海洋工程基礎(chǔ)第六章

1、海洋工程基礎(chǔ)第六章 浮體和潛體的水動力性能1、 術(shù)語2、 船體幾何形狀3 、水靜力學(xué)和穩(wěn)性4 、阻力和推進(jìn)5、 浮筒（標(biāo)）系統(tǒng)一.術(shù)語 術(shù)語：術(shù)語（terminology）是在特定學(xué)科領(lǐng)域用來表示概念的稱謂的集合，在我國又稱為名詞或科技名詞（不同于語法學(xué)中的名詞）。術(shù)語是通過語音或文字來表達(dá)或限定科學(xué)概念的約定性語言符號，是思想和認(rèn)識交流的工具。它具有專業(yè)性、科學(xué)性、單義性、系統(tǒng)性等基本特征。 我們分析、設(shè)計(jì)的海洋結(jié)構(gòu)物包括固定式、浮式和下潛式海洋系統(tǒng)。船舶結(jié)構(gòu)系統(tǒng)要求船舶具有一種能幫助船舶穿越海洋的推進(jìn)手段。數(shù)十年來，船舶的設(shè)計(jì)分析，一直是由造船工程師完成的。海軍在全世界的海洋中駕駛著軍艦和

2、其他帶推進(jìn)裝置的船艇。與船舶設(shè)計(jì)有關(guān)的術(shù)語與陸上建筑物在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中所使用的術(shù)語完全不同。其中某些術(shù)語也用于海洋工程。術(shù)語-2表6-1 船舶術(shù)語詞語定義船首（Bow）船體的前端部船寬（Beam）船舶最寬處的最大寬度首樓（Forecastle）船舶主甲板以上的前部左舷（Port）面向船首時(shí)的艦船左側(cè)右舷（Starboard）面向船首時(shí)的艦船右側(cè)甲板建筑（Topside）船舶主甲板以上部分橫向（Athwartship）從船舶一舷到另一舷艙壁（Bulkhead）艙室的墻壁船尾（Stern）船體的后端部表6-2 船舶工程和海洋工程中使用的術(shù)語符號符號定義排水體積質(zhì)量排水量AP尾垂線FP首垂線B,CB浮心

3、BM浮心到穩(wěn)心之間的距離GM重心到穩(wěn)心之間的距離I慣性矩WL水線二.船體幾何形狀 船體幾何形狀的基本圖形表示方法是型線圖。型線圖是船舶設(shè)計(jì)、計(jì)算和建造的重要依據(jù)，因而是關(guān)系到船舶全局的一張圖紙。一張型線圖包括橫剖線圖，縱剖線圖和半寬水線圖。橫剖線圖沿船長方向平行于中站面，取21個（或更多些，也有的取11個）等間距的橫剖面，把船長等分為20個間距（稱為站距）將各橫剖面所截得的船體型表面曲線（稱為橫剖線）均投影到中站面上，即得橫剖線圖。縱剖線圖沿船寬方向平行于中線面，取若干個縱剖面，將各剖面所截得的船體型表面曲線（稱為縱剖線）均投影到中線面上，即得縱剖線圖半寬水線圖沿吃水方向平行于基平面，取若干個

4、等間距的水平剖面，將各水平剖面所截得的船體型表面曲線（稱為水線）均投影到同一個水平面上，即得半寬水線圖。由于船體左右對稱，每一水線只需畫出半邊即可，故稱為半寬水線圖。此外半寬水線圖上還需畫出上甲板邊線，首尾樓甲板邊線和舷墻頂線等的水平投影，以反映出它們的俯視輪廓。船舶主尺度 總長LOA ：自船首最前端至船尾最后端的水平距離. 垂線間長Lpp：首垂線FP與尾垂線AP之間的水平距離。一般情況下，如無特別說明，習(xí)慣上所說的船長 常指垂線間長。 設(shè)計(jì)水線長LWL：設(shè)計(jì)水線在首柱前緣和 尾柱后緣之間的水平距離。 型寬B：指船體兩側(cè)型表面（不包括船體外板厚度）之間垂直于中線面的水平距離。 型深D：在上甲板

