Сопротивление движению судна реферат
Обновлено: 02.07.2024
Судовождение – это особый вид производственной деятельности, связанный с подготовкой к рейсам и управлением судами и составами на водных путях.
Управление судном включает в себя решение большого количества практических вопросов, таких как: проводка судна (состава) по различным участкам судоходного пути, маневрирование в процессе движения, обеспечение безопасности стоянок и т.д.
Методы и практические приемы судовождения находятся в прямой зависимости от типов плавучих средств, технической оснащенности судов и составов, способов их передвижения по воде, а также от судоходных условий и оснащенности навигационным оборудованием судового хода.
Расчет сопротивления воды движению судна
Расчет сопротивления воды движению судна производится на глубокой спокойной воде и на мелководье. Последовательно рассчитываются следующие величины.
1.1 Расчет сопротивления для буксира-толкача
Водоизмещение судна , м 3 :
где – длина судна;
– коэффициент общей полноты.
Соотношения главных размерений:
| (1.2) |
| (1.3) |
| (1.4) |
| (1.5) |
Коэффициент пропорциональности между сопротивлением трения и сопротивлением формы:
Площадь смоченной поверхности судна определяется по приближенной формуле:
Кинематический коэффициент вязкости воды: м 2 /с.
Коэффициент, учитывающий шероховатость корпуса (для стальных судов):
Коэффициент сопротивления выступающих частей:
Сопротивление на мелководье определяется для относительной глубины судового хода :
Коэффициент увеличения вязкостного сопротивления на мелководье :
Коэффициент увеличения волнового сопротивления на мелководье :
Коэффициент волнового сопротивления (при Fr£0,1 CW =0):
По результатам расчета в зависимости от скорости судна строятся графики составляющих сопротивления и полного сопротивления на глубокой спокойной воде (рис.1.1).
- аппликата центра величины хс - -0,62 м;
Смоченную поверхность определяем по формуле Семеки [5]:
S=LT[2+1,37(-0,27)B/T] = 85,404,30[2+1,37 (0,831-0,247) 3,08]=1641,82 м 2 .
10.1 Расчет сопротивления трения
Расчет сопротивления трения выполнен по формулам:
Re = ((L)/) 10 -8 , =1,5710 -6 ,
где L - длина судна
где S - смоченная поверхность.
Результаты расчета приведены в таблице 10.1.
Таблица 10.1 - Расчет сопротивления трения
10.2 Расчет остаточного сопротивления
Расчет остаточного сопротивления производим по формуле А.Б. Карпова:
КВ/Т - коэффициент, учитывающий влияние относительной ширины судна
К - коэффициент, учитывающий влияние продольной полноты судна
СК - коэффициент, учитывающий скоростной режим судна
Результаты расчета приведены в таблице 10.2.
Таблица 10.2 - Расчет остаточного сопротивления судна
10.3 Расчет полного сопротивления и буксировочной мощности
Расчет показан в таблице 10.3.
Таблица 10.3 - Расчет полного сопротивления и буксировочной мощности
График зависимости сопротивления трения, остаточного сопротивления и полного сопротивления от скорости представлен на рисунке 10.1.
Рисунок 10.1 - График зависимости сопротивления трения, остаточного сопротивления и полного сопротивления от скорости
График зависимости буксировочной мощности от скорости представлен на рисунке 10.2.
Рисунок 10.2 - График зависимости буксировочной мощности от скорости
10.4 Расчет ледового сопротивления
В соответствии с МРС 2007г. для категории судов ЛУ2 (Ice2) толщина мелкобитого льда принимается равной 0,55 м [2].
Л=0,92 т/м 3 - плотность льда
В - расчетная ширина
h - толщина битого льда
S=0,6 - сплоченность льда
График зависимости ледового сопротивления (RЛ+RB) представлен на рисунке 10.3.
Рисунок 10.3 - График зависимости ледового сопротивления от скорости движения судна
11 Проектирование и гидродинамический расчет судовых движителей
11.1 Выбор типа и количества движителей
Принимаем количество движителей по прототипу x=1 гребной винт.
В качестве судового движителя выбираем гребные винты в неподвижных насадках.
Диаметр винта определяем из возможности его установки в кормовом подзоре судна с использованием теоретического чертежа.
Число лопастей гребного винта выбираем z=4.
