，称为风压力角
1 2 c B sin a ay a a cay Ba Ya 2 tg tg X a 1 c A cos 2 cax Aa a ax a a 2
式中，Cay为横向风力系数；Cax为纵向风力系数。 岩井聪也给出一个估算式：
式中， / y 为船舶航行中的漂移速度（m/s）； y 为停船时的漂移速度（m/s）； x 为船舶航行速度（kn）。
五、强风中操船的可保向界限
图3－19 强风中操船的可保向界限曲线
由图可知：
1）风舷角＝600～1200时，曲线位置较低， 可保向范围小。 2）当相对风向逐渐向首、尾靠拢时，曲线 位置升高，可保向范围扩大。 3）船首附近来风时的可保向曲线要比船尾 附近来风时的曲线要高得多。 4）强风中船舶保向性总的说来随风速的降 低而提高，随船速的降低而降低，增大舵角 可提高保向性。 另外，对于不同类型的船舶而言，水线上下 侧面积之比较大的船舶其保向性较差；浅水 对强风中船舶的可保向界限的影响甚微。
三、风致偏转
船舶在风中的偏 转是船舶所受的 风力转船力矩和 水动力转船力矩 共同作用的结果。 船舶的偏转情况 可以分为两种， 即迎风偏转和背 风偏转。
按船舶各种运动状态来定性分析风致偏转规律
船首顺风
1. 船舶静Βιβλιοθήκη Baidu中
船首迎风
A Fa G Fw Fa W
W
G
Fw
A
2. 船舶在前进中
偏转不定
船首迎风
图3－20 低速航进中可保向的极限风速
第二节 流对操船的影响
一、流对船速、冲程的影响 二、流对舵效和旋回的影响
顶流中，冲程较小，流速越大冲程越小；顺流中则 冲程增大，因此在顺流进港时，针对停车后降速过 程非常缓慢的特点，一方面应及早停车淌航，另一 方面应及时地运用倒车、抛锚或拖轮进行减速制动。
船舶所受的风力可用Hughes公式予以 估算： F 9.81 C ( A cos 2 B sin 2 ) 2
a
2
a
a
a
a
a
式中： a 为空气密度，为0.125kgsec2/m4； 为相对风舷角； Ca为风力系数，其值随风舷角以及 船体水线以上受风面 积的形状的变化而变化； a 为相对风速（m/s）； Aa为水线以上船体正投影面积（m2）； Ba为水线以上船体侧投影面积（m2）； Fa为水线以上船体所受的风力（N）；
1. 停船时的漂移速度 停船时，受风漂移，其漂移速度由风压力Ya和 水动力Yw达到相等来决定：
Ya 1 2 a BaCay (Va Vy )
有估算式：
2
Yw 1 2 w LdC V
2 wy y
a Cay Ba Ba Vy Va 0.041 Va w Cwy Ld Ld Va为风速（m/s）； L为船舶水线面长度（m）； d船舶实际平均吃水（m）； Ba船体水线以上侧面积（m2）。
W A
Fw Fa G Fa
W Fw G
A
3. 船舶在后退中
A Fa G Fw Fa G Fw
W
A
W
船尾迎风
船尾迎风
船舶在风中的偏转规律，可以归纳为：
（1）船舶在静止中或船速接近于零时，船 舶将顺风或逆风偏转至接近风舷角 1000 左 右向下风漂移。 （2）船舶在前进中，正横前来风、慢速、 空船、尾倾、船首受风面积较大的船舶， 船首顺风偏转；前进速度较大的船舶或满 载或半载、首倾、船尾受风面积较大的船 舶，船首将迎风偏转；正横后来风，船舶 将呈现极强的迎风偏转性。
