龙卷风风场下水面船舶倾覆的力学机理研究

为研究龙卷风风场对船舶稳定性的影响,利用龙卷风风场模型分析了船舶风荷载特性及其随方位的变化规律。龙卷风风场模型在柱坐标系下形成并假定流场定常,龙卷风的漏斗外形轴对称,且从外围到中心的气压降主要由切向风速产生的离心力来平衡;以"东方之星"船舶简化模型为例,计算了船舶的最小倾覆力矩,并从船舶航向以及船舶位于龙卷风风场的不同径向位置分析了船舶倾覆的力学条件。研究结果表明:船舶航向垂直于龙卷风的径向时,船两侧负压差大于最小倾覆力矩,从而导致船舶倾覆;船舶航向平行于龙卷风的径向时,船舶受高速风的冲击而发生倾覆,倾覆方向与龙卷风的切向一致;船舶航向与龙卷风风场径向成任意夹角时,倾覆取决于船舶相对于龙卷风中心的位置、龙卷风切向风速以及船舶航速。该结果可为船舶设计及龙卷风预警研究提供参考。