Дисковое отношение выбираем из условия прочности и кавитации [9]:
=, где
DB=2,866 м - диаметр гребного винта;
m=1,75 - коэффициент, учитывающий условия работы гребного винта;
t - коэффициент засасывания гребного винта [9]:
=0,831 - коэффициент общей полноты
х=1 - число винтов
V=4053 м 3 - объемное водоизмещение судна
D - диаметр винта
Fr=0,21 - число Фруда
Так как винт в неподвижной насадке окончательно принимаем:
Из условия отсутствия кавитации дисковое отношение должно быть не менее:
, где
х=1 - число гребных винтов
h=2,75 м - заглубление оси гребного винта от свободной поверхности
Выбираем большее из полученных дисковых отношений: =0,55.
Подбираем подходящую диаграмму для расчета.
Выбираем диаграмму: z=4, =0,57.
11.2 Расчет гребного винта при выборе энергетической установки
Зададимся несколькими значениями частот вращения гребного винта:
и вычислим для них коэффициент задания Кn ' :
Дальнейший расчет будем вести в таблице 11.1, используя диаграмму для расчета гребных винтов.
Таблица 11.1 - Расчет элементов гребного винта
Результаты расчета приведены на рисунке 11.1.
В качестве двигателя на проектируемое судно назначаем:
двигатель Krupp MaK 8M453C мощностью 2400 кВт, с редуктором TMC 40М, имеющий передаточное отношение 2.
Подбор редуктора будем выполнять по крутящему моменту и передаточному отношению:
N=2400 кВт - мощность главного двигателя;
n=5,1 с -1 - частота вращения на выходном валу;
Назначаем редуктор 5ЦВ-207, рассчитанный на крутящий момент в 80 кНм с передаточным отношением 2
Поэтому сделаем пересчет полученных значений, принимая диаметр винта 2,8 м.
Таблица 11.3 - Расчет гребного винта на полное использование двигателя
11.4 Определение коэффициента качества гребного винта
Для расчетного режима получили в=0,55. Рассчитаем КПД идеального гребного винта по формуле:
Таким образом, приходим к выводу, что винт спроектирован хорошо.
11.5 Расчет кривой тяги гребного винта
Расчет будем вести в таблице 11.3.
Таблица 11.3 - Расчет кривой тяги гребного винта
Рисунок 11.2 - График зависимости тяги гребного винта, полного ледового сопротивления, полного сопротивления от скорости судна
Сопротивление трения Rтр зависит от числа Рейнольдса Re = VL/ν и представляет горизонтальную составляющую суммы касательных сил, возникающих при обтекании корпуса потоком при движении судна.
Волновое сопротивление Rволн зависит от числа Фруда и представляет горизонтальную составляющую от сил давления.
Сопротивление форма Rф зависит от числа Рейнольдса.
Rвч - сопротивление выступающих частей, т.е. скуловых килей, увеличивающих смоченную поверхность судна, а следовательно, сопротивление трения ахтерштевня, руля, шахт эхолота, гирокомпаса и др., увеличивающих сопротивление формы.
Ra- воздушное сопротивление, зависящее от числа Рейнольдса Ra= f (Re)и представляет сопротивление воздуха движению судна на сдаточных испытаниях при штилевой погоде.
В эксплуатации на судне дополнительно возникают следующие составляющие сопротивления ;
Rл - ледовое сопротивление;
Rмет-метеорологические сопротивления, т.е. сопротивление ветра и волнения;
Rрв- сопротивление разрушений волны;
Rтр - наибольшая из трех составляющих, равная 65-80% суммы
Rтр в эксплуатации существенно увеличивается за счет повышения шероховатости корпуса от коррозии, вспучивания краски и обрастания животными организмами и водорослями.
В целях уменьшения Rтрпериодически (раз в год для пассажирских судов и раз в два года для ледоколов и судов активного ледового плавания) осуществляют плановые докования с полной очисткой и окраской корпуса. Для судов, эксплуатирующихся в тропиках, систематически осуществляют междоковые очистки корпуса под водой.
В стадии натурного эксперимента находятся методы снижения сопротивления трения за счет подачи в пограничный слой растворов полимеров и применения "воздушной смазки".
Расчет Rтрне требует проведения модельных испытании. Гипотеза Фруда об эквивалентной технически гладкой пластине позволила средствами теории пограничного слоя установить зависимость xпл = f (lg Re)
Волновое сопротивление Rволн является следствием возникновения при движении судна носовой и кормовой систем волн, включающих каждая две группы волн: расходящихся и поперечных.