5、邊線最低點(diǎn)處，自龍骨上表面（即基線）至上甲板邊線的垂直距離。 吃水d：基線至設(shè)計(jì)水線的垂直距離，有些船，設(shè)計(jì)的首位尾常吃水不同，則有首吃水、尾吃水及平均吃水。2FAddd船舶主尺度三.水靜力學(xué)和穩(wěn)性 浮體和潛體的水靜力學(xué)特性，是根據(jù)阿基米德定律來確定的。阿基米德定律指出：一個浸沒于液體中的物體所受到的浮力等于該物體所排開的液體的重量。因而，船舶的重力向下（正比于船舶的重量）；而船舶所受到的浮力方向向上（正比于船舶所排開的液體的質(zhì)量），與重力平衡。 船型系數(shù)方形系數(shù)CB船體水線以下的型排水體積與由船長L、型寬B、吃水d所構(gòu)成的長方體體積之比，它的大小表示船體水下體積的肥瘦程度。CLBD水線面系數(shù)

6、CWP：與基平面相平行的任一水線面的面積AW與由船長L、型寬B所構(gòu)成的矩形面積之比，它的大小表示水線面的肥瘦程度。ww pACBL中橫剖面系數(shù)CM：中橫剖面在水線以下的面積AM與由型寬B、吃水d所構(gòu)成的矩形面積之比，它的大小表示船體水下體積的肥瘦程度。MmACBd棱形系數(shù)CP：船體水線以下的型排水體積與由相對應(yīng)的中橫剖面面積AM、船長L所構(gòu)成的棱柱體體積之比，它的大小表示排水體積沿船長方向的分布情況。CP又稱縱向棱形系數(shù)。BPMMMCCA LC BdLC垂向棱形系數(shù)CVP：船體水線以下的型排水體積與由相對應(yīng)的水線面面積AW、吃水d所構(gòu)成的棱柱體體積之比，它的大小表示排水體積沿吃水方向的分布情況

7、。BVPWWPWPCCA dCLBdC靜穩(wěn)性 潛體和浮體的穩(wěn)性通常分為靜穩(wěn)性和動穩(wěn)性。 船舶在外力作用下偏離其平衡位置而傾斜，當(dāng)外力消失后，能自行回復(fù)到原來平衡位置的能力，稱為船舶穩(wěn)性?；蛘哒f船舶穩(wěn)性是船舶在外力作用消失后保持其原有位置的能力。 浮體和潛體通常都是剛體。對平衡狀態(tài)而言，作用于船舶的所有力及力矩的總作用應(yīng)為零。浮體的靜態(tài)平衡狀態(tài)是指該物體在靜止的水面上處于直立（正浮）狀態(tài)。這就是說，所有向下的重力的合力與所有向上的浮力的合力應(yīng)大小相等，并作用在同一垂直線。GB浮體與潛體的三種穩(wěn)性狀態(tài) 浮體與潛體的3種穩(wěn)性狀態(tài)分別是穩(wěn)定狀態(tài)、中性狀態(tài)和不穩(wěn)定狀態(tài) 穩(wěn)定狀態(tài)：如果船舶受到外力或者外力

8、矩的作用而改變浮態(tài)，當(dāng)該外力或外力矩移去后，船舶仍能回復(fù)到原先的平衡狀態(tài)，這時(shí)就稱船舶處于穩(wěn)定狀態(tài)中性狀態(tài)：如果一個外力或外力矩作用于船體，并改變了其傾斜狀態(tài)，當(dāng)該外力或外力矩離開船體時(shí)，船舶仍停在其改變的位置時(shí)，該狀態(tài)就稱為中性狀態(tài)不穩(wěn)定狀態(tài)：如果外力或外力矩作用于船體，是船體的浮態(tài)發(fā)生了變化，當(dāng)該外力或外力矩消失時(shí)，船的浮態(tài)位置仍然繼續(xù)改變（即船舶從正浮到傾覆）的狀態(tài)，就稱為不穩(wěn)定狀態(tài)。浮體的穩(wěn)心及初穩(wěn)性 船的重量在傾斜前后沒有變化，船的重心保持在原來的位置，故船的排水體積大小也沒有變化。但由于水線位置的變化，船體水下體積形狀已發(fā)生變化故浮心由原來的B點(diǎn)移到B1點(diǎn)。 穩(wěn)心M：通過新的浮心B

