船舶阻力复习

船舶阻力

一总论

1.船舶在航行过程中会受到流体(水和空气) 阻止它前进的力。这种与船体运动相反的作用力称为船的阻力。

2.船舶快速性就是研究船舶尽可能消耗较小的主机功率以维持一定航速的能力

3.船体总阻力按流体种类分成空气阻力和水阻力。

空气阻力是指空气对船体水上部分的反作用力。水阻力是水对船体水下部分的

反作用力。

4. 船体阻力的成因主要有以下三种现象有关:

①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, 于是产生首尾

流体动压力差。这种由兴波引起的压力分布的改变所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, 这能量必然由船体供给。由

于船体运动过程中不断产生波浪, 也就不断耗散能量, 从而形成兴波阻力。

②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, 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,用Rf 表示。

从能量观点看。就某一封闭区而言, 当船在静水中航行时, 由于粘性作用, 必

带动一部分水一起运动, 这就是边界层。为携带这部分水一起前进, 在运动过

程中船体将不断供给这部分水质点以能量, 因而产生摩擦阻力。

③旋涡处的水压力下降, 从而改变了沿船体表面的压力分布情况。这种由粘性

引起船体前后压力不平衡而产生的阻力称为粘压阻力,用Rpv 表示。

从能量观点来看,克服粘压阻力所作的功耗散为旋涡的能量。粘压阻力习惯上

也叫旋涡阻力。

5. 船体阻力的分类

(1 ) 按产生阻力的物理现象分类。Rt = Rw + Rf + Rpv

对低速船, 兴波阻力成分较小, 摩擦阻力约为70%～80% , 粘压阻力占10%以上。对高速船, 兴波阻力将增加至40%～50% , 摩擦阻力为50%左右, 粘压阻力仅为5%左右。

(2 ) 按作用力的方向分类。R t = R f + R p

(3 ) 傅汝德阻力分类。其实质是将粘压阻力和兴波阻力

合并在一起称为剩余阻力, 即:Rt = Rf + Rr 式中Rr = Rw + Rpv

(4 )按流体性质分类。Rt = Rw + Rv 式中Rv = Rf + Rpv

综上各分类方法, 船体总阻力与各阻力成分间的关系可以表示如下:

6.粘性阻力相似定律———雷诺定律

Cv = f ( Re )

Cf =Rf（ρv2 S）÷2= f1 ( Re )

平板摩擦阻力系数Cf 仅仅是雷诺数的函数, 当雷诺数相同时, 不同平板的摩

擦阻力系数必相等。

7.兴波阻力相似定律———傅汝德定律

对于给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。

形似船在相应速度时(或相同Fr 数) , 单位排水量兴波阻力必相等。这称为傅

汝德比较定律。

8.船体总阻力相似定律———全相似定律

水面船舶的总阻力系数是雷诺数和傅汝德的函数; 若能使实船和船模的雷诺数

和傅汝德数同时相等, 就称为全相似。在满足全相似条件下, 实船和船模的总

阻力系数为一常数, 故称为全相似定律。

二粘性阻力

1.船舶粘性阻力的计算方法可分为两大类:

(1 ) 根据边界层理论或雷诺平均方程用数值计算方法求得粘性阻力

(2 ) 工程上实际采用的方法由船模试验决定

2.“相当平板”假定认为:实船或船模的摩擦阻力分别等于与其同速度、同长度、同湿面积的光滑平板摩擦阻力.

3. “1957 年国际船模试验池实船-船模换算公式”,1957I TTC 公式:

Cf =0 .075/( lg Re - 2 )2

4. 船体曲度对阻力的影响:

①纵向弯曲表面的水流之平均相对速度较平板情况为大, 其平均边界层厚度必

较薄, 这将导致速度梯度和摩擦阻力增大。

②横向弯曲处其边界层厚度较相当平板薄, 在曲度较大的舭部尤为显著, 所以

阻力也相应增大.