Природа волнообразования - гравитационная. Выведенные из равновесия (за счет избытка гидродинамического давления в носу и в корме) частицы жидкости колеблются вследствие сил гравитации. Эти колебания воспринимаются как волновой профиль. Длина волн зависит от скорости судна:
Носовая система волн интерферирует с кормовой. Интерференция может быть благоприятной и неблагоприятной. Характер интерференции зависит от числа Фруда, т.е. от скорости хода и длины судна. Волновое сопротивление сдерживает рост скоростей морских судов. Это наглядно видно из графика xпл = f (Fr)
Реальное уменьшение волнового сопротивления достигается двумя путями:
- путем непересечения ватерлиний свободной поверхности (суда на крыльях, суда на воздушной подушке, экранопланы, подводные суда)
- применением бульбовых образований носовой оконечности, обеспечивающих более благоприятную интерференцию.
Сопротивление формы Rфсоставляет часть сил давления вязкостной природы. Физическая сущность его определяется характером распределения давления по длине судна и физическими явлениями, происходящими в пограничном слое судна (см.рис.).
Вследствие потери кинетической энергии частиц жидкости, движущихся из зоны понижения давления в зонуповышения давления, возникает противопоток частиц ивследствие этого вихреобразование. На создание вихревых систем затрачивается энергия, что определяет сопротивление формы.
Воздушное сопротивление Rвозд. При обтекании воздухом надводной части судна создается результирующая аэродинамическая сила сопротивления Rа
Аэродинамическая сила Rапри произвольном направлении скорости потока воздуха Vвозд относительно диаметральной плоскости судна, определяемая углом α составляет с диаметральной плоскостью угол b1> α1. Rвоздявляется проекцией Rа на направление скорости движения судна.
При попутном ветре Rвозд совпадает с направлением движения судна. Проекция Rана направление, перпендикулярное скорости движения судна, характеризует силу дрейфа Rдp.
Сила сопротивления воздуха Rвозд = Rа cos b1 .
Вектор Vвозд - кажущийся ветер.
где С - коэффициент воздушного сопротивления, определяемый путем продувки моделей подводной части корпуса в аэродинамической трубе. Для транспортных судов С = 0,7-1,2;
rв - массовая плотность воздуха;
Fx - площадь проекции надводной части судна на плоскость мидельшпангоута.
Воздушное сопротивление максимально при встречном ветре, направленном в скулу под углом α1 = 25-30°.
При движении у носа и кормы судна создаются волны, которые с увеличением скорости становятся больше. Это объясняется тем, что с увеличением скорости движения в кормовой части судна возникает значительное разрежение, а в носовой - зона повышенного давления.
Энергия, израсходованная на образование волн, является волновым сопротивлением, величина которого определяется скоростью и длиной судна. Характеристикой волнового сопротивления судна является отношение скорости к длине, называемое числом Фруда:
Эта характеристика позволяет сравнивать суда различных размеров, что дает возможность определить сопротивление и тем самым мощность двигателя для строящегося судна с помощью буксировочных испытаний моделей. Скорости судна и модели соотносятся как квадратные корни из их линейных размерений:
Это означает, например, что строящемуся судну длиной 130 м, шириной 14 м с осадкой 6,6 м, с водоизмещением 5900 т и скоростью 25 уз (12,86 м/с) соответствует скорость модели 2,572 м/с при длине ее 5,2 м. При этой скорости у модели возникает волнообразование, которое геометрически подобно волнообразованию натурного судна. Измеренное при этом сопротивление содержит, однако, не только волновое сопротивление, но и еще один компонент - сопротивление трения, которое возникает вследствие тормозящего действия воды, протекающей мимо корпуса.
Сопротивление трения зависит от площади смоченной поверхности корпуса, от ее качества (степени шероховатости) и от скорости. Его можно рассчитать с достаточной точностью по опытным данным как для модели, так и для судна.
Если полное сопротивление модели уменьшить на расчетный коэффициент трения, получится волновое сопротивление модели. При пересчете действует положение, что волновые сопротивления двух геометрических подобных тел - судна и модели - соотносятся как их водоизмещения.
Но это простое соотношение справедливо только тогда, когда судно и модель движутся со сравнимыми скоростями, так что возникают геометрически подобные волнообразования.
