读书报告--船舶之中的流体力学

读书报告

——船舶之中的流体力学摘要：

凡不能像固体一样保持其一定形状，并容易流动的物质称为流体。流体包括液体和气体。流体力学是力学的一个分支，它主要研究流体本身的静止状态和运动状态，以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动的规律。流体力学在造船学和海洋工程学中的应用包括独立的专题，并涉及到广泛的先进技术。人们根据流体力学的理论知识，可以提高船舶的运行速度和效率。

关键词：流体，船舶，阻力，动力

凡不能像固体一样保持其一定形状，并容易流动的物质称为流体。流体包括液体和气体。流体力学中研究得最多的流体是水和空气。它的主要基础是牛顿运动定律和质量守恒定律，常常还要用到热力学知识，有时还用到宏观电动力学的基本定律、本构方程和物理学、化学的基础知识。1738年伯努利出版他的专著时，首先采用了水动力学这个名词并作为书名；1880年前后出现了空气动力学这个名词；1935年以后，人们概括了这两方面的知识，建立了统一的体系，统称为流体力学。流体力学是力学的一个分支，它主要研究流体本身的静止状态和运动状态，以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动的规律。而流体力学又有很多的分支，比如航空里面应用的空气动力学，水利、土木工程里面应用到的水力学，而我此次读书报告所涉及的则是造船中应用广泛的船舶流体力学。

船，人类最早的运输工具之一。它连接了七大洲，把文明传向世界。在科学知识的海洋里，我们乘坐探索之船，向那片未知的水域驶近。由阿基米德原理我们知道浸在静止流体中的物体受到流体作用的合力大小等于物体排开的流体的重力，这个合力称为浮力。船在正常的行驶条件下，受到的是向上的水的浮力和向下的重力，这两个力构成一对相互平衡力，使船在水面上不至于沉没，这是我们最初知道的最简单的力学关系。然而，在江河湖海里面航行的船只，除了简单的受到浮力和重力外，航行还会收到很多因素影响，比如前进过程中水的阻力、水流速度、水的深度、水面波浪等。这些因素综合起来影响到船只航行的速度和效率。另外船舶在航行时不可能一帆风顺，经常会有意外

情况发生。因此，在设计船的时候，就要考虑船在破损时保持平稳、安全状态的能力。例如船舱进水时，船重增加了，船身就要下沉，吃水增加。当增加吃水所获得的浮力等于淹进水的重量时，船就不再下沉，达到平衡状态。此时的船舶不但吃水增加了，而且可能产生倾斜。所以流体力学在船舶建造中有很广泛的应用，也因此流体力学在造船学和海洋工程学中的应用包括独立的专题，并涉及到广泛的先进技术。人们根据流体力学的理论知识，可以提高船舶的运行速度和效率。下面来介绍一些我的读书所得。

1．船舶阻力的分类

船舶在水面航行时，船体在水和空气两种流体介质中运动，受到水和空气对船体的反作用，这种与船舶运动方向相反的流体作用力称为船舶阻力。总阻力分为水阻力和空气阻力，水阻力又分为静水阻力和汹涛阻力，静水阻力又分为裸体阻力和附体阻力。船舶航行时所受的总阻力主要是由兴波阻力，摩擦阻力和粘压阻力三者组成的。

船航行时周围水面产生波浪，它改变了船体湿表面的压力分布情况，形成首尾流体动压力差，这种阻力称为兴波阻力。摩擦阻力是船舶在静水中航行时，由于粘性作用，带动一部分水一起运动，在此过程中船体将不断供给这部分水质点以能量，因此产生摩擦阻力。而在船体曲度改变处常会产生漩涡，漩涡处的水压下降，因而改变了沿船体湿表面的压力分布情况。这种由船体前后压力部队称而产生的阻力称为粘压阻力。流线型尖瘦的物体的粘压阻力比短肥型的要小，因此造船时常要考虑船型因素。

2.船舶的动力

船舶推进器是船舶上提供推力的工具，它的作用是将船舶动力装置提供的动力转换成推力，推进船舶。推进器按作用方式可分为主动式和反应式两类。靠人力或风力驱船前进的纤、帆（见帆船）等为主动式，桨、橹、明轮、喷水推进器、螺旋桨等为反应式。现代运输船舶大多采用反应式推进器，应用最广的是螺旋桨。

螺旋桨是由桨毂和若干径向地固定于毂上的桨叶所组成的推进器，俗称车叶。螺旋桨安装于船尾水线以下，由主机获得动力而旋转，将水推向船后，利用水的反作用力推船前进。螺旋桨构造简单、重量轻、效率高，在水线以下而受到保护。而一般为了使螺旋桨能够与船体协调得更好，具有更加优异的推进效果，常常在设计时将桨叶梢部采用圆背型叶切片，使其压力分布均匀，并且采用具有一定尾倾的航行姿态让螺旋桨具有足够沉深。

3. 根据流体力学理论提高船速和效率的方法

3.1材料学：提供具有最大幅度降低摩擦力的船舶表面涂料和材料，根据设想，目前最新科技的油漆涂料利用和水分子类似的张力作用可以使摩擦力大幅度减小，从而使船舶速度有效提高。主要面临的问题是这种材料的造价高昂和污染性问题。

3.2结构学：将船舶的表面结构制造成摩擦力最小的形状，目前最可靠的形状是水滴型，这种结构将流体力学应用的最佳状态，根据测试可以提高船速60％－90％以上，能大幅度降低能源损耗。

3.3仿生学：目前最被科学家看好的方法，就是采用设备模拟水下海豹、海豚等动物在水下高速运动时能在身体表面产生一张水膜的方式，在航行器表面制造出一个封闭式的水泡，使航行器完全包裹在这种水膜中，测试的结果可以降低90％以上的摩擦力，目前基本所有的难度都可以克服了，就是这个水膜、水泡的大小还是很成问题。

船是一种古老又神奇的工具，我通过研究学习掌握了关于流体力学与船舶设计的一些简单知识，我的积累还远远不够，在以后的日子里，我会继续将这个话题继续下去，让我的船向更远处航行。

心得：

作为一个机械专业的学生，我们已经学习过了理论力学和材料力学的先关知识了，但是比较之，流体力学中研究得最多的流体是水和空气，它的主要基础是牛顿运动定律和质量守恒定律，常常还要用到热力学知识；而理论力学是机械运动及物体间相互机械作用的一般规律的学科，也称经典力学，是大部分工程技术科学理论力学的基础，其理论基础是牛顿运动定律，故又称牛顿力学；材料力学则是研究材料在各种外力作用下产生的应变、应力、强度、刚度、稳定和导致各种材料破坏的极限，是设计工业设施必须掌握的知识。当练习到流体力学在生活中的广泛应用我对这门课程的兴趣也就比其他两门力学课程要高一些，因为毕竟通过生活中的知识来发掘自己的兴趣更容易让人接受。

参考文献：

1.《船舶流体力学》――夏国泽编著华中科技大学出版社

2.《流体力学》