③弯曲表面易发生边界层分离以致产生旋涡, 旋涡区的水流速度较低, 该处的

摩擦阻力随之减小。

5. 船体表面粗糙度可分成两类:普遍粗糙度和局部粗糙度。

普遍粗糙度,又称漆面粗糙度,主要是油漆面的粗糙度和壳板表面的凹凸不平等。局部粗糙度, 又称结构粗糙度, 主要为焊缝、铆钉、开孔以及突出物等粗糙度。

6.在实际计算中, 总的摩擦阻力系数可取为光滑平板摩擦阻力系数Cf 再加上

一个与雷诺数无关的粗糙度补贴系数ΔCf 。对于一般船舶, 我国取ΔCf =

0 .4 ×10 - 3 。

7. 船舶在营运过程中, 船体水下部分因长期浸泡在水中, 除钢板被腐蚀外, 海水中的生物 , 使船体表面凹凸不平, 大大增加了船体表面的粗糙度, 阻力增加很大, 这种现象称为污底。

8. 减小摩擦阻力:

①边界层控制

②采用聚合物溶液降阻剂,

③船底充气减阻

④使船体表面与水接触改变为与空气接触

9. 船体摩擦阻力的计算Rf = ( Cf + ΔCf ) 〃ρv2 S /2

(1 ) 计算船的湿表面积。

(2 ) 计算雷诺数Re= , 其中Lwl 为水线长( m) , v 是船速( m/ s ) ,ν是水的运动粘性系数, 如无特殊注明, 对于实船取标准水温t = 15℃时之值,ν的数值可由附录的表中查得。

(3 ) 根据光滑平板摩擦阻力公式算出或由相应的表中查出摩擦阻力系数Cf 。

(4 ) 决定粗糙度补贴系数ΔCf 的数值,我国一般取ΔCf = 0 .4×10 - 3 。

(5 ) 根据式算出船的摩擦阻力。

10.影响粘压阻力的因素是物体形状(物体的后体形状),界层内的流动状态

①船的后体收缩较缓和, 则沿曲面的流速变化较缓慢, 因而纵向正压力梯度较小, 分离现象可以推迟,甚至避免, 因而粘压阻力可以减小。反之, 物体后体收缩急剧, 将会出现严重的分离现象, 粘压阻力增大。

②船的前体过于肥短, 流线扩张很大, 流速增加快, 在最大剖面处的速度很高, 而压力会降得很低, 使得后体范围的正压力梯度增加, 流动急剧减速, 因此粘压阻力将增大。

11.降低粘压阻力的船型要求

(1 ) 应注意船的后体形状。去流段长度满足Lr ≥4 .08 Am ; 对于低速肥大

船型可满足Lr ≥2 .5 Am 。同时, 后体收缩要缓和

(2 ) 应避免船体曲率变化过大

(3) 前体线型应予适当注意。采用球鼻型船首有可能减小这一部分阻力。

三兴波阻力

1.船体兴起的波浪分成两类: 一类是在船舶驶过之后, 留在船体后方并不断向外传播的波浪称为船行波;

另一类是被船体兴起后很快就破碎的波浪, 称为破波, 并不以波浪的形式留在船后, 它主要发生在肥大型船舶。

2.平面进行波的特征：

①平面进行波的波形是余弦或正弦曲线形状

②波形离静水面的最大升高或下降之距离A 称为波幅; 波峰与波谷之间的距离称为波高H, 显然H = 2 A, A 为波幅

③相邻两波峰或波谷间的距离, 称为波长λ

④波形每前进一个波长距离所需的时间称为周期T

⑤波形的传播速度c=λ/ T

⑥波浪运动所具有的总能量包括波浪的动能和位能两部分，波浪的总能量与波长、波宽和波幅平方成正比, 而与水深无关。

⑦波能沿着波形传播方向的转移速度称为波能传播速度