Na＝Fasin(lG－a) ＝Fasin(L/2－a)
式中，lG为船舶重心至船首的距离。
在船舶靠泊中，当船首或船尾处于一端用系 缆固定于泊位时，估算船舶所受的风力转船 力矩则应根据船舶实际受约束状态进行计算。 Na＝Fasina （船首固定时） Na＝Fasin(L－a) （船尾固定时）
风压力角取决于相对风舷角、受风面积以及船 型等因素。一般船舶侧面受风面积远大于正面 受风面积，且在不是顶风或顺风时，横向风压 力系数通常大于纵向风压力系数，因此，风压 力的方向总是较风的来向更接近于正横方向。 风压力角随相对风舷角的变化而变化，当相 对风舷角≈0º 或180º 时，风压力角≈0º 或180º ，即 顶风或顺风时不产生横向风压力；当≈90º 时， 风压力角≈90º ，即横风时不产生纵向风压力； 当风舷角为40º ～140º 时，风压力角≈80º ～ 100º 。
作用于船舶的风压力大小与风速、受风 面积、风舷角以及船型(风压力系数)等因 素有关。风速增加，风压力也增大。在 风速、风向一定的情况下，受风面积越 大，风压力也就越大，例如，船舶压载 状态比满载状态受风面积大；集装箱船 和客船比油船和散货船受风面积大，则 风压力也相应较大。
1）风力系数Ca 船型不同，同一相对风舷角下的风压系数差别较大。从 船体水上面积形状来看，横向受风面积分布较为均匀的 LNG 、 VLCC 油船，它们的风压系数和较小；而受风面 积较大的客船、集装箱船等的风压系数较大；同一船舶 吃水不同其风压系数也不相同，随着吃水的增大，风压 系数值略有减小。 VLCC 船舶满载时的风压力矩系数与 其他类型船舶比较，有明显的差别，在 =0º ~180º 范围内 均为负值，这说明，任何方向来风 VLCC 船首均向上风 偏转。其他船型的风压系数随相对风舷角的变化比较有 规律，且差别不是很大。
第三章 外界因素对操船的影响
第一节 第二节 第三节 第四节
风对操船的影响 流对操船的影响 受限水域的影响 船间效应
第一节
风对操船的影响
一、风力和风力转船力矩 二、水动力与水动力转船力矩 三、风致偏转 四、风致漂移 五、强风中操船的可保向界限
1. 风力 船舶水面以上面积(简称受风面积)的风压 总和称为风压力。风压力的作用改变了 船舶的动力学状态，进而改变了船舶的 运动状态。
当由00~1800变化时，a/Lpp在都在0.3~0.8范围之间。 当=900左右即船舶正横风时，a0.5Lpp，即风压力中心在船 中附近，当<900即从正横前来风时，a在中心之前；当>900 时，a中心之后 平吃水时，受风面积中心大多位于船中之后，则其风压力中 心大多比较靠后；船舶压载状态尾倾较大时，受风面积中心 可能位于船中之前，则其风压力中心比较靠前。
2. 水动力转船力矩
水动力转船力矩可以表达成与水动力相 类似的形式， 即： 9.81 2 2 NW W C NW L d w 2 式中，CNW为水动力转船力矩系数，随漂 角、水深吃水比、船体水线以下形状等 的变化而变化。
1. 2. 3.