9、1畫一條垂線，將于通過原浮心位置所畫的垂線相交，這兩條垂線的交點(diǎn)就是穩(wěn)心。 由于浮心由B點(diǎn)移至點(diǎn)，此時(shí)重力W的作用點(diǎn)G和浮力的作用點(diǎn)不在同一鉛錘線上，因而產(chǎn)生了一個復(fù)原力矩MR。sinRMGZGM 為復(fù)原力臂， 為初穩(wěn)性高 G ZGM當(dāng)傾斜角度較小時(shí)sin故公式可寫為RMGM 重心G在穩(wěn)心M之下，MR的方向與橫傾方向相反，當(dāng)外力消失后，它能使船舶回復(fù)到原來的平衡狀態(tài)，所以稱為穩(wěn)定平衡。 重心G在穩(wěn)心M之上，MR的方向與橫傾方向相同，它使船舶繼續(xù)傾斜而不再回復(fù)至原來的平衡狀態(tài)，所以稱為不穩(wěn)定平衡。 重心G和穩(wěn)心M重合，當(dāng)外力消失后，船不會回復(fù)到原來位置，也不會繼續(xù)傾斜，稱為中性平衡或者隨遇平衡。

10、潛體的穩(wěn)性和穩(wěn)定狀態(tài)潛體傾斜某一角度后，其重量W和重心G的位置沒有變化，排水體積的形狀及浮心B的位置也沒有變化，因此它的穩(wěn)定性完全取決于浮心B和重心G的相對位置之間的關(guān)系。 重心G在浮心B之下，MR的方向與橫傾方向相反，因而可使?jié)擉w回復(fù)至原來的平衡狀態(tài)，所以稱為穩(wěn)定平衡。 重心G在浮心B之上，MR的方向與橫傾方向相同，因而使?jié)擉w繼續(xù)傾斜而不再回復(fù)到原來的平衡狀態(tài)，所以稱為不穩(wěn)定平衡。 重心G和浮心B重合，MR=0，潛體可平衡于任意位置，稱為中性平衡。由此可見，潛體在水下狀態(tài)時(shí)的重心G必須在浮心B之下，才能得到穩(wěn)性的保證。至于潛體在水面航行的穩(wěn)性問題，其基本原理與水面浮體相同。四.阻力和推進(jìn) 阻

11、 力TPFRRR船舶在航行過程中會受到流體（水和空氣）阻止它前進(jìn)的力，這種與船體運(yùn)動相反的作用力稱為船的阻力。阻力通常分布于船的整個濕水表面。對潛體來說，總阻力是壓力和合力與分布于船濕表面的剪應(yīng)力之和。所以，總阻力RT是總的壓阻力RP與表面摩擦阻力RF的和。記為：TPFWRRRR對于航行于空氣水界面的水面艦船還要加上包括興波阻力在內(nèi)的復(fù)雜情況。在這種情況下，總阻力還必須包括興波阻力RW，記為：摩擦阻力 水為具有黏性的液體。船體與水接觸，就會有一部分水黏附在船體上。當(dāng)船舶航行時(shí)，船體表面與水摩擦形成摩擦阻力。 摩擦阻力的大小除與水的黏性有關(guān)外，還與船體水下濕表面積的大小、表面的光滑程度以及航速有

12、關(guān)。 對于低速船，摩擦阻力占總阻力的比例較大。對于高速船，摩擦阻力占總阻力的比例大約為50%。興波阻力 水波阻力的形成可以理解為，由于船舶的運(yùn)動產(chǎn)生波浪，使周圍水對船體的壓力發(fā)生了變化，這些壓力在船長方面的分力的合力就是興波阻力。興波阻力與速度的平方成正比 從能量觀點(diǎn)看，船體掀起的波浪具有一定的能量，這能量必然由船體供給。由于船體運(yùn)動過程中不斷產(chǎn)生波浪，也就不斷耗散能量，從而形成興波阻力。 對于低速船，興波阻力成分較小，對于高速船興波阻力將增加至40%50%。首散波首散波尾散波尾散波大型海船采用球鼻首來降低興波阻力，目的是為了制造有利干擾。減少首部興波高度，降低興波阻力。合成興波合成興波船首波

