第01章 总论概述

船舶阻力第1章总论1.1快速性及在船舶设计中的地位1.2船舶阻力的成因及分类1.3阻力相似定律1/11.1快速性及在船舶设计中的地位1/1一、船舶快速性的含义二、快速性在船舶设计中的地位三、船舶阻力研究方法一、船舶快速性的含义船舶阻力：船舶在航行时，受到与船运动方向相反、阻止船前进的水和空气的作用力。为使船舶保持一定的航速，必须对它提供推力以克服阻力。一般是由主机供给能量，通过推进器（螺旋桨、喷水推进器、直翼推进器、明轮等）转换成推动船舶前进的推力。1/3船舶快速性显然，船舶在水中航行的实际航速，与船舶受到的阻力；主机功率；推进器将主机功率转换成为推力的推进效率；这三个因素密切相关。所谓快速性是指：维持一定航速的条件下，消耗尽可能小的主机功率；或者是在给定主机功率情况下，获得更高的航速。2/3船舶快速性问题的分解为研究方便，常将船舶快速性问题分解为两方面：1.船舶阻力：只研究船舶在等速、直线航行时受到的各种阻力问题；2.船舶推进：研究船舶推进器，推进器与船体间的相互作用，以及船、机、推进器间的匹配等问题。3/31/2二.快速性在船舶设计中的地位快速性是船舶诸性能(浮性、稳性、抗沉性、快速性、耐波性、操纵性、隐身性等)中，重要性能之一。快速性优劣，对民用船在一定程度上影响船舶的使用性和经济性。对军用舰艇则与它的作战性能密切相关。因此，每艘船的设计任务书中，明确地规定了其快速性指标。当船舶建成后，试航和交验船舶时，测定船舶快速性指标是一项重要内容。2/2船舶阻力研究的主要内容1.船舶以一定速度在水中直线航行时所受的各种阻力的成因及其性质；2.阻力随航速、船型和外界条件的变化规律；3.研究减阻方法，寻求低阻力的优良船型；4.较准确地估算船舶阻力，为设计推进器(螺旋桨)和决定主机功率提供依据。三、船舶阻力研究方法研究船舶阻力的方法有：1/11.理论研究方法2.试验方法3.数值模拟方法1.理论研究方法理论研究方法是应用流体力学的基本理论，对船舶阻力问题，通过观察、分析，抓住问题的核心和关键、引入必要的简化假设，用比较简单的数学物理模型，依据有关试验，结合理论的推演和计算，提出船舶阻力的解决方案。对于相对简单的问题，可以直接获得定量的结果；而对于复杂问题，往往只能定性的解决，而定量的结论还要依赖试验，或借助于数值模拟来决定。例如船舶阻力特性、各种阻力的近似计算公式等。1/12.试验方法试验方法包括船模试验和实船试验。船模试验是按照相似理论(因次分析)制做小尺度的船模和桨模，在拖拽水池中进行试验，用试验数据预报实船阻力。许多优良船型或重要船舶几乎都要进行船模试验。在船舶快速性研究史上，船模试验一直是最主要的方法，某种意义上，曾经是唯一的方法。船模试验有其局限性，例如与实船情况不能完全相似等。1/2实船试验2/2实船试验的目的是鉴定船舶的快速性是否达到设计要求，同时最后验证理论研究、试验研究成果的准确性。而实船长期使用的结果则是衡量快速性的最后标准。实船试验的环境不容易控制，试验结果处理非常复杂，耗费大量人力，试验费用昂贵。3.数值模拟方法1/2近年来，由于高速计算机的发展和数值方法的进步，采用数值模拟方法预报船舶航行性能和优化船型及推进器设计，已在许多方面获得成功。有一些商业软件出售。但是，由于船型复杂多样，围绕船体的流动亦极为复杂，因此，数值模拟只能解决部分问题，而大量快速性的实际问题，还是主要依靠模型试验。数值模拟方法数值模拟与船模试验相结合，即先用数值模拟进行大量的比较计算，选择若干优秀方案，进行船模试验，可降低试验的盲目性、提高效率，大大减少试验费用。另外，在数值计算中，有时也需要使用经验公式，或采用一些试验结果，以提高计算预报的精度、提高效率，并扩展数值计算的使用范围。2/21.2船舶阻力的成因及分类一、船舶航行中的阻力二、船体阻力的成因和分类1/1一、船舶航行中的阻力1/1船舶阻力水阻力空气阻力静水阻力波浪中增阻裸船阻力附体阻力船舶在空气和水两种流体介质中运动，必然受到空气和水对船体的作用力。