第六章船型对阻力影响船舶阻力与推进

第六章船型对阻力的影响

船舶设计中的一个重要步骤是确定船型参数，就是确定表征船体水线以下部分的一些特征参数的数值和几何形状。但是应该指出的是：船舶设计是一个必须考虑各种因素的综合性问题。船型参数的选择应顾及总体布置、工艺结构、快速性、耐波性、稳性、航区和经济性等诸方面既有联系又有矛盾的各种要求。

本章主要应用船舶阻力的基本知识在分析船模试验和实船试航的基础上来讨论船型对阻力的影响，以使在船舶设计过程中考虑选择阻力较低的船型参数：同时亦可对某些给定船舶的阻力性能进行分析，以期供设计或改型时考虑。

§6-1 船型对阻力影响的基本概念

为了便于叙述和理解船型对阻力的影响问题，有几个概念先予以阐述。

一、船型、航速与阻力性能之间的关系

1．优良船型的含义

船型对阻力性能的影响是与船速密切联系的，在不同速度范围内，船型参数对阻力的影响不仅程度上不同，甚至还有本质上的差别，因此，所谓阻力性能优良的船型是对某一定速度范围而言。换句话说，优良的船型将随速度而异，低速时阻力性能良好的船型，在高速时可能反而不佳。由此可以推断：对于不同速度范围内的船舶说来，影响船体阻力的主要船型参数应该是不同的。为此，在船舶设计过程中考虑参数选择的出发点不应完全相同。

由此知，讨论船型对阻力性能的影响问题，必须与设计船的速度范围联系在一起。但是应该看到，对于同一设计船的航速也有不同的要求，如民用船舶，速度有服务速度和试航速度之分。前者是在平均海面情况中所能保持的速度，后者是在试航时使用全部功率所能达到的速度。过去惯例在任务书中规定试航速度，但对实际服务情况未必经济合理，对军舰，其巡航速度与最大速度相差甚大，对船型的要求常相矛盾。所有这些不同的航速要求，在设计中应根据具体情况予以注意。

2．船舶分类及其主要阻力成分

目前研究一般水面排水型船的阻力问题，较普遍的是按照傅汝德数将各类船舶分为低速

船(Fr v 0.18)、中速船(0.18V Frv 0.30)和高速船(Fr >0.30)。一般民用船大多属于中、低速

船的范围，而军舰乃属于高速船之列。各类船舶的速度范围不同，因而它们的主要阻力成分

亦不一样，所以在船型设计所考虑的侧重面将是各不相同的。

低速船航速较低，兴波阻力很小，其总阻力中摩擦阻力与粘压阻力占主要成分，因此在 设计这类船舶时，重点在于减小摩擦阻力和粘压阻力。摩擦阻力主要决定于船体的湿面积， 因而这类船的形状比较肥短，其目的是为了获得较小的船体湿表面积以减小摩擦阻力。但是 由于这类船易于产生旋涡，因此必须注意去流段的设计，以防止粘压阻力的增大。

中速船的航速较低速船有所增大，兴波阻力成分随之增大，故在设计过程中既要注意减 小兴波阻力，又要防止其他阻力成分的增长。为此，一方面要恰当地选择船型参数以造成首 尾波系的有利干扰；另一方面，船型适当地趋于瘦削，这样可以避免产生大量旋涡，有利于 减小粘压阻力。

高速船的兴波阻力是总阻力中的主要成分，有时可达

50%以上。为此，设计中应力求减

少兴波阻力。一般说来，高速船兴起的波浪长度都比较长，首尾波系在船尾产生有利干扰的 可能性很小，所以在设计时致力于减小船首波系的波高，因而这类船都比较瘦长，特别是前 体更甚，其目的就在于尽可能减小兴波阻力。

二、确定影响阻力的船型参数

船体表面形状是一个复杂的几何曲面，不同的船型只能用各自的型线图来表达。但为了 用具体的数量概念来表达各种船型特征以及不同船型之间的差别，为此必须用各种参数，即 船型参数来表示各种船型特征。

由讨论船舶阻力相似定律知，对于一定的船型，其总阻力系数是 Re 和Fr 数的函数，如

(1-17)式所示。若考虑船型变化，则总阻力表达式可改写为：

C t = f (Re, Fr ，船型参数)