Если к волновому сопротивлению (определенному опытами на модели) прибавить расчетное сопротивление трения, получится полное сопротивление судна.
В нашем примере при модельных испытаниях было определено волновое сопротивление в 0,31 МН и путем расчета - сопротивление трения в 0,35 МН. Полное сопротивление судна составляет, таким образом, 0,66 МН.
Разумеется, при окончательном определении потребной мощности двигателей нужно учитывать также воздушное и вихревое сопротивления.
Доля волнового сопротивления и сопротивления трения в полном сопротивлении зависит от формы судна и его скорости. У больших тихоходных судов волновое сопротивление составляет примерно 20%, а у очень быстроходных - до 70% полного сопротивления.
Движущиеся судно приводит в движение массы окружающей воды и испытывает при этом реакцию со стороны воды в виде гидродинамических сил, действующих на смоченную поверхность корпуса. Эти силы можно привести к силе Fгд , приложенной в центре тяжести судна (в точке G) или в любом другом центре приведения, и к паре сил с моментом Мгд , равному главному моменту гидродинамических сил относительно ЦТ (рис.89).
Составляющая Fх гидродинамической силы Fгд, направленная противоположно скорости v движения ЦТ судна, называется сопротивлением воды движению судна. Составляющая Fz , направленная по нормали к скорости v, называется подъемной силой и при горизонтальном движении судна может рассматриваться как гидродинамическая сила поддержания. Для водоизмещающих судов величина ее очень мала.
 |
Рис.89. Схема действия гидродинамических сил
и моментов при движении судна
Сопротивление воды зависит от скорости судна, формы, размеров и состояния наружной поверхности корпуса, от количества, формы и расположения на ней выступающих деталей и вырезов, а также от эксплуатационных факторов (продолжительности плавания судна после постройки и докования, наличия волнения моря, ограниченности фарватера и др.)
Расчеты сопротивления воды выполняются для равномерного прямолинейного движения судна при расчетной нагрузки на тихой глубокой воде, предполагается, что судно имеет новый свежевыкрашенный корпус. При расчетах полагают также, что судно движется с нулевыми углами атаки и дрейфа, т.е. горизонтально, без дрейфа и
при совпадении вектора скорости с ДП. Наличие углов атаки и дрейфа в пределах 3 0 не вызывает заметного увеличения сопротивления.
Изменение сопротивления воды в зависимости от водоизмещения судна, состояния корпуса и внешних условий плавания в необходимых случаях учитывается дополнительно (§ 10.8.)
При изучении и расчетном определении сопротивление воды условно разделяется на составляющие, которые предполагаются независимыми друг от друга (рис.90). При таком разделении составляющие сопротивления увязываются с направлениями составляющих поверхностных гидродинамических сил (касательные и нормальные) и с основными физическими свойствами воды (вязкость и весомость). В соответствии с этим сила сопротивления воды движению судна:
 |
где Rт - сопротивление трения (Rт = cos(τ,x) dΩ);
Rд - сопротивление давления (Rд = cos(p,x) dΩ).
Рис.90. Гидродинамические силы действующие на элементарную
площадку подводной (смоченной) поверхности судна dΩ
Сила трения Rт обусловлена касательными силами, которые зависят от свойств вязкости, т.е. от числа Рейнольдса. Силы давления состоят из двух составляющих. Одну из них – силу вязкостной природы, зависящую от числа Рейнольдса, называют сопротивлением формы Rф. Другую составляющую силы давления, зависящую от сил гравитации, т.е. от числа Фруда, называют волновым сопротивлением Rв.
Определение всех составляющих сопротивления воды движению судна теоретическим путем представляет большие трудности, главным образом из-за сложности обводов корпуса. Поэтому широко используется экспериментальная оценка сопротивления по результатам испытаний моделей судов. При пересчете результатов модельных испытаний на натурное судно пользуются гипотезой Фруда, который предложил разделять сопротивление воды на сопротивление трения
Rт и остаточное сопротивление Rо, т.е.
Как видно, остаточное сопротивление при таком подходе представляет собой сумму сопротивления формы и волнового сопротивления, т.е. сумму сил разной природы. Тем не менее, метод Фруда в разделении и перерасчете сопротивления получил широкое распространение при экспериментальной работах и в расчетной практике, благодаря своей простоте и приемлемой точности конечных результатов.
