船舶快速性 论文

论船舶快速性
快速性是船舶诸多性能中的重要性能之一。

近 15 年来，1万总吨以上船舶的航速平均提高了lOkn左右；滚装高速五体船的航速达到了50kn 以上；快速集装箱船达到航速 38kn；高速穿浪型货船航速达到了40kn。

快速船型的研究是当今的热点，特别是多体、组合型。

综合船东对船舶营运效率，船舶的油耗，以及对海洋生态的保护，现代对船舶性能的研究主要集中在对船舶快速性的追求以及船舶减阻。

船舶在水中航行所受的水阻力可分为船舶在静水中航行时的静水阻力和波浪中的汹涛阻力两部分。

船舶在静水中运动时所受到的阻力与船体周围的流动现象密切有关。

根据观察，船体周围的绕流运动情况相当复杂，但主要有以下三种流动现象：
1．兴波阻力
船体在运动过程中兴起波浪，简称兴波阻力。

兴波阻力包括产生稳定的船行波和不稳定的破波。

由于船行波的产生，改变了船体表面的压力分布情况，船首的波峰使首部压力增加，而船尾的波谷是尾部压力降低，于是产生首尾流体动压力差，形成阻力。

从能量观点看，无论是船行波还是破波都具有一定的能量，这些能量必然由船体供给。

这种由于船体运动不断兴波而耗散能量所产生的阻力称为兴波阻力。

2．摩擦阻力
当船舶运动时，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，亦即船体表面产生了摩擦力，它在运动方向的合力便是船体摩擦阻力。

3．粘压阻力
在船体力下降，从而改变了沿船体表面的压力分布情况。

这种有粘性引起船体前后压力不平稳产生的阻力称为粘压阻。

从能量观点看，克服粘压阻力所做的功耗散为旋涡能量。

粘压阻力习惯也叫旋涡阻力。

船、机、桨配合理论:
船舶螺旋桨设计中，不仅仅需要螺旋桨效率最佳，而且船体一螺旋桨一主机问的配合十分完善。

但船舶的实际航速状态比较复杂，外界情况的改变 (如风浪，
污底，航道深度，装载情况等)直接引起船体阻力的变化，因而航速，螺旋桨的工作情况，主机的功率及其转速等都将发生变化。

螺旋桨及其主机在船上成为一个复杂的联动机构。

主机为机械能的发生器，螺旋桨为能量的转换器 (桨主机的旋转能转换为推力能)，而船体则为能量的需求者 (即螺旋桨的推力能消耗于船体阻力做功)。

因此，船体一螺旋桨一主机之间能量转换及工作状态是相互牵制和相互关联的。

当船舶在等速直线航行时，主机与螺旋桨之问有下列关系：运动时：螺旋桨的转速等于主机的转速；
动力时：螺旋桨所需的转力矩等于主机多能供给的转力矩。

若螺旋桨与主机之间装有减速齿轮，则上述关系中尚需引入传动比作为乘数。

同样，在船体与螺旋桨之间也存在下列关系：
运动时：螺旋桨的进速等于伴流修正后的船速，即 VA=V
动力时：螺旋桨的进速等于伴流修正后的船速，即T (1-t)：R 。

现讨论船速变化(即主机部分功率航行)时螺旋桨的工作情况。

当船载刚开航时，船速及船体阻力为零，主机以某一转带动螺旋桨，此时螺旋桨的进速系数 J=O，其发出之推力启动船舶作加速运动。

其后，船速渐增，阻力加大，而螺旋桨的进速系数也随之渐增。

若转速保持不变，则推力因进速系数增加而略减，如转速继续增加，则推力可能续增。

当船速与转速达到适当的关系后，螺旋桨发出的推理恰能克服船体阻力，螺旋桨所遭受的转力矩亦恰为主机所能供给者，则供求互相平衡，船即以等速前进，螺旋桨也在一定的进速系数下操作。

普通低速船在保持排水量不变的情况下，其阻力与船速 v约略成平方关系，即有效功率与v 成正比例。

若伴流分数∞，推力减额分数 T 和相对旋转效率不随船速变化的话，则螺旋桨推力与进速 V 成平方关系。

据螺旋桨比较定律可知，符合此种关系之条件为进速系数 J值相同，因此普通低速船舶以不同功率航行 (保持排水量不变)时主机的转速大致与船速成比例，主机功率则约略与转速的三次方成正比例。

换句话说，螺旋桨在不同转速下工作时所要求的主机功率约略与转速的三次方成比例，表示此种关系的 Ps～n3 曲线通常称为推进特性曲线。

但其他类型船舶的阻力不一定与 v2成比例关系，故实际情况常较上述者复杂。

船、机、桨工况与配合的研究就是要研究船舶在各种航行条件下能量转换过程的特性变化规律，从而找出最佳参数和最佳转换过程，得到一个具有最好营
运经济性和投资效果的方案。

