我国船舶稳性的抗风级别

                 浙江欣海船舶设计研究院   林通世  冯振玉

摘要：满足我国船舶稳性衡准的国内船舶，可以有条件地预报其稳性抗风等级。本文论证了法规规定各类航区稳性衡准所针对的风级，提出了航区稳性风级预报和超出航区稳性风级预报的方法以及相关注意的事项。

关键词：国内船舶；稳性；抗风级别

满足我国稳性衡准的船舶，其稳性可以抗几级风，这是船舶相关部门普遍关心的问题，但至今没有一个明确的回答。本文结合我国船舶稳性衡准（见《国内航行海船法定检验技术规则》第4篇第7章，以下简称《衡准》）的数学模型，再通过航区、风类、风速梯度及气象衡准数等一系列的修正换算，试行解析如下：

1 《衡准》中风压与风速的关系

《衡准》中风压与风速的关系，仍然使用空气动力学的公式，只是附加了对船舶形状的修正系数^［1］，使之变成：

P=1/2 C_sρV²  

式中：P—风压，kg/m²；

C_s—船舶形状修正系数，一般取C_s =1.2；

ρ—空气的质量密度，取15℃的ρ=0.1251 ㎏.s²/m⁴ ；

V—风速，m/s 。

将上式中确定的参数值代入并更换风压单位，其风压与风速的关系可以简化成：

P=0.7356V²     Pa ………………………………………（1）

2       《衡准》中所设定的风压、风速及风速梯度

2.1 《衡准》中设定的风压标准

《衡准》中所设定的风压标准P，其大小根据航区以及船舶受风面积中心距离海平面的高度而定^［2］，具体数值见表2.1：

            《衡准》设定的风压标准P（Pa）                表2.1

2.2 《衡准》中设定的风速标准

《衡准》中所设定的风速标准V_t，是以距离海平面6m高处的突风风速作为标准^［1］。该标准可以由《衡准》中设定的风压进行反推。

由公式（1）可以得到：V=（P/0.7356）^0.5………………………………（2）

将表2.1不同航区距离海面6m高度处的风压P_6.0代入公式（2），即可求出《衡准》中各航区所设定的风速标准V_ti，其分别是：

远海航区：V_t1=42.1 m/s ；

近海航区：V_t2=31.1 m/s ；

沿海航区：V_t3=22.0 m/s 。

2.3《衡准》中所设定的风速梯度分布

从表2.1所列的数据可以看出，即使同一类航区，随着风压中心高度的变化，风压取值也不尽相同。这是因为空气是粘性流体，在同一时间内，不同高度处空气流动的速度并不相等，风速沿垂向分布呈现梯度变化^［1］，其梯度分布系数k_i为：

k_i=V_i/V_t    …………………………………………（3）

式中： V_i —距海平面不同高度处的突风风速，m/s；

V_t—《衡准》设定的距离海平面6m高处标准的突风风速， m/s。

将公式（3）中的风速V_i、V_t用公式（2）的形式代入，可以进一步导出：

k_i=（P_i/P_6.0）^0.5………………………………………（4）

式中:P_i—为表2.1某航区不同高度处的风压；

P_6.0—为表2.1该航区距离海面6m高处的风压。

用（4）式可以反推出《衡准》所采用风速梯度分布系数见表2.3，其与航区无关。

 《衡准》所采用的风速梯度分布系数           表2.3

3       《衡准》设定的标准风速与天气预报风速、风级的关系

3.1 天气预报的风级与风速

气象台是以蒲福风级为标准进行海上风级预报的，其风级N=10^{(logV+0.0778)/1.5},式中V为海平面以上10m高处的平均风速^［1］（m/s）。我国天气预报的风级与风速的关系见表3.1^［3］：