影响船体水动力的因素 船舶的几何特征 船舶的运动特征 航行水域的几何特征
2）风力作用中 心位置a/Lpp
风压力中心位置是 指受风面积中心沿 纵向的位置， 风力作用中心至船 首的距离a与两柱 间船长Lpp的比值 随风舷角的增大 近似呈线性增加， 其值大约在0.3～ 0.8之间
风压力中心的位置 由岩井聪给出一个估算式
a 0.291 0.0023 Lpp
空载时：
Ba / ( Ld ) 18 . 1 y a 20
满载时：
Ba / ( Ld ) 0.8 1 y a 30
2. 航行中的风致漂移速度
根据实船试验，船舶航行中受正横风影响 的漂移速度与停船时的漂移速度有如下关 系： /
y y exp(0.14 x)
二、水动力与水动力转船力矩 1. 水动力
在深水中，超大型船舶的纵向附加质量 mx≈0.07m；横向附加质量my≈0.75m；附 加惯性矩Jz≈1.0m。
2）水动力角g：
水动力角是指水动力 合力方向与船舶首尾 线之间的交角 除了船舶进行纯纵向 运动或纯横向运动， 水动力角总是较漂角 更接近正横方向。
Vw
aw G
g
Fw
水动力角g是指水动力FW与船舶首尾面的 夹角。与风力角 相类似，水动力角 g 取 决于横向水动力和纵向水动力的比值， 即： tgg Y
W
XW
3）水动力作用中心
水动力作用中心距离船首的距离与船长之比 aW/L，随漂角的增大而增大。即随着漂角的 增大，水动力作用中心自距离船首0.25L渐次移 至0.75L处。 空载或压载时往往尾倾较大，尾部水下侧面积 较首部大得多，水动力作用中心要比满载平吃 水时明显后移。 当β<900即船有向前运动趋势时，w在中心之前； β＝900 时，w在中心附近；当β>900时，w在中 心之后。
风力系数Ca随相对风舷角的变化曲线为一马鞍形曲线。当风舷角＝0度
或180度时，风力系数Ca值为最小；当风舷角＝30～40度或140～160度时 风力系数Ca值为最大；当风舷角＝90度左右时，风力系数Ca值较小，但 船舶所受的风力值达到最大。
除VLCC船外，对于同一类船型，风压系数取决于相对 风舷角的大小。当相对风舷角≈0º 或180º 时，风压系数 最小。顶风和顺风仅对船速有影响，而对横向运动和 转动状态没有影响；当相对风舷角≈30º 或160º 时，风压 系数为最大，这时风对船速的影响最大，并对横向运 动和转动状态都有影响；当相对风舷角≈50º ～60º 或 120º ～140时，则风不但对船速有影响，且对横向运动 和转动状态影响最大，当相对风舷角≈90º 时，这说明 横风对船速没有影响，对横向运动状态影响最大，对 转动状态影响较小。 对于满载VLCC船舶，当相对风舷角≈135～140º 时，其 风压力矩系数最大，说明该方向来风最不易保向。
2. 流对旋回的影响
图3－21 斜顶流靠泊时的速度合成
二、流对舵效和旋回的影响
1. 流对舵力、舵效的影响 舵力及其转船力矩与舵对水的相对速度的平方 成正比，不论顶流还是顺流，只要对相对速度 相等、舵角和桨转速等条件相同，舵力及力矩 就相同，但顶流舵效好，其原因是，顶流时可 在较短的距离上使船首转过较大的角度，且易 把定，操纵为灵活。 注意：重载船在强流中，由于流压力矩的作用， 船舶迎流转向时，舵效反而变差.
（3）船舶在后退中，在一定风速下并有 一定的退速时，船舶迎风偏转，这就是 我们通常所说的尾找风现象，正横前来 风比正横后来风显著，左舷来风比右舷 来风显著；退速极低时，船舶的偏转与 静止时的情况相同，并受倒车横向力的 影响，船尾不一定迎风。
四、风致漂移
静水中的船舶因风的直接作用和水动力 的间接作用而产生的横向运动称为风致 漂移。 1. 停船时的漂移速度 2. 航行中的风致漂移速度
另外： l风速变动不明显时，可取平均风速； l强风中，可取1.25倍平均风速； l风暴中，可取1.50倍平均风速。
1）水动力的大小 当船舶与周围的水存在相对运动时，船舶所受的 水动力FW可用下式估算： 9.8 2 Yw wCwyVw Ld 式中， 2 FW为水动力（N）； W为水密度，为104.5kgsec2/m4； CW为水动力系数，其值随漂角以及船体水下形 状等因素的变化而变化； 为漂角，即相对水流 与船舶首尾面的夹角； W为船舶与水的相对速度（m/s）； L为船舶水线长度（m）； d为船舶吃水（m）；