(

6-1)

其中，船型参数主要包括三个方面：

(1)

主尺度比：有长宽比 L/B ，宽度吃水比 B/d ，由于该两比值确定后，长度吃水比 L/d

随之而定，故L/d 不作独立参数。

(2) 船型系数：有方形系数C b ，棱形系数C p ，船中横剖面系数

/L 3

(亦有采用排水量长度系数

丄飞，或者长度排水体积系数 L/100

数都可通过横剖面面积曲线来表达和计算得到。

这里所述的六个船型参数，并非完全独立，存在如下两关系：

C p = C b / C m

C p A m

L

C

p (C m B d)

—=

3

=

2

= C P C m / L 3

L

因而上述六个参数中，可取四个作独立参数。由于 /L 3代表了船的排水体积和船长之间

的关系，因而较之 L/B 更能表示船体韵肥瘦程度，所以一般选取 /L 3作独立参数；至于船型

系数，除C m 外，根据所讨论的船舶而异在

C P 、C b 之间选取一个作为讨论参数。

(3) 船体形状：表征船体形状的因素很多，可归纳为三个主要方面： ① 横剖面面积曲线的形状：可由浮心纵向位置 X c ，平行中体长度L P 和位置，以及曲线两

端的形状来表征。

② 满载水线面的形状：可以由满载水线面的面积，满载水线平行中段，满载水线首尾端

C m 以及排水体积长度系数 * 等形式)。这些船型系

又有

L 2

的形状以及满载水线首端半进角等因素表征。

③ 首尾形状：包括首尾横剖面形状和纵剖面形状。

若上述诸方面的各项参数、特征一定时，船的形状可以说基本上确定，故总阻力表达式 可改写成：

C t = f(r ，B ，C p , C m ,船体形状，Fr)

(6-2)

L L

(6-2)式中没有考虑Re 的影响。这是因为在一定范围内改变船型对摩擦阻力影响甚小， 且摩擦阻力可以通过计算得到；然而

Fr 对剩余阻力有较大影响。

、船型对阻力影响问题的研究方法

由于目前还不可能用理论计算方法来确定船型诸参数对船体阻力的影响，所以现在解决 这个问题的主要手段是船模系列试验方法。所谓船模系列试验，就是对所研究的问题，选定 母型船，并系统地变化影响船体阻力的船型参数，制成一系列船模。然后这些系列船模在各 对应装载情况下进行拖曳试验。最后根据试验结果分析得出船型参数对阻力影响的关系。

派生系列船模改变船型的方式有两种：一种为仿射变化，将船体表面上各对应坐标分别 按一定比例放大或缩小，从而得到不同的系列船模。例如，将母型船横剖面的半宽和水线间 距都乘以常数K ，即可得到一组仅一亠不同的船模。如将横剖面的半宽乘以常数

K 而将

0.01L

水线间距乘以1/K ，可导得另一组仅 B/d 不同的船模。如将这两种变化合并，则可导得一组 一和B/d 都不同的船模。但必须注意，这组船模的棱形系数 C p 是完全相同的，也就是

0.01L

说如以船中横剖面面积为单位

1.0所绘制的横剖面面积曲线完全相同。

另一种是改变线型特征的方式，例如要得到 面积曲线。如图 6-1中虚

线所示，将母型船 模相当于ab 位置的

横剖面向前移至

cd 处的

新剖面，这样可以得到另一组与母型船模相 比，不仅一—和B/d 都不相同，

0.01L 而且C p 亦不同的新船模。

现举早年的泰洛(Taylor) 母型船模的棱形系数

C p = 0.555，中横剖面系数

C m = 0.926，排水量长度系数

△

3

0.01L

=106.95，宽度吃水比B/d= 2.923，其型线图见图6-2(a)所示。横剖面面积曲线见图 6-2( b)所 示，曲线上数字代表棱形系数 C p 。该系列所研究的船型参数为：

亠 ,B/d 和C p 。船型 0.01L

参数变化范围为:

—■*

100£

A m

a

c

r- n i l

l i

标准组船模系列试验作简单说明:

C p 不同的船模，则要另行绘制一新的横剖面

b d

绘制系列船模横剖面面积曲线的方法

图6-1