天气预报的风级与风速                        表3.1

3.2《衡准》所设定的标准风速与天气预报风级的关系

3.2.1 《衡准》稳性的数学模型

《衡准》稳性的数学模型是：船舶失去控制并处在横风横浪的状态，当船舶在波浪中的横摇幅值到达上风舷的极限并即将回摇时，刚好受到了一阵突风吹向下风舷^［1］，用此时船舶抗倾覆的势能与风浪联合倾覆的动能之比值K来衡量船舶的稳性，并称K为“气象衡准数”。此数学模型中的“一阵突风”，即相当于《衡准》里设定的突风，对于天气预报而言也就相当于阵风。

3.2.2 各航区稳性设定的标准风速与天气预报阵风风速的关系

由表2.3风速梯度分布系数可知，将各航区所设定的距离海平面6m高的突风风速乘以1.017，即可转换成距离海平面10m高处的突风风速V_z ，也就是天气预报的阵风风速。由2.2导出的结果转换成天气预报阵风风速V_zi分别为：

远海航区：V_z1=42.1×1.017=42.8 m/s；

近海航区：V_z2=31.1×1.017=31.6 m/s；

沿海航区：V_z3=22.0×1.017=22.3 m/s。

 3.2.3各航区稳性设定的标准风速与天气预报阵风风级的关系

将3.2.2各航区所对应的阵风风速V_zi，通过用公式换算及用表3.1天气预报风级的最大风速进行插值，可以得出《衡准》稳性可抗天气预报阵风的风级如表3.2.3所示：

满足《衡准》稳性的船舶可抗天气预报阵风的风级           表3.2.3

这是《衡准》数学模型对各类航区的船舶预先设定的可抗阵风的风级，它是解析值的结果，不以人的意志为转移。

4       船舶《衡准》稳性抗风能力的预报

4.1 粗略的预报

所谓粗略的预报，就是对于满足稳性衡准的船舶，不再考虑气象衡准数K值的大小而笼统进行的预报。此时，可以按表3.2.3可抗阵风的级别进行预报。其中，如按平均风速的风级进行预报，有可能会出现冒进（取决于K值）；若按表3.1最大风速插值的风级进行预报，从数学解析答案唯一的角度来讲，理论上应不存在问题。但考虑人为习惯的保守性，安全点按最后一栏预报是稳妥的。至于有人按最后一栏的风级再降低两级进行限制，未免要求过高，毫无依据的加大安全系数，实质上是对资源的一种浪费。

4.2  进一步讨论

4.2.1 对K值大于1的稳性预报

当K＞1时，表明船舶可抗的风级超过了《衡准》设定的风级。但因《衡准》各航区设定的风级标准不同、计算参数不同，若想要超出原航区设定的抗风级别进行预报，如沿海航区船舶按可抗阵风9级或10级预报、近海航区船舶按可抗阵风11级或12级进行预报，则必须经过相应的当量换算校核才能决定。按照《衡准》的数学模型及其稳性的计算方法，该项校核可以分为详细计算和简单计算两种形式：

（1）详细计算的步骤

①在前表3.1中查出欲抗阵风风级的最大风速V_m；

②在3.2.2中找出船舶现有航区和高一档航区对应的阵风级别（按表3.2.3稳妥栏）的风速V_zi；

③用上述①和②的3个风速在《衡准》的图2.1.8上插值出新的系数C_m；

④用此C_m按《衡准》的规定步骤求出最小倾覆力臂ℓ_q；

⑤将该级最大风速V_m换算成《衡准》的标准突风风速Vt= V_m /1.107；

⑥按表2.3插值出对应风压中心处的风速梯度系数k,求出该中心处的风速V=kVt；

⑦用公式（1）求出该船新的风压P=0.7356（kVt）²；

⑧按此新的风压P计算风压倾斜力臂ℓ_f；

⑨计算K=ℓ_q/ℓ_f，只要K≥1，就满足了预报该可抗阵风风级的要求。

（2）简单计算的步骤

①如需要将船舶可抗阵风的标准提高2级校核，因为航区间预报的可抗风级标准刚好相差2级（见表3.2.3稳妥栏），故可直接按高一级航区的参数进行校核，只要K≥1，就满足了可抗阵风提高2级的预报要求。