2.风力转船力矩 风力转船力矩与风力有相类似的表达形 式，即：
9.81 2 2 2 Na a C Na ( Aa cos Ba sin ) a L 2
式中，Na为风力转船力矩（Nm）； CNa为风力转船力矩系数； L为船长；
当已经求得船舶所受的风力、风力作用中 心以及风力角时，风力转船力矩也可按下 式计算。
3）风力角
风压力Fa与船首尾线的夹角 ，称为风压力角
1 2 c B sin a ay a a cay Ba Ya 2 tg tg X a 1 c A cos 2 cax Aa a ax a a 2
式中，Cay为横向风力系数；Cax为纵向风力系数。 岩井聪也给出一个估算式：
式中， / y 为船舶航行中的漂移速度（m/s）； y 为停船时的漂移速度（m/s）； x 为船舶航行速度（kn）。
五、强风中操船的可保向界限
图3－19 强风中操船的可保向界限曲线
由图可知：
1）风舷角＝600～1200时，曲线位置较低， 可保向范围小。 2）当相对风向逐渐向首、尾靠拢时，曲线 位置升高，可保向范围扩大。 3）船首附近来风时的可保向曲线要比船尾 附近来风时的曲线要高得多。 4）强风中船舶保向性总的说来随风速的降 低而提高，随船速的降低而降低，增大舵角 可提高保向性。 另外，对于不同类型的船舶而言，水线上下 侧面积之比较大的船舶其保向性较差；浅水 对强风中船舶的可保向界限的影响甚微。
三、风致偏转
船舶在风中的偏 转是船舶所受的 风力转船力矩和 水动力转船力矩 共同作用的结果。 船舶的偏转情况 可以分为两种， 即迎风偏转和背 风偏转。
按船舶各种运动状态来定性分析风致偏转规律
船首顺风
1. 船舶静Βιβλιοθήκη Baidu中
船首迎风
A Fa G Fw Fa W
W
G
Fw
A
2. 船舶在前进中
偏转不定
船首迎风
图3－20 低速航进中可保向的极限风速
第二节 流对操船的影响
一、流对船速、冲程的影响 二、流对舵效和旋回的影响
顶流中，冲程较小，流速越大冲程越小；顺流中则 冲程增大，因此在顺流进港时，针对停车后降速过 程非常缓慢的特点，一方面应及早停车淌航，另一 方面应及时地运用倒车、抛锚或拖轮进行减速制动。
船舶所受的风力可用Hughes公式予以 估算： F 9.81 C ( A cos 2 B sin 2 ) 2
a
2
a
a
a
a
a
式中： a 为空气密度，为0.125kgsec2/m4； 为相对风舷角； Ca为风力系数，其值随风舷角以及 船体水线以上受风面 积的形状的变化而变化； a 为相对风速（m/s）； Aa为水线以上船体正投影面积（m2）； Ba为水线以上船体侧投影面积（m2）； Fa为水线以上船体所受的风力（N）；
1. 停船时的漂移速度 停船时，受风漂移，其漂移速度由风压力Ya和 水动力Yw达到相等来决定：
Ya 1 2 a BaCay (Va Vy )
有估算式：
2
Yw 1 2 w LdC V
2 wy y
a Cay Ba Ba Vy Va 0.041 Va w Cwy Ld Ld Va为风速（m/s）； L为船舶水线面长度（m）； d船舶实际平均吃水（m）； Ba船体水线以上侧面积（m2）。
W A
Fw Fa G Fa
W Fw G
A
3. 船舶在后退中
A Fa G Fw Fa G Fw
W
A
W
船尾迎风
船尾迎风
船舶在风中的偏转规律，可以归纳为：
（1）船舶在静止中或船速接近于零时，船 舶将顺风或逆风偏转至接近风舷角 1000 左 右向下风漂移。 （2）船舶在前进中，正横前来风、慢速、 空船、尾倾、船首受风面积较大的船舶， 船首顺风偏转；前进速度较大的船舶或满 载或半载、首倾、船尾受风面积较大的船 舶，船首将迎风偏转；正横后来风，船舶 将呈现极强的迎风偏转性。
Na＝Fasin(lG－a) ＝Fasin(L/2－a)
式中，lG为船舶重心至船首的距离。
在船舶靠泊中，当船首或船尾处于一端用系 缆固定于泊位时，估算船舶所受的风力转船 力矩则应根据船舶实际受约束状态进行计算。 Na＝Fasina （船首固定时） Na＝Fasin(L－a) （船尾固定时）