13、船首波球首興波球首興波阻力 對于一艘船舶，其無因次阻力系數(shù)定義為：212TTRCU ATPFWCCCC212PPRCU A212FFRCU A212WWRCU A式中 是動壓力；A是船體的特征面積?？傋枇奖磉_(dá)成無因次式為：212UA式中，CP是壓力系數(shù)，而CF是表面摩擦系數(shù)，CW是興波阻力系數(shù)表示為：阻力 對于肥鈍型物體如：球體、圓柱體或與流向垂直的盤面，邊界層將在物體的后部分分離，產(chǎn)生一個很大的伴流，從而導(dǎo)致巨大的壓力阻力，因此壓力系數(shù)CP和表面摩擦系數(shù)CF大很多。當(dāng)物體是流線型時(shí)，邊界處呢個在接近尾部處分離，或者根本不發(fā)生分離，這時(shí)表面摩擦阻力占主導(dǎo)地位。 要確定船體所受到的總阻力RT

14、是十分困難的，因?yàn)樵谧枇ο禂?shù)CT、雷諾系數(shù)Re和傅汝德數(shù)Fr之間沒有通用的關(guān)系。雷諾數(shù)是慣量與粘性力的比值。傅汝德數(shù)是慣量和重力的比值。Re/ULv/FrUgLL是物體長度，速度U，水的運(yùn)動粘性系數(shù) vv推進(jìn) 船舶靠某種形式的推進(jìn)裝置產(chǎn)生動力，克服船舶阻力，從而在流體介質(zhì)中前進(jìn)。在前期，推力是靠風(fēng)帆和槳來產(chǎn)生。后來又以蒸汽為能源來驅(qū)動推進(jìn)器?，F(xiàn)在，更常用的用于驅(qū)動推進(jìn)器的能源是柴油、汽油或天然氣 在船上需要設(shè)有專門的裝置或機(jī)構(gòu)，把能源（如人力、風(fēng)力、以及各種形式的發(fā)動機(jī)）發(fā)出的功率轉(zhuǎn)換為船舶前進(jìn)的功率，即推進(jìn)器。螺旋槳推進(jìn)器優(yōu)點(diǎn)：可靠，簡單有效 。缺點(diǎn)：空泡限制了性能最常用的推進(jìn)器風(fēng)帆推進(jìn)器優(yōu)

15、點(diǎn)：自然力缺點(diǎn)：無風(fēng)時(shí)效率低用于體育運(yùn)動和娛樂明輪優(yōu)點(diǎn)：有效缺點(diǎn)：需要低速發(fā)動機(jī)與蒸汽動力一起使用對于一股穩(wěn)定流過螺旋槳的流體可用一薄的驅(qū)動盤面來代替螺旋槳。流過盤面的流體假定接受了一突然增加的壓力，而流體的軸向速度保持連續(xù)盤面所生成的推力的大小，可通過計(jì)算機(jī)流體的軸向動量的變化來確定。在圖6-10中說明了敞水中相對于驅(qū)動盤面的流體情況。盤面以恒定的速度Va向前進(jìn)，該速度被稱為進(jìn)速，平行于旋轉(zhuǎn)軸假設(shè)流體固定不動、密度不變、非粘性并且無限延伸又假設(shè)推進(jìn)盤面對流過的流體均勻加速，因?yàn)楸P面上產(chǎn)生的推力也是均勻的。相對于盤面的軸向速度從遠(yuǎn)離盤面的上游的流體速度Va增加到盤面處的Va（1+a），再增加到遠(yuǎn)離盤面的下游流體的速度Va（1+b），a稱為軸向進(jìn)流因子。如圖6-10所示，盤面上游流體的均勻壓力為p，而盤面下游流體的壓力為p+p。根據(jù)伯努利定律，在上游處和驅(qū)動盤面的上游面之間將是：22011(1)22aapVpVa22011(1)(1)22aappVapVb21(2)2pbb Va下游面：21(2)2TApAbb Va盤面上的推力：模型螺旋槳被置于其在船模中應(yīng)處的位置，然后轉(zhuǎn)矩、推力進(jìn)速、槳徑、旋轉(zhuǎn)速度、流體密度和其粘性系數(shù)、壓力