②如需要将航区的抗阵风标准提高1级校核，将表3.1的9级或11级的最大风速和3.2.2各航区换算出的阵风风速V_zi进行对比，可以看出，提高一级的最大风速均靠近较低航区设定的风速标准，故相关参数可以简单的按风级进行插值计算，即取《衡准》的图2.1.8及按表2.1.5两航区的中间值进行后续计算，最终只要K≥1，就满足了可抗阵风提高1级的预报要求。简单计算的结果是偏于安全的。

顺便说一句，作为简易判断的条件，可以通过各种装载工况气象衡准数K的最小值进行预估，当K＞1.4时，才有提高一级抗风能力的可能性；当K＞2.0时，才有提高两级抗风能力的可能性。

4.2.2 对K值小于1的稳性预报

这种预报的意义，在于为人性化的条件签证提供技术支撑。例如，降低船舶的航区

或限制航区内营运风级的签证。特别对沿海航区不可能再降低航区使用的船舶，给予限制出海风级的条件签证，具有“给出路”性质的积极意义。

当K＜1时，除去用详细插值法计算可抗风级外，还可以直接按公式计算，即：V_z=1.017 K^0.5 V_t    m/s  ………………………（5）

式中：V_z—船舶可以抵抗天气预报的阵风风速，m/s；

K—气象衡准数，取各种装载工况的最小值；

V_t—《衡准》所设定航区的突风风速，m/s ，（见2.2）.

用公式（5）计算出风速V_z进行可抗阵风级别的预报，是偏于安全的。

4.2.3 按K值等于1的稳性预报是否太危险

详细计算可以转换成K=1的预报，此时，其抗风级别是最高的，但是否偏于危险呢？回答应是否定的。因气象衡准数计算的本身就是应用“确定性力学分析法” ^［1］，既然《衡准》规定允许K=1，按此值解析出的确定性答案，应是无可非议的。况且，安全又没有底限，保守也没有标准，故进一步的多虑并没有实际价值。众所周知，有不少K值远远大于1的船舶，也发生了技术性的稳性事故，对于人为因素的隐患，即使技术法规再行保守，也不可能预先防犯杜绝。

4.3预报注意事项

（1）该预报只能针对满足我国稳性衡准的船舶，对于满足其他稳性衡准的船舶不适用。

（2）对于远海航区的船舶，不能再提高抗风的级别进行预报，一是计算没有标准；二是预报12级以上风级的稳性，对民用船舶已经没有任何意义。

（3）只有证明可抗风速不小于某级风的最大风速时，才能预报船舶稳性可以抵抗该级风的要求，否则要低一级预报。

（4）预报应针对阵风级别而不必管定常风级别的大小，因两类风之间存在有突风度g的关系，突风度是随时间、地点、气象条件等而随机变化，但天气预报的阵风级别总是高于定常风级别的，故预报可抗阵风的级别是以不变应万变的良策，随便它定常风的级别是多少都没有关系。

5 结束语

（1）满足我国稳性衡准的船舶，其抗天气预报风级的能力可以粗略地预报为：

远海航区的船舶可以抵抗阵风12级；近海航区的船舶可以抵抗阵风10级；沿海航区的船舶可以抵抗阵风8级。

（2）对K＞1高于原有航区可抗风级的预报，要经过4.2.1的计算对比才能做出决断。

（3）按气象衡准数K=1的解析值进行预报，已满足工程精度的要求，不必再有过分保守的思虑。

（4）应当指明，虽然理论上的航区稳性可抗上述阵风的级别，但在气象条件比较复杂的海况下，实船的稳性安全，更需要仰仗船长的航海技艺来保障。

参考文献

［1］船舶稳性.《船检执法岗位培训教材》1998年

［2］完整稳性.《国内航行海船法定检验技术规则》人民交通出版社2004年

［3］风速和风级.《船舶设计实用手册》（总体分册）国防工业出版社1998年