第07章-阻力近似估算方法

船舶阻力第七章阻力的近似估算方法7.1根据船模试验资料估算阻力7.2根据经验公式估算阻力7.3根据母型船数据估算阻力2/5船舶设计过程中，特别是方案设计阶段，用近似方法估算船舶阻力是非常实用的。船舶阻力估算，都是在系列船模或实船试验的基础上得到的，因此，阻力估算结果的准确程度取决于设计船与母型船或试验船系列的相似程度。7.1根据船模试验资料估算阻力一、应用图谱估算阻力二、应用回归公式估算阻力1/1一、应用图谱估算阻力1/11.估算阻力用系列资料2.泰洛法图谱形式和参数范围3.泰洛法阻力估算的步骤1.估算阻力用系列资料估算阻力用船模系列试验资料1/2系列名称表达形式适用范围计算结果扩展的泰勒系列Cp=0.5~0.8RR/△-Fr适用于双桨高速廋削船型裸船有效功率,计算的阻力一般偏低.陶德60系列Cb=0.6~0.8C-V/√L适用于尺度较大,航速较高的单桨商船,首尾横剖面呈U形.裸船有效功率,计算的阻力值略低.英国BSRA运输船Cb=0.55~0.85C-V/√L适用于V/√L＝0.6~0.85中速单桨海船,尾横剖面呈U形.裸船有效功率,计算的数值略低于实船.瑞典SSPA系列Cb=0.525~0.75CR-Fr适用于中,高速单桨中小型运输船,首横剖面呈V形,低速船呈中U形.裸船有效功率,对船长大于150m的船,其数值略高.估算阻力用系列资料系列名称表达形式适用范围计算结果日本肥大型船系列Cb=0.78~0.84CR-Fr适用于低速肥大型船,横剖面呈U形.裸船有效功率,数值比60系列略高.中国浅吃水肥大船Cb=0.79~0.85CR-Fr适用于低速单桨浅吃水运输船,有球首和球尾,含不同装载情况.裸船有效功率.长江船系列Cb=0.52~0.64CR-Fr适用于长江双桨,高速,B/T较大的客货船,首横剖面呈中U形,尾呈V形.裸船有效功率.2/22.泰洛法图谱形式和参数范围1/5泰洛法所用母型船为军舰，但可用于民用船，特别是双桨客船的阻力估算。1954年盖脱勒(Gertler)根据泰洛标准组阻力数据，对水温、层流和限制航道的影响分别加以修正，整理出一套无量纲剩余阻力系数图表。其中摩擦阻力按桑海式计算，船体湿面积由无量纲湿面积系数图谱求得。故该估算法又称泰洛-盖脱勒法。①剩余阻力系数Cr图谱②无量纲湿面积系数Cs图谱③适用的参数范围①剩余阻力系数Cr图谱2/5L:垂线间长剩余阻力系数Cr图谱3/5②无量纲湿面积系数Cs图谱4/5根据设计船的B/T、Cp和▽/L3值，由该图谱可查得Cs的值，进而按下式求得船体湿面积:S=Cs√▽L第一组：B/T=2.25，L/B=5.0~14.5，Cb=0.44~0.80，Cp＝0.48~0.86；第二组：B/T=3.00，L/B=4.6~15.1，Cb=0.44~0.74，Cp＝0.48~0.80；第三组：B/T=3.75，L/B=4.0~13.4，Cb=0.44~0.80，Cp＝0.48~0.86；③适用的参数范围5/53.泰洛法阻力估算的步骤1/5①计算设计船的船型参数:B/T、Cp、▽/L3、Fr。②求湿面积系数Cs：由船体型线图计算湿面积，求湿面积系数；然后进行修正。用标准船的湿面积系数。按给定B/T选用与其最接近的两张Cs图谱，并由给定的Cp和▽/L3(L垂线间长)查得Cs值，然后对B/T进行线性内插，得给定参数值的标准船型的Cs值。③计算摩擦阻力系数Cf泰洛法中，Cf按桑海公式计算，先计算雷诺数，然后可查表或直接计算得到。计算雷诺数的船长应取水线长，粗糙度附加值△Cf一般取0.4×10-3。2/56.2Re)(lg4631.0fC(Re=106~109)④求剩余阻力系数Cr3/5根据设计船的B/T、Cp、▽/L3和Fr，选对应的Cr图谱，经各参数内插求得Cr。⑤湿面积系数Cs修正如果实船的湿面积S’已知，则求实船湿面积系数C’s为：C’s=S’/√▽L。