附加阻力其它外力：风力、水流力、波浪力1二、船体阻力的成因和分类1/11.船体阻力的成因2.船体阻力的分类裸船阻力是船舶阻力中最主要部分，是本课着重研究的内容。为便于叙述，将“裸船体阻力”简称为“船体阻力”。1.船体阻力的成因船体在静水中运动会产生以下三种阻力：1/11)摩擦阻力Rf2)粘压阻力Rpv3)兴波阻力Rw1)摩擦阻力船体运动时，由于水的粘性．在船体周围形成“边界层”，从而使船体运动过程中受到粘性切应力作用。即在船体表面受到水流的摩擦力，它们在运动方向的合力就是船体摩擦阻力，用Rf表示。1/110yyv|μ水的动力粘性系数2)粘压阻力另外，在船体曲度骤变处，特别是较丰满船的后部常会产生旋涡。产生旋涡的根本原因也是水的粘性。漩涡处的水压力下降，改变了原来沿船体表面的压力分布。由粘性引起船体(水平面内)前后压力不平衡而产生的阻力称为粘压阻力，也叫旋涡阻力，用Rpv表示。从能量观点上看，克服粘压阻力所做的功，成为旋涡耗散的能量。1/2粘压阻力2/2应该指出，由于实际流体的粘性作用，即使在不产生分离的情况下，因为边界层在尾部排挤厚度大，从而使船体前后部分存在压力差，同样存在粘压阻力。3)兴波阻力船在静水中运动会兴起波浪，船首的波峰使首部压力增加，而船尾的波谷使尾部压力降低，产生首尾流体动压力差。这种由兴波引起的自由液面压力分布改变产生的阻力称为兴波阻力，一般用Rw表示。从能量观点看，船体掀起的波浪具有一定的能量，这部分能量必然由船体供给。由于船体运动中不断产生波浪，也就不断耗散能量，从而引起兴波阻力。1/12.船体阻力的分类1)按产生阻力的物理现象分类2)按作用力的方向分类3)按产生阻力的流体性质分类4)傅汝德阻力分类1/11)按产生阻力的物理现象分类1/1按船体阻力的成因，船体总阻力Rt由兴波阻力Rw、摩擦阻力Rf和粘压阻力Rpv三者组成。Rt=Rw+Rf+Rpv1.各种阻力占总阻力的百分数随航速而变化。一般：低速船：Rf占70~80%；Rpv占10%以上；Rw很小。高速船：Rw占40~50%；Rf占50%左右；Rpv占5%。在整个航速段Rpv占总阻力的百分数与Rf和Rw比总是次要的。2.不同的船型，其各阻力成分所占的比例也不同，即船体阻力与船型有关。2)按作用力的方向分类1/3船体在水中等速直线运动时，一方面受到垂直于船体表面的压力，这种压力是由兴波和旋涡等引起的；另一方面，又受到水质点沿船体表面切向力的作用，即水的摩擦阻力作用。船体对称于纵中剖面，因此，船体湿表面上切向力和压力对于纵中剖面也是对称分布的，其合力P1必位于纵中剖面上。按作用力的方向分类在船的重心G处加一对大小等于P1，但方向相反的力P和P2。于是船体可视为在重心G处受到作用力P和由P1、P2组成的力偶作用。该力偶将造成船体纵倾。作用力P的垂向分力Q，支持船体重量，称为支持力。对于低速船，2/3Q中绝大部分由静水压力提供，即静浮力；对于高速快艇，特别是滑行艇，其流体动压力占主要部分。P的水平分力R，为与船体运动方向相反的总阻力。按作用力的方向分类所以，船体受到的总阻力Rt就是所有流体作用力沿运动方向的合力，即船体表面所有微面积ds上切向力τ和压力p在运动方向的合力：3/3ssdsxppdsxRt),cos(),cos(上式用于数值计算。式中S为整个船体湿表面积，负号表示该作用力与船体运动方向相反，是阻力。前项积分表示由作用在船体表面的切向力造成的阻力，称为摩擦阻力Rf；后项积分表示由作用在船体表面的压力造成的阻力，称为压阻力Rp。所以，船体阻力为摩擦阻力和压阻力之和。Rt=Rf+Rp3)按产生阻力的流体性质分类船体阻力中的摩擦力和粘压阻力都是由于水的粘性所致，所以可以将它们合并称为粘性阻力Rv；而兴波阻力Rw则主要是由重力和惯性力引起的。