船舶阻力第二章

第二章粘性阻力2-1边界层和摩擦阻力一、平板边界层1、边界层定义2、边界层厚度δ与流速、长度和粘性有关Re/xvxRexx3、不同流动状态2-1边界层和摩擦阻力层流50.5Re(3.5~5.0)105.2Rexxx湍流过渡流56(3.5~5.0)10Re3.010x6Re3.0100.0598lgRe3.107xxx二、摩擦阻力成因及主要特性2-1边界层和摩擦阻力1、成因粘性——边界层——δ虽小，但流体速度变化率(梯度)很大——平板摩擦切应力τ不可忽略。0yvy22001112d2d22xxffCRvSbxvbxCxxRdfsS二、摩擦阻力成因及主要特性2-1边界层和摩擦阻力2、摩擦阻力特征1）摩擦阻力与流态的关系介质一定，速度分布fR层流：速度梯度小小小fC紊流：速度梯度大大大fC2-1边界层和摩擦阻力2）Re对摩擦阻力的影响（固定流态）随变化Rexvx不变vRexfvxCCy不变xRexfvvCCy注意：τ随的增加小于，故仍随的增加而减小。v2vCRex3）湿面积与摩擦阻力的关系RfS三、船体边界层2-1边界层和摩擦阻力三维流动三、船体边界层2-1边界层和摩擦阻力与平板的主要区别1、边界层外缘势流不同平板：压力、速度保持不变船体：1）各处流速不同，舯部流体速度大于船舶航行速度，而航行速度大于船体艏艉处流速2）各处压力不同，艏艉压力高于舯部,存在纵向压力梯度2、边界层内纵向压力分布不同平板：内部纵向压力相等船体：各处压力不同,艏压力高于舯部,艉部有所升高但低于艏一、光滑平板层流摩擦阻力系数公式2-2摩擦阻力系数计算公式1221.328Re12ffRCvSBlasius精确解5Re(3.5~5.0)10x应用范围舰船雷诺数694.010Re3.010x紊流状态公式无法使用二、光滑平板紊流摩擦阻力系数公式2-2摩擦阻力系数计算公式近似解——卡门界层动量积分方程20202d=d1dd212LfLfLfvxuuyvvRxvRCLvL2-2摩擦阻力系数计算公式1、速度为指数分布的计算方法nuyvRenf7Re2107n150.072RefC150.074RefC修正2、速度为对数分布的计算方法（1）桑海Schoenher公式（美）2.60.4631(lgRe)fC6910Re10（2）柏兰特-许立汀Prandtl-Schlichting公式（欧）2.580.455(lgRe)fC（3）休斯Hughes公式（值较桑海公式低）20.066(lgRe2.03)fC2-2摩擦阻力系数计算公式3、平板摩擦阻力系数普遍公式——Landweber1lnReln2222fffAAAACCC常数三、1957ITTC公式20.075(lgRe2)fC摩擦系数曲线（图2-10）特点：1957ITTC公式在低雷诺数时数值比较大，高雷诺数时，与桑海公式相近；公式形式上与休斯公式相近，但值约大12.5﹪柏兰特-许立汀公式和桑海公式形式和数值均比较相近，前者大后者2.0﹪—2.5﹪2-2摩擦阻力系数计算公式四、过渡流平板摩擦阻力系数公式按柏兰特半经验公式2.580.4551700(lgRe)RefC五、船体摩擦阻力计算处理办法1）利用“相当平板假定”计算摩擦阻力；2）作尺度效应、粗糙度影响修正尺度效应：实船和船模之间有雷诺数差异，两者之间存在摩擦阻力系数的差别，此差别称为尺度效应，需修正。2-3船体表面弯曲度对摩擦阻力的影响一、船体表面弯曲度对摩擦阻力的影响水流平均相对速度比平板大，平均边界层薄，速度梯度大，摩擦阻力大。弯曲表面易发生边界层分离，产生旋涡，摩擦阻力减小。