其值如与标准船型湿面积系数Cs不同，则必须对所得到的剩余阻力系数值Cr进行修正，修正后的实船剩余阻力系数C’r为：C'r=CrCs/C's若在计算时不知船的湿面积系数，则假定C’s=Cs，则有：C’r=Cr。4/5⑥计算总阻力Rts和有效功率Pe总阻力系数：Cts=C'r+Cf+△Cf总阻力(N)：Rts=Cts×1/2ρv2S'有效功率(kw)：Pe=Rts×v/10005/5对不同航速，重复上述计算步骤可以得到有效功率曲线，具体计算时一般列表进行。应该指出，泰洛标准船型的母型为巡洋舰，其阻力性能较好，因此对航速较高、船型较瘦的双螺旋桨船用此法计算比较适当，而用于估算一般商船，结果往往偏低。二、应用回归公式估算阻力1/7系列名称系列船型非系列船型参数形式60系列BSRA系列SSPA系列NPL沿海船系列MARIN统计回归资料CbCpL/BB/TFr0.60~0.805.5~8.52.5~3.50.15~0.250.65~0.802.12~3.960.149~0.2380.525~0.7252.1~3.00.18~0.300.625~0.6755.5~6.52.0~3.00.169~0.2560.60~0.800.55~0.853.9~9.5最大0.45主要变化参数Cb,L/B,B/T,xCBL/▽1/3,Cb,B/T,xCB同左Cb,L/B,B/T,xCBCp,L/B,Cm,Cwp回归方程形式幂函数线性多项式线性多项式幂函数兴波阻力幂函数结果表达形式CrCCrCTLRw,Rv陶德系列60的阻力回归公式2/7系列60的阻力回归公式是用线性回归分析方法处理系列60的试验图谱得到的。对于标准垂线间长为122m的船，其总阻力系数Ct122的回归多项式为：Ct122=A1+A2(L/B)+A3(B/T)+A4Cb+A5xb+A6(L/B)2+A7(B/T)2+A8Cb2+A9xb2+A10(L/B)(B/T)+A11(L/B)Cb+A12(L/B)xb+A13(B/T)Cb+A14(B/T)xb+A15Cbxb+A16Cb2xb而：Ct122=0.9492(RtL)/(△Vs2)陶德系列60的阻力回归公式式中符号及单位：△排水量(t)；Vs航速(kn)；L垂线间长(m)；Lwl水线长(m)；xb为浮心纵向位置(距船中％L,舯前为正)。Ct122垂线间长为122m船的总阻力系数；Rt总阻力(N)；3/7陶德系列60的回归方程系数4/7Vs/√Lwl设计船总阻力换算船长为L的设计船的总阻力系数CtL可通过对标准船长的总阻力系数加以修正得到：CtL＝Ct122+SFC式中：SFC是船长为L(m)的摩擦阻力尺度作用的修正值：SFC＝99.181Cs*L(CfL-Cf122)/▽1/3式中：Cf为桑海光滑平板的摩擦阻力系数，也可按下式计算：Cf=0.083(lgRe-1.65)-2Cs为湿面积系数，其回归公式:Cs＝3.432+0.305(L/B)+0.443(B/T)-0.643Cb▽排水体积(m3)。5/7设计船总阻力换算不同速长比时的有效功率(kw)：Pe=(CtL△Vs3)/(1476.3L)。6/7此回归方程适用范围7/70.60≤Cb≤0.675Vs/√Lwl＝1.0866~1.630.575≤Cb≤0.725Vs/√Lwl＝0.9055~1.630.725≤Cb≤0.775Vs/√Lwl＝0.9555~1.53940.775≤Cb≤0.8Vs/√Lwl＝0.9055~1.44897.2根据经验公式估算阻力1/1一、艾亚(Ayre)法(爱尔法)二、兰泼-凯勒(Lap-Keller)法这类方法都是在分析大量非系列船模试验和实船试航结果的基础上，总结归纳出的曲线、图表、回归公式，供计算阻力或有效功率。一、艾亚(Ayre)法(爱尔法)艾亚分析了大量船模和实船试验结果，给出阻力估算的曲线。适用于中、低速商船，也可用于正常尺度的海洋拖轮；但对于近代高速商船和大型丰满船，此法可能偏差较大。艾亚法估算得到公制有效功率，其数值中包含了单桨船常有的舭龙骨、舵等附体阻力及货船的空气阻力，合计约占裸船阻力的8％。