В подводной части корпуса судна имеются выступающие части (скуловые кили, рудерпост, кронштейны, шахты лага, эхолота), которые создают дополнительное сопротивление выступающих частей Rвч.
Движение судна происходит не только в водной, но и в воздушной среде. Поэтому для него полное сопротивление включает также воздушное (аэродинамическое) сопротивление Rвозд надводной части судна, которое по своей природе является вязкостным. Однако при движении судна в безветренную погоду доля Rвозд очень не велика по сравнению с сопротивлением воды и его можно не принимать во внимание (это объясняется прежде всего тем, что плотность воздуха примерно в 800 раз меньше плотности воды). При наличии ветра достаточной силы роль Rвозд резко возрастает, и оно подлежит учету (§10.6).
Таким образом, в развернутой форме буксировочное сопротивление (полное сопротивление) судна может быть представлено в виде следующей суммы его отдельных составляющих:
Доля различных составляющих полного сопротивления зависит от относительной скорости судна, которая выражается числом Фруда Fr = v / . Суда, у которых Fr 0,35, называются быстроходными. Промысловые суда при таких режимах не плавают.
У тихоходных судов основную долю полного сопротивления (около 80%) составляет сопротивление трения (рис.91). У среднескоростных и быстроходных судов, наоборот, растет доля остаточного сопротивления (сопротивлений формы и волнового), которое дости-
гает 50 65% полного. Поэтому при проектировании тихоходных судов особое внимание обращают на уменьшение сопротивления трения, а при проектировании среднескоростных и быстроходных, на
уменьшение сопротивления формы и волнового сопротивления.
В соответствии с общей формулой для гидродинамических сил (§2.4) сопротивление воды движению судна, можно представить:
где ζ- безразмерный коэффициент полного сопротивления;
ζт - коэффициент сопротивления трения;
ζф - коэффициент сопротивления формы;
ζв- коэффициент волнового сопротивления;
ζвч - коэффициент сопротивления выступающих частей;
ρ - плотность воды;
Ω - площадь смоченной поверхности корпуса судна.
Каждой скорости хода отвечает определенное значение коэффициента сопротивления. Основной задачей при расчетах сопротивления воды движению судна является определение основных составляющих коэффициента сопротивления ζ, так как геометрические характеристики судна и скорость его при таких расчетах задаются.
элементов теоретического сопротивления от числа Фруда
чертежа (КЭТЧ) в функции
от осадки судна.
При наличии теоретического чертежа площадь Ω для заданной осадки судна можно вычислить по методу трапеций:
где li - полупериметры погруженных теоретических шпангутов; n - число шпангоутов ; L - длина судна.
При отсутствии таких данных пользуются приближенными зависимостями. Для промысловых судов используют формулы Мумфорда с коэффициентами С.П.Мурагина:
Ω = Ld (1,36 + 1,13δ ),
и В.А.Семеки: Ω = Ld (1,97 + 1,37(δ – 0,274) ).
Сопротивление трения
Сопротивление трения судна есть результирующая сила, обусловленная касательными напряжениями на смоченной поверхности корпуса, в проекции на направление v скорости судна.
При определении сопротивления трения судна, принято разделять на сопротивление трения гидродинамической гладкой поверхности корпуса Rтп и сопротивление, обусловленное его шероховатостью Rш.
где ζтп - коэффициент сопротивления трения гидродинамической гладкой поверхности корпуса;
ζш - коэффициент шероховатости поверхности корпуса (надбавка на шероховатость).
При определении коэффициент ζтп принимают, что
где -коэффициент учитывающий кривизну корпуса;
ζтгп- коэффициент сопротивления трения гидродинамической гладкой эквивалентной пластины.
Под эквивалентной пластиной понимается плоская тонкая прямоугольная пластина, длина которой равна длине судна, а поверхность - смоченной поверхности корпуса. Пластина располагается вдоль потока и обтекается со скоростью, равной скорости судна. Характер течения жидкости в пограничном слое пластины соответствует режиму свойственному судну.
Гладкая поверхность корпуса отличается от гладкой эквивалентной пластины кривизной, которая учитывается с помощью коэффициента . Коэффициент зависит от отношения L/В. При изменении L/В от 4 до 10 значения лежат в пределах 1,02 1,05, т.е.