要得到较高的运行经济性，一方面取决于船、机、桨本身的性能，另一方面与合理地选择推进装置的型式，充分利用船、机、桨的配合特性有密切的关系。

众所周知，一般船舶由于主发动机、传动设备及推进器的性能参数都存在局限性，通常情况下各部件的性能参数只有在某一负荷范围内才是优良的，离开此范围，性能均会下降，即船舶只有在设计工况下运行时其经济性才最好。

但许多船舶的工作条件是不断变化的，如船舶负荷的变化，风浪、污底等变化。

所以研究部分负荷下的配合特性变化规律，争取得到较满意的特性，对于提高船舶运行的经济性同样具有重要意义。

船舶快速性研究方法有两种
一，理论研究方法
理论研究方法是根据观察实际现象，经行力学抽象与数学建模，从而利用流体力学的基本理论和数学工具来分析，研究和计算船舶阻力与推进问题。

这种方法今年来最然有很大的进展，但目前尚不能得到普遍的实际应用。

原因在于：①船体形状及其运动情况极为复杂；②为使问题简化常常引入一些近视假定，与实际情况有一定的出入，因此所得结果准确性较差。

应该指出，理论研究方法虽然目前在定量方法存在差距，但常可用来解释现象，指出研究方向。

近年来流体力学、数学，特别是计算技术的发展，有力的推进了理论研究工作的进一步开展，因而理论分析法仍不失为重要的研究手段。

二，试验方法
试验方法包括船模试验和实船试验。

船模试验室目前研究船舶快速性的主要方法，它是将实船或螺旋桨按一定比尺缩小，制作船模和桨模，然后在试验水池或水筒中进行试验，测量与分析船模的阻力，或螺旋桨的推力。

很多优良船型或桨型几乎都是通过大量模型试验而得到的。

应用船模和桨模试验来研究船舶快速性的优点在于，它不仅简单，经济，而且可以为造船工程提供定量数据。

实际上在进行船舶设计时，即使在初步设计阶段，也可能要做船模试验，进行方案比较，特别是一些较为重要的船舶几乎没有不进行船模试验就建造的。

船模试验在船舶设计中得到广泛应用。

但是船模试验也有其局限性，诸多船模与实船情况不能完成实现水动力相似等问题。

应当指出的是螺旋桨一般安装在船舶的尾部，螺旋桨和船体的相互作用是至
关重要的。

这种相互作用主要包括以下两个方面：螺旋桨为了产生推力，必须使船尾部分流体加速，船尾流体的这种加速导致了尾部压力分布的改变，从而影响船体阻力和船舶尾部边界层厚度以及边界层内速度分布；螺旋桨作用于船体引起边界层变化，反过来也影响了螺旋桨的进流条件，使螺旋桨水动力性能发生改变，同时可能产生空泡，噪声，激振等物理现象。

用数值方法研究螺旋桨与船体相互影响也是一种主要的研究手段，数值方法不但节约成本，而且它除了可以预报平均量以外，还可以预报船尾区域的精细流动结构，使我们对船尾螺旋桨和船体相互作用的复杂流场有较全面的了解。

用数值方法研究船体和螺旋桨的相互影响，早在上世纪 7O 年代就引起了大家的重视，但是对于三维水面船与螺旋桨的相互作用的研究进展不大，研究工作也不够广泛，主要原因是对不带螺旋桨时船舶尾部流场的数值预报尚未达到定量满意的精度。

早期螺旋桨／船体数值研究是针对水下轴对称航行体，使用势流理论方法加边界层计算，这种方法不能精确地模拟船体和螺旋桨的相互影响。

考虑到理论研究在定量方法存在不足，对其性能的研究近百年来多集中在水池实验的基础之上，而应用船模和桨模试验来研究船舶快速性的优点在于，它不仅简单，经济，而且可以为造船工程提供定量数据。

结合螺旋桨优化设计所进行的实验有船模阻力试验，螺旋桨模型敞水试验和自航试验。

快速性是船舶诸多性能中(如浮性、稳性、抗沉性、快速性、耐波性、操作性等)的重要性能之一。

快速性的优劣，对民船来说将在一定程度上影响船舶的实用型和经济性，对军用舰艇而言，快速性与提高舰船的作战性能密切相关，当今各国贸易往来平凡贸易货物周转快再加上世界油价的影响船舶的快速性越来越成为船舶最关注的船舶性能之一，也是各国科学家和工程师研究的热点，所以对于船舶快速性的研究也越来越深入。