形状效应：由于船体弯曲表面的影响使其摩擦阻力与相当平板计算所得结果的差别称形状效应2-3船体表面弯曲度对摩擦阻力的影响二、船体形状效应的修正1、史高斯结论摩擦阻力较相当平板的大且随曲度增加而增加；二次对称扁柱平均相对速度比三因次回转体大，边界层薄，摩擦阻力大；由于曲度而增加的摩擦阻力与相当平板摩擦阻力的百分数与Re无关。2、船体曲面摩擦阻力略大于相当平板摩擦阻力，但增加量较小。？2-3船体表面弯曲度对摩擦阻力的影响3、修正方法1）汤恩假定下修正211.250.012.50.351.3510fpfLRBBCRT212fffRkCvS2）形状修正因子fk3）不作修正，合并于粘压阻力！2-4船体表面粗糙度对摩擦阻力的影响表面粗糙度类型1）普遍粗糙度——油漆、壳板表面不平2）局部粗糙度——焊接、开孔以及突出物等一、普遍粗糙度1、米哈伊洛夫公式2-4船体表面粗糙度对摩擦阻力的影响1、米哈伊洛夫公式漆面平板随Re变化阶段frC原因：油漆突起处于层流底层，不影响界层流态=frfCC1）水力光滑阶段Re较小，无粗糙度影响，即2）过渡阶段Re增大，,并逐步增加。frfCC原因：Re增大，层流底层变薄，油漆突起开始大于层流底层。3）完全粗糙阶段Re增大到某一值，基本不随Re变化。()ffrfCCC原因：油漆突起完全大于层流底层外，而进入紊流区。2-4船体表面粗糙度对摩擦阻力的影响1、米哈伊洛夫公式0.72.580.45510.208lg1.96lgRefrvkC1002000vk2、傅汝德公式（很少用）1.825f101.94fRSv0.2580.139210.0043152.68fCtCL2-4船体表面粗糙度对摩擦阻力的影响二、局部粗糙度1、焊接船局部粗糙度阻力增加约为：1.27%，2、铆接船局部粗糙度阻力增加约为：16%。三、船体粗糙表面摩擦阻力计算粗糙度补贴系数fC133105/0.6410fsCkL100米左右的船0.0004fC粗糙度补贴系数通常称为船模实船换算补贴2-4船体表面粗糙度对摩擦阻力的影响四、污底锈、水生物（贝壳、海草）——阻力增加（新船下水6个月△Ct增加10%）——螺旋桨效率下降1、真实污底：较大，与时间成非线性关系2、船体腐蚀：较小，与时间成线性关系3、防治污底方法：防污漆；进入淡水区域2.5减小摩擦阻力方法减阻的基础212ffRCvS一、减小湿面积1、对低速船：▽/L3取大；L/B取小2、减少不必要的附体或采用湿面积小的附体二、提高船体表面光滑度三、其他方法边界层控制方法液体降阻剂充气减阻减少体船与水接触2.6船体摩擦阻力的计算步骤计算公式一、具体步骤21()2fffRCCvS1）计算湿面积S较精确方法：根据型线图沿船长积分02dwlLSlL横剖面型线半围长l无须考虑纵向斜度修正。2.6船体摩擦阻力的计算步骤近似方法荷兰瓦根宁船池归纳得一般民用船的湿面积公式11333.40.5bpSL我国长江船型的湿面积为1.8wlbSLTCB近似公式系列资料图谱曲线SwlSCL,SmBCfCT桑地关系式——2.6船体摩擦阻力的计算步骤2)计算Re3)计算摩擦阻力系数Cf平板，图表4)决定粗糙度补贴系数5)计算船体摩擦阻力30.410fC21()2fffRCCvS20.075(lgRe2)fCRe/wlVL2.6船体摩擦阻力的计算步骤1.试解释船体表面粗糙度对摩擦阻力的影响情况并分析其机理.2.船体边界层和平板边界层流动有何差异?船体表面弯曲度对Rf的影响是怎样的?3.减小摩擦阻力的方法4.已知某船长80m，湿面积650m2，航速10节，今用缩尺比α=36的船模进行阻力试验，测得模型总阻力为12N。求：船模速度、实船和船模相应Re和Fr并换算实船阻力。作业2-7粘压阻力的成因与特性一、船体粘压阻力产生原因1、理想流体：A-C：减压区，V增加，P减小，C点V最大；压力最小C-B：增压区，V减小，P增加；压力分布对称阻力为零2、粘性流体：粘性——边界层——流动改变A-C：减压区，V增加，P减小；边界层内：粘性阻滞作用—C点速度比理想流体中要小C-D：增压区，粘性+正压力作用，V迅速下降（水质点动能在D点耗尽，无法到达B点）D-B：增压区，前后压力差使水回流，迫使边界层外移，边界层分离产生旋涡，船尾部压力下降，如曲线II，形成首尾压力差—产生粘压阻力。D—分离点。§2.7粘压阻力的成因与特性粘压阻力：由粘性消耗水质点的动能形成首尾压力差而产生的阻力。有些优良船型可能边界层并不发生分离但粘压阻力仍存在。原因：边界层使尾部流线排挤外移，流速比理想流体要大，压力下降，如曲线III，仍然存在首尾压力差——同样有粘压阻力。此时粘压阻力，比边界层分离所引起的粘压阻力要小。§2.7粘压阻力的成因与特性二、粘压阻力特性物体形状（形状阻力）、边界层内流动状态1、粘压阻力与后体形状的关系（1）粘压阻力——粘性+纵向压力梯度§2.7粘压阻力的成因与特性（2）后体收缩缓和，沿曲面流速变化缓慢，纵向压力梯度小，可推迟或避免分离，粘压阻力比较小（3）后体收缩急剧，沿曲面流速变化大，纵向压力梯度大，界层分离严重，粘压阻力大（4）Baker经验：后体长度Lr（去流段长度）：后体收缩要缓和，船尾水线与中线夹角随设计航速的增加而减小低速船≯20°，高速船≯16°4.08rmLA§2.7粘压阻力的成因与特性2、前体形状对粘压阻力的影响（1）前体过于肥短，流线扩张很大，最大剖面处速度很高，压力降的很低，使后体正压力梯度增加，粘压阻力增加（2）丰满船型（肥大船型）船首舭部产生外旋的舭涡，在船尾舭部产生内旋的舭涡。舭涡—船首底部形成底压区—粘压阻力+埋首§2.7粘压阻力的成因与特性（3）球鼻：首部舭侧水流趋向水平流动——减少或消除船首底部旋涡——同时减小埋首和下沉现象——阻力性能改善。§2.7粘压阻力的成因与特性3、界层内流动状态对粘性阻力的影响（1）层流边界层比紊流边界层易分离，分离点靠前，分离区大，粘压阻力大。（2）流态不变时，Cpv值基本Re无关，主要取决与物体形状（3）Re超过临界雷诺数，Cpv近似为常数。三、降低粘压阻力的船型要求1、；肥大型船；后体收缩要缓和，船尾水线与中线夹角随设计航速的增加而减小2、避免船体曲度过大，注意前后肩3、肥大型船前体线型，可考虑采用球鼻首，减小舭涡。4.08rmLA2.5rmLA§2.7粘压阻力的成因与特性§2.8船体粘压阻力处理方法一、傅汝德换算法1、基本思想：低速时粘压阻力系数为常数——推广至实船；同型船粘压阻力系数不随Re变化；实船和船模的粘压阻力系数相同，Cpvm=Cpvs。2、证明：实船船模速度相应:同型船：tmfmpvmwmCCCCtsfspvswsCCCCrsrmFFrsrmCCpvmpvsCCrspvswsCCCtsfsrsfsrmfstmfmtmfmfsCCCCCCCCCCCpvmwmrmCCC§2.8船体粘压阻力处理方法3、该方法处理的粘压阻力实际包括：粘压阻力、低速时极小兴波阻力、船体弯曲表面引起的摩擦阻力增加。4、合并并适用比较定律——基本符合工程实际原因：船型优良——粘压阻力所占比例小——并入兴波阻力——差小船型差——粘压阻力所占比例大（界层分离）——粘压阻力系数近似为常数——作为剩余阻力——误差小pvwrCCC§2.8船体粘压阻力处理方法5、问题大型船舶应用傅汝德换算，阻力偏高办法：粗糙度补贴系数△Cf取负值。——理论上不通。二、三因次换算1、内容：粘压阻力系数与摩擦阻力系数之比为一常数kk--形状因子Ctm、（1+k）——实验确定(1)vpvffCCCkC(1)