коэффициент сопротивления гидродинамически гладкого корпуса мало отличается от коэффициента сопротивления пластины.
Поскольку сопротивление трения обусловлено вязкостью жидкости, коэффициент ζтп зависит от числа Рейнольдса. Для турбулентного потока, характерного для движения промысловых судов, коэффициент сопротивления гладкой поверхности корпуса можно подсчитать по формуле Прандтля-Шлихтинга:
ζтп = 0,455 (lg Re) -2,58
Число Рейнольдса Re = vL /ν рассчитывается при заданной скорости судна v и коэффициенте кинематической вязкости ν, который может быть принят равным 1,57·10 -6 м 2 /с для стандартной температуры воды 4 0 С. Для промысловых судов коэффициент ζтп составляет 1,5 2,3·10 -3 .
Влияние шероховатости учитывается коэффициентом шероховатости ζш. Различают общую и местную шероховатость поверхности корпуса.
Общая шероховатость обусловлена достаточно равномерно распределенными по поверхности корпуса неровностями, величины которых зависят от материала поверхности и качества ее обработки, от вида покрытия способа и условий его нанесения. В процессе плавания судна общая шероховатость увеличивается из-за разрушения покрытия (в частности, окраски), коррозии и обрастания поверхности корпуса.
Местная шероховатость обусловлена местными неровностями и выступами или впадинами, которые отстоят друг от друга на большом по сравнению с их размерами расстоянии (сварные швы, козырьки обтекателей, решетки забортных отверстий и т.п.). Для судов со сварной обшивкой, имеющих средние и малые относительные скорости ζш = (0,3 0,6) ·10 -3 . Большие значения коэффициента шероховатости ζш характерны для небольших судов.
Примерно 60% надбавки на шероховатость составляет сопротивление от окраски наружной обшивки; 20% - сопротивление сварных швов;15% - вырезов и ниш и 5% - волнистости на поверхности. После года эксплуатации за счет коррозии корпуса, надбавка на шероховатость увеличивается в 3 4 раза, что приводит к увеличению сопротивление трения судна на 30%.
Сопротивление формы
Сопротивление формы есть составляющая полного сопротивления, которая обусловлена превышением силы суммарного гидродинамического давления на носовую смоченную поверхность корпуса судна по сравнению с кормовой за счет влияния вязкости воды.
Причины возникновения и физическая сущность сопротивления формы могут быть объяснены следующим образом. При обтекании судна потоком жидкости давление в ней падает от носа до миделя и нарастает от миделя в корму. В области отрицательного градиента давления, т.е. от носа до миделя, частицы жидкости движутся с положительным ускорением. В области мидель-шпангоута скорость частиц достигает максимального значения, и в потоке устанавливается минимальное давление. Далее, от миделя в корму движение происходит против возрастающего давления, т.е. с отрицательным ускорением. Если бы жидкость была идеальной (невязкой), то переход энергии давления потока в кинетическую энергию и обратный ее переход в энергию давления, совершался без потерь и запаса кинетической энергии частиц хватило бы для преодоления противодавления на пути от миделя в корму и каждая частица достигла бы ахтерштевня (рис.92). В условиях же реальной жидкости при движении частиц внутри пограничного слоя затрачивается дополнительная энергия на преодоление сил вязкостного трения.
У частиц движущихся внутри пограничного слоя вблизи поверхности судна на малых скоростях, мал запас кинетической энергии, который может быть недостаточным для преодоления положительного градиента давления при движении их от миделя в корму. В результате некоторые частицы под действием возрастающего давления могут начать двигаться в обратном направлении, т.е. против набегающего потока. Такой обратный поток оттесняет пограничный слой от поверхности корпуса (рис.93). Точку А, в которой начинается это оттеснение, называют точкой отрыва пограничного слоя. Отрыв пограничного слоя с образованием вихрей искажает картину обтекания судна в его кормовой части по сравнению с той, которая наблюдалась бы при обтекании идеальной жидкостью. Давление в кормовой части судна уменьшается и, следовательно, появляется результирующая нормального давления, направленная в сторону, противоположную движению судна. Эта результирующая и является сопротивлением формы судна.
 |  |
Рис.92. Эпюра давлений при Рис.93. Изменение давления
обтекании корпуса идеальной (I) в пограничном слое
и реальной(вязкой) (II) жидкостью.