所以对双桨或多桨船的阻力和对高大上层建筑的空气阻力应另加修正。1/2艾亚(Ayre)法(爱尔法)1.艾亚法的基本思想2.艾亚法估算阻力的步骤3.艾亚法的优缺点2/21.艾亚法的基本思想1/4艾亚法先给出标准船型的有效功率，然后根据设计船与标准船间的差异进行修正，最后得到设计船有效功率。艾亚法标准船型的参数为：(1)标准方形系数Cbc:单桨船Cbc=1.08-1.68Fr双桨船Cbc=1.09-1.68Fr(2)标准宽吃水比:B/T＝2.0(3)标准浮心纵向位置xc:根据Fr从表7-5中查出。(4)标准水线长Lwl＝1.025Lbp标准船型的有效功率艾亚法给出的标准船型的有效功率Pe(kw):Pe=0.735(△0.64Vs3)/Co式中：△排水量(t)；Vs静水试航速度(kn)；系数Co根据长度排水量系数L/△1/3和速长比V/√L(或Fr)由图查得，仅适用于标准船型；L垂线间长(m)。其中，对排水量△的指数不用2/3而用0.64，是照顾到摩擦阻力随尺度的增长比剩余阻力随尺度的增长缓慢。2/4标准船型的Co值3/4标准Cbc和标准xc4/4Vs/√gLV/√L标准Cbc(单桨船)*标准xc(距舯%L)(单桨船)(双桨船)0.1480.1540.1600.1660.1720.500.520.540.560.580.830.820.810.800.792.001.961.931.901.851.000.960.930.900.85*对双桨船，Cbc增加0.01舯前舯前1/52.艾亚法估算阻力的步骤1)由设计船舶的Fr和V/√L及L/△1/3值在图7-3上查得相应于标准船型的Co值；2)根据Fr或V/√L由表7-5查得对应于标准船型的方型系数Cbc和纵向浮心位xc；3)进行实船修正：与标准船型参数比，做四项修正：①方形系数Cb的修正△1②宽吃水比B/T的修正△2③浮心纵向位置xc的修正△3④水线长Lw1的修正△4①方形系数Cb的修正△1设计船方形系数Cb，标准船型的方型系数Cbc，Co增加的百分数Kbc由表7-6查得。△1=-3CoCb(Cb-Cbc)/Cbc(CbCbc时)△1=CoKbc(CbCbc时)100(Cbc-Cb)/Cbc1.02.03.04.05.06.07.08.0Kbc0.400.901.402.002.603.364.165.052/5实船修正3/5②宽吃水比B/T的修正△2：设计船的B/T不等于2.0时，△2=-10Cb(B/T-2.0)/100*(Co+△1)③浮心纵向位置xc的修正△3：设计船的浮心纵向位置不在标准位置时，应先按下式算出(△3)o。(△3)o=Kxc(Co+△1+△2),Kxc(%)由表7-7(a)或(b)查得.△3=-(△3)o△10;0△10,且|(△3)o|≤△1-|(△3)o|-△1△10,且|(△3)o|△1④水线长Lw1的修正△4：△4=(Lw1-1.025Lbp)/(1.025Lbp)(Co+△1+△2+△3)经过上述四项修正后的系数C4值为：C4＝Co+△l+△2+△3+△44/55/54)实际设计船的有效功率实际设计船的有效功率Pe(kw)(包括8％的附加阻力在内):Pe=0.735(△0.64Vs3)/C4相应的裸船体有效功率:Peb=Pe/1.083.艾亚法的优缺点1/1艾亚法的适用范围较广，特别对中、低速船的估算结果与船模试验的吻合程度尚好，有一定的实用价值。但其所统计的资料仅代表20世纪40年代以前的船型，因此用于近代船型，如肥大船往往误差较大。此外，该估算法纯属统计资料所得，故不仅有理论上难以解释之处，而且某些重要的船型要素对阻力性能的影响没有给以考虑，也是该方法的不足之处。二、兰泼-凯勒(Lap-Keller)法1/5对荷兰瓦根宁船模水池的107艘单螺旋桨大型船模试验结果整理而成，1954年凯勒对兰泼发表的图谱进行修正和扩充，给出了供单桨民用船估算阻