这样，船体总阻力又可以认为是由兴波阻力Rw和粘性阻力Rv两部分组成：Rt=Rw+Rv1/14)傅汝德阻力分类1/2傅汝德阻力分类法将船体总阻力分成摩擦阻力Rf和剩余阻力Rr两部分。并认为船体摩擦阻力等于相当平板的摩擦阻力；而剩余阻力是指船体总阻力中扣除相当平板摩擦阻力的剩余部分，包括粘压阻力和兴波阻力。傅汝德阻力分类法是进行船模阻力试验的理论依据。傅汝德阻力分类按照博汝德阻力分类法，两种阻力成分在总阻力中所占比重随不同航速而不同，如速度参数取:2/2gLvFrs/其中：vs为航速，L船长，g重力加速度，则两部分阻力所占比重大体如图所示。1.3阻力相似定律一、粘性阻力相似定律—雷诺定律二、兴波阻力相似定律—傅汝德定律三、全相似定律四、粘性与重力互不相干假定1/1船舶阻力与船体几何尺度、航速、水密度、运动粘性系数、重力加速度等因素有关。需要探讨船体阻力与这些物理量之间的函数表示形式，才能给出船模与实船满足动力相似的条件，并作为船模试验结果换算到实船的根据。一.粘性阻力相似定律-雷诺定律雷诺数表示：惯性力/粘性力Re=vL/υ式中v(m/s):速度；L(m):长度；υ(kg/ms):流体的运动粘性系数。雷诺数相等的两个流场中，一切与粘性有关的现象都相似，如流态(层流或湍流)、流体分离、生成旋涡等。另外，雷诺数Re小意味着粘性作用大；Re大则粘性作用小。1/3雷诺定律)(1221effRfSvRC根据相似定理物体受到的粘性阻力系数：2/3(1-7)可见一定形状的物体，粘性阻力系数仅与雷诺数有关。当雷诺数Re=Lv/υ相同时，两个形状相似物体的粘性阻力系数必相等。作为特例，深水中顺着平面本身运动的极薄平板受到的阻力仅为摩擦阻力Rf，平板的无量纲阻力系数表示为：)(221evvRfSvRC(1-8)雷诺定律如用下标s和m分别表示实船和船模参数，α=Ls/Lm是实船与船模间的缩尺比。为保持雷诺数Re相同，则它们的速度必须满足关系:ssmsmmssmmmmssvLvLvLvvLs得到由可见如果流体的运动粘性系数相同，则船模的速度应为实船速度的α倍，才能保持Re相同。这是很难实现的。3/3Ls=100m,Vs=20kn=10.28m/s;Lm=2m,Vm=514m/s1二.兴波阻力相似定律-傅汝德定律1/4傅汝德数表示：惯性力/重力Fr=v/√Lg式中v(m/s):速度；L(m):长度；g(m/s2):重力加速度。与重力有关的现象都是由Fr决定的。例如，波浪运动，船舶的兴波阻力等。Fr数大，表示重力的影响较小；反之则大。傅汝德定律)(221rwwFfSvRC2/4根据相似定理船体兴波引起的兴波阻力系数：一定船型的兴波阻力系数仅是傅汝德数Fr的函数，当两形似船的Fr相等时，兴波阻力系数Cw必相等，这称为傅汝德定律。(1-10)如用下标s和m分别表示实船和船模参数，α=Ls/Lm是实船与船模间的缩尺比。为保持傅汝德数Fr相同，则它们的速度必须满足关系:smsmmmssvLLvgLvgL/vvs得到由可以实现Ls=100m,Vs=20kn=10.28m/s;Lm=2m,Vm=1.45m/s1傅汝德比较定律mmmwmssswswwSvRSvRSvRC221221221由：mswmmmsswmmswmmmmssswmwsRRRSvSvRR322得：3/4mwmswsRR或：同样，实船和船模的船型是相同的，且在相应速度时，它们的傅汝德数亦是相等的，故它们的兴波阻力系数必相等，可表示为：(考虑到Ss/Sm=α2;vs2/vm2=α)说明形似船在相应速度时，单位排水量的兴波阻力必相等。这称为傅汝德比较定律。其它相似定律斯特洛哈尔数St=vt/L：表示现象的非定常，如周期性相似。所以与周期性非定常流动有关的现象，如螺旋桨性能等，需要满足斯特洛哈尔数相似。欧拉数Eu=p/ρv2：表示现象的压力作用相似。所以与压力有关的现象，如空泡现象、空泡阻力等，需要满足欧拉数相似。马赫数Ma=v/α()：表示