Суда имеющие хорошо обтекаемую форму, обтекаются потоком без отрыва пограничного слоя и образованием сосредоточенных вихрей. Пограничный слой плавно сходит с кормовой оконечности, превращаясь в гидродинамический след. Сопротивление формы в данном случае обусловлено только потерей части энергии потока на преодоление сил вязкости в пограничном слое.
Снижение сопротивления формы судов достигают путем уменьшения коэффициента общей полноты, улучшая плавность обводов и отрабатывая форму кормовой оконечности.
Сопротивление формы можно определить по известной формуле:
где ζф - коэффициент сопротивления формы.
Расчет по приведенной формуле имеют малую степень точности и поэтому используют крайне редко. Основным способом определения сопротивления формы являются испытания модели судна в опытовом бассейне. При обработке результатов таких испытаний коэффициент ζф обычно определяется в совокупности с коэффициентом волнового сопротивления ζв.
Волновое сопротивление
При движении судна на поверхности воды возникают волны, которые являются причиной появления волнового сопротивления. Возникновение волн обусловлено в основном весомостью воды и мало зависит от ее вязкости. Из рассмотрения характера распределения гидродинамических давлений по длине корпуса при движении судна (рис.94) видно, что давление в оконечностях выше, чем давление в невозмущенной области, а в средней части - ниже. Это является при-
чиной деформации свободной поверхности воды, так как давление на ней всегда равно атмосферному. В районе носа и кормы повышенное давление вызывает местное повышение уровня воды, а пониженное давление в средней части корпуса - понижение его. Такая деформация дает начало колебаниям воды под действием сил тяжести, которые наблюдаются в виде судовых волн двух групп - носовой и кормовой.
Рис.94. Схема образования Рис.95. Схема расходящихся
судовых волн и поперечных волн
Каждая из этих групп разделяется в свою очередь на две системы волн - расходящихся (с короткими гребнями) и поперечных (рис.95). Гребни расходящихся волн носовой и кормовой групп располагаются по обоим бортам судна в эшелонном порядке, и если соединить их середины, то получаются практически прямые линии, направленные под углом α = 18 20 0 к ДП судна. Каждый гребень расходящихся волн составляет с ДП угол β = 2α. Поперечные волны располагаются между расходящимися волнами по нормали к ДП судна. Носовая поперечная волна возникает несколько позади форштевня и начинается с вершины. Кормовая поперечная волна возникает в районе кормовой оконечности судна и начинается с впадины (рис.22). Длина гребня каждой последующей поперечной волны больше, чем предыдущей, а высоты волн соответственно уменьшаются. Носовая группа волн обладает большей интенсивностью - уровень воды в носовой оконечности судна поднимается на большую высоту и этот подъем распределяется на большей площади, чем в кормовой оконечности. При относительной скорости судна Fr 2 ,
где v - скорость судна, м/с.
Из данной формулы видно, что с изменением скорости судна меняется длина волны. Поэтому может оказаться, что при некоторых скоростях судна может получиться совпадение фаз, когда гребни носовых волн накладываются на гребни кормовых, в результате чего за кормой судна образуется волны увеличенной высоты (неблагоприятная интерференция). При других скоростях происходит частичное гашение носовыми поперечными волнами кормовых волн (благоприятная интерференция), что приводит к уменьшению волнового сопротивления. Благоприятным в отношении волнового сопротивления скоростям соответствуют впадины на кривой (рис.96) ζв (Fr). Для достижения благоприятной интерференции волн на скорости полного хода на некоторых судах сужают носовые обводы в районе ватерлинии с одновременным вытягиванием вперед в виде бульба погруженной части оконечности.
Волновое сопротивление определяется по формуле
где ζв - коэффициент волнового сопротивления.
Теоретическое определение коэффициента волнового сопротивления ζв связано с трудоемкими и сложными вычислениями, поэтому чаще используют экспериментальный метод. В результате модельных испытаний проводимых в опытовом бассейне определяется коэффициент ζв обычно в совокупности с коэффициентом сопротивления формы ζф. Коэффициент волнового сопротивления (рис.96) зависит от числа Фруда Fr = v / . Как следует из графика ζв = ζв (Fr), при Fr = 0,35 0,50волновое сопротивление Rв наибольшее и является одной из главных составляющих полного сопротивления судна (40 60%). При уменьшении числа Фруда, Rв уменьшается и при Fr
Читайте также: