船舶阻力與船舶推進4

1、四、船型對阻力的影響及阻力其它第一部分：主要知識點一、船型對阻力影響的基本概念1、影響船體阻力的因素：航速、船型和外界條件。2、船型參數(shù)主要指表征船體水下部分的特征參數(shù)和幾何形狀。影響阻力的主要船型參數(shù)一般為主尺度比、船型系數(shù)和船體形狀等（各參數(shù)不一定相互獨立）。3、優(yōu)良船型的含義：船型對阻力性能的影響是與船速密切聯(lián)系的，在不同速度范圍內(nèi)，船型參數(shù)對阻力的影響不僅程度上不同，甚至還有本質(zhì)上的差別，因此，所謂阻力性能優(yōu)良的船型是對某一定速度范圍而言。換句話說，優(yōu)良的船型將隨速度而異，低速時阻力性能良好的船型，在高速時可能反而不佳。由此可以推斷：對于不同速度范圍內(nèi)的船舶說來，影響船體阻力的主要船型

2、參數(shù)應(yīng)該是不同的。為此，在船舶設(shè)計過程中考慮參數(shù)選擇的出發(fā)點不應(yīng)完全相同。 二、船舶分類及其主要阻力成分1、按照傅汝德數(shù)將各類船舶分為：低速船(Fr)、中速船(Fr)和高速船(Fr)。2、主要阻力成分各種阻力成分在總船體阻力中所占比重對不同傅汝德數(shù)的船是不相同的。對于低速船來說，摩擦阻力占船體阻力的7080，粘壓阻力約為10左右，而興波阻力成分很?。粚τ诟咚俅?，摩擦阻力約占船體阻力的4050，而興波阻力可達50左右，粘壓阻力僅占5左右。1）低速船航速較低，興波阻力很小，其總阻力中摩擦阻力與粘壓阻力占主要成分，因此在設(shè)計這類船舶時，重點在于減小摩擦阻力和粘壓阻力。摩擦阻力主要決定于船體的濕面積，

3、因而這類船的形狀比較肥短，其目的是為了獲得較小的船體濕表面積以減小摩擦阻力。但是這類船易于產(chǎn)生旋渦，因此必須注意去流段的設(shè)計，以防止粘壓阻力的增大。2）中速船的航速較低速船有所增大，興波阻力成分隨之增大，故在設(shè)計過程中既要注意減小興波阻力，又要防止其他阻力成分的增長。恰當(dāng)?shù)剡x擇船型參數(shù)以造成首尾波系的有利干擾。船型適當(dāng)?shù)刳呌谑菹?，這樣可以避免產(chǎn)生大量旋渦，有利于減小粘壓阻力。3）高速船的興波阻力是總阻力中的主要成分，有時可達50%以上。設(shè)計中應(yīng)力求減少興波阻力。一般說來，高速船興起的波浪長度都比較長，首尾波系在船尾產(chǎn)生有利干擾的可能性很小，所以在設(shè)計時致力于減小船首波系的波高，因而這類船都比較

4、瘦長，特別是前體更甚，其目的就在于盡可能減小興波阻力。三、船長L對阻力的影響排水量一定時，船長L對阻力的影響可以通過排水量長度系數(shù)（又稱為修長系數(shù)）來體現(xiàn)的。排水量長度系數(shù)：，代表了船舶的瘦長程度，這系數(shù)大者意味著在同樣的長度范圍內(nèi)分布有更多的排水量，或者把同樣的排水量分配在較短的船長范圍內(nèi)，因此表示船體肥而短；相反的該系數(shù)小者表示船體瘦長。1、 對摩擦阻力影響由于濕面積可按S = Cs估算，在參數(shù)Cm，Cp和B/d不變情況下，Cs近似為常數(shù)，因此可認為在排水量一定時，S與L1/2成正比關(guān)系。由此可知，船長增大時，濕面積將隨之增加，而一般說來船長增大時，以致Re增大所引起的摩擦阻力系數(shù)減小是極

5、微的。因此增大船長(或減小)將使摩擦阻力增加。2、 對剩余阻力的影響因為在排水量一定時，增加船長，必定要求B、d同時減小，其L/B增大，所以船型變得較瘦長，這樣對剩余阻力產(chǎn)生的影響反映在兩個方面：一方面，船型瘦長，將使粘壓阻力下降；另一方面，船寬B，吃水d減小，將使興波阻力下降。顯然，在一定時，增加L將使剩余阻力下降相當(dāng)明顯。3、 對總阻力的影響由于在一定時，增長L的結(jié)果使摩擦阻力Rf和剩余阻力Rr產(chǎn)生完全相反的影響，因而對總阻力的影響作用將取決于Rf與Rr兩者增減的數(shù)值而定。但由前知，對于不同航速的船舶說來，Rf和Rr占總阻力的比重是不同的，因而船長對總阻力的影響也將是不同的。1）對低速船R

6、f占總阻力的主要成分，可達總阻力的70%以上，而Rr所占比例較小。當(dāng)排水量一定時，增長L時(即減小)，剩余阻力的減小，但減小值不大。當(dāng)排水量一定時，增長L時(即減小)，摩擦阻力的增大，增大值明顯。因此，增大L，一般總阻力增大。在實用上，低速船的船長盡量取得小些，盡量大些，船型短肥，這不僅從阻力觀點，而且從增大艙容，降低造價等方面來說均有利。2）對高速船Rr占總阻力的比例很大，因此隨著船長增大，即減小，總阻力的變化情況與低速船有所不同，當(dāng)航速Vs一定時：如果船長較短時，Rr很大，因此增大船長，Rr下降相當(dāng)明顯，Rr的減小值大于Rf的增加值，因而總阻力的減小相當(dāng)顯著。隨著船長繼續(xù)增加，或繼續(xù)減小，

7、Rr的下降漸趨緩慢，總阻力的減小趨勢減緩，直至出現(xiàn)對應(yīng)于總阻力最低點的最佳船長Lopt；如果進一步再增加船長，總阻力反趨增大。因為當(dāng)船長增加到一定程度后，Rr并沒有更多的減小，而Rf卻隨之不斷增加，致使總阻力反而變大。注意：在一定航速情況下，在最佳船長附近的一定范圍內(nèi)，其阻力并無多大差異。所以設(shè)計者常選用阻力不過高的最短船長，以便降低船體建造價格。因此，高速船的船型特點是：由于一定范圍內(nèi)增加船長是有利的，所以其較低速船要小得多，故船型顯得比較瘦長，L/B值較大。四、船寬B對阻力的影響船寬對阻力的影響一般是通過寬度吃水比B/d來體現(xiàn)的。寬度吃水比B/d的幾何意義是表征船體的扁平程度。1、對摩擦阻

8、力的影響試驗資料表明，寬度吃水比對濕面積影響并不很敏感。1）當(dāng)B/d = 3.0附近時，船體濕面積最小，摩擦阻力最小。2）一般近似認為在B/d = 2.253.75的實用范圍內(nèi)變化時，B/d對摩擦阻力的影響很小。2、對剩余阻力的影響一般認為B/d減小，剩余阻力趨于減小。3、對總阻力影響B(tài)/d對總阻力將有所影響，但是這種影響作用往往不大。注意：在船舶設(shè)計中B/d的選擇往往不是依據(jù)阻力性能，而是根據(jù)船的穩(wěn)性、布置、航道水深限制等方面的要求予以確定的。 五、棱形系數(shù)的影響棱形系數(shù)Cp是表征船排水體積沿船長方向分布情況的參數(shù)。由定義CpÑ/LAm知，排水體積Ñ 和船長一定時，Cp小

9、者表示排水體積集中于船中部，船首尾兩端較瘦削；Cp大者表示排水體積沿船長方向分布比較均勻，因此船首尾兩端比較豐滿。1、對摩擦阻力的影響當(dāng)船的排水量和長度不變時，由于改變棱形系數(shù)所引起的船形變化對船體濕面積的影響是很小的。一般認為Cp對摩擦阻力的影響可以不予考慮。2、對剩余阻力的影響棱形系數(shù)對剩余阻力的影響是很大的。1）在低速時，即Fr0.18時，雖然棱形系數(shù)小者，剩余阻力亦小，但Cp的影響極??；2）在中等速度，即0.18Fr0.30時，棱形系數(shù)小者，剩余阻力越低；3）在高速時，當(dāng)Fr0.30時，取過分小的棱形系數(shù)并不有利，如取適當(dāng)大的Cp值，其剩余阻力反而小。棱形系數(shù)對剩余阻力的影響，隨航速而

10、發(fā)生變化的原因是與不同航速時的興波情況有關(guān)，現(xiàn)解釋如下：1）低速時，由于興波阻力極小，因而棱形系數(shù)對阻力的影響甚微；2）中速時，船的興波作用主要在船首尾兩端，棱形系數(shù)Cp小者，首尾尖瘦，對減小興波有利。同時，由于在中速情況，首波峰的高壓區(qū)在首端附近，如果船的Cp較小，船首端部比較尖瘦，因而水壓力在運動方向的分量較小，阻力亦小，所以設(shè)計時，選擇較小的Cp值有利。3）在高速時，整個船體均產(chǎn)生較大的興波作用，若排水體積沿船長分布比較均勻，則有利于緩和興波作用。因此取適當(dāng)大的Cp值時，其剩余阻力反而較小。而取過小的Cp是不利的。同時其首波峰位置將隨航速提高而后移至橫剖面面積曲線轉(zhuǎn)折點處，此時取適當(dāng)大的

11、Cp值，有利于減小水壓力在運動方向的分量，將使阻力下降。所以，在實際設(shè)計時，要求取適當(dāng)大的棱形系數(shù)值。3、最佳棱形系數(shù)曲線由上述分析可知，棱形系數(shù)的變化，將改變船型，因而對興波阻力產(chǎn)生不同的影響。由于不同航速時興波情況不同，所以從阻力觀點來看所要求的Cp值是不同的。當(dāng)給定時，每一個Fr有一個對應(yīng)于最小剩余阻力的最佳Cp值。在整個速度范圍內(nèi)可以得出一條最佳棱形系數(shù)曲線，稱為理論最佳Cp曲線。注意：在實際船舶設(shè)計中主要從船舶的使用性和經(jīng)濟性出發(fā)選取棱形系數(shù)值。1）對于低速船一般屬民用船，實用上所取的Cp值遠較理論最佳Cp值要大。這樣阻力值增加不大，但可以得到較大的排水量，提高了船舶的經(jīng)濟效益。2）

12、而對高速軍艦，因照顧到經(jīng)常使用的巡航速度情況下的經(jīng)濟性，所以實際選用的Cp較理論最佳值反而為低。即：實際棱形系數(shù)值均較大，因而船型豐滿；而高速船，其實際最佳Cp較低速船為小，因而其船型較低速船瘦削。六、浮心縱向位置對阻力的影響1、浮心縱向位置的幾何含義在一定的棱形系數(shù)下，浮心縱向位置表征排水體積對于船中分布不對稱的程度，表明了船體前后部分的肥瘦程度。1）浮心離船中越后則表示船尾部越肥，船首部越瘦。2）反之，浮心離船中越前則表示尾部越瘦，船首部越肥。 浮心的縱向位置xc一般用兩柱間長Lbp的百分數(shù)來表達。在船中前為正值，在船中后為負值。2、對阻力的影響1）由于浮心縱向位置的改變，對船體濕面積影響

13、不大，故對摩擦阻力影響很小。2）然而對剩余阻力的影響比較大。前體形狀特別是船首豐滿會使興波阻力增加；船尾豐滿將使粘壓阻力增加。如果浮心縱向位置發(fā)生變化，實質(zhì)是船體的前體形狀和后體形狀將發(fā)生相應(yīng)的變化。因而船體興波阻力和粘壓阻力必然隨之改變。其結(jié)果將對剩余阻力產(chǎn)生一定影響。列表說明如下：浮心位置變化xc：由船中之前 船中之后船體形狀改變船型：首部肥、尾部瘦首部瘦、尾部肥剩余阻力的影響粘壓阻力：由較小變?yōu)檩^大興波阻力：由較大減小3、不同船型的xc選擇由于xc的變化會引起粘壓阻力和興波阻力完全不同的變化，為此應(yīng)該根據(jù)各類船舶的各阻力成分所占的比重不同選取相應(yīng)的xc值：1）低速船：由于興波阻力所占比重

14、較小，應(yīng)注意減小粘壓阻力，所以浮心縱向位置在船中前為宜，使船的去流段瘦一些，以免產(chǎn)生旋渦增加粘壓阻力。2）中速船；由于興波阻力的比重漸趨增加，首部不能過肥，因而浮心位置應(yīng)適當(dāng)移向船中部，這樣使興波阻力不致增加過大。3）高速船：其方形系數(shù)較小，船型比較瘦削，一般不致產(chǎn)生大量旋渦，而且興波阻力占相當(dāng)重要地位，故浮心位置取在船中后為宜，這樣使船首尖瘦，有利于減少興波阻力。七、平行中體長度和位置的影響1、平行中體的概念 對于中低速船，船體長度大致分為三段：進流段、平行中體和去流段。平行中體是指在船體中部附近與船中橫剖面完全相同的一段船體。采用平行中體的意義表現(xiàn)在： 經(jīng)濟性：采用平行中體可以簡化施工工藝

15、，降低造價； 實用性：增加艙容，滿足船的載重量要求；阻力性能：采用適當(dāng)?shù)钠叫兄畜w，有時對提高阻力性能是有利的。2、平行中體對阻力的影響在排水體積一定的情況下，適當(dāng)?shù)卦O(shè)置平行中體可使船首尾兩端尖瘦。1）在中低速情況下，對減小興波阻力和粘壓阻力均有利，這是對阻力性能有利的一面。但由于平行中體的存在，船的前體(進流段)和后體(去流段)與平行中體之間將形成“前肩”和“后肩”，易于產(chǎn)生肩波和旋渦，這是對阻力性能不利的一面。對于中低速船來說，只要平行中體長度并不過長，一般來說，對阻力性能是有利的。因此，一般中低速貨船均設(shè)有平行中體，其長度選取必須考慮不使阻力性能惡化的最佳長度。 2）對高速船，如果設(shè)置平行

16、中體，必然使船首過分瘦削，水線成為S形，這樣在較高航速時，首部波浪水壓力的水平分量將增大，因而阻力增大。同時，由于高速時產(chǎn)生的肩波系和肩部附近的嚴重旋渦將使阻力性能惡化。所以高速船均不采用平行中體方案。八、球鼻首對阻力的影響安裝球鼻船首在不同情況可以減小不同的阻力成分：1、對于中高速船減小興波阻力對于Fr在0.270.34之間的中高速船，安裝球鼻船首可以降低興波阻力。如球鼻的大小和位置選擇適當(dāng)?shù)脑?，則在一定速度范圍內(nèi)，球鼻船首產(chǎn)生的波系與船體波系可能發(fā)生有利干擾作用，合成波的波高將降低，興波阻力將下降。2、對于低速船滿載時減小舭渦阻力對于航速在Fr0.20以下的肥大型船在滿載航行時常常會產(chǎn)生埋

17、首現(xiàn)象。這是由于船首底部發(fā)生大量旋渦，并在該處形成低壓區(qū)以致使船首下沉。其結(jié)果消耗能量，增大阻力。安裝球鼻船首，在低速時可使水流近于徑向?qū)ΨQ流動，船首底部不產(chǎn)生旋渦運動，從而達到降低阻力和減小埋首現(xiàn)象的目的。3、對于低速船壓載時減小破波阻力對于一些低速肥大型船舶在壓載狀態(tài)時，首部水流情況惡化，所以破波阻力相當(dāng)明顯。加裝球鼻船首后，使首部船體前伸，該處橫剖面面積曲線的坡度和首部水線進角減小，大大改善了船首柱附近的壓力分布，因而緩和了船首破波情況，從而降低了破波阻力。九、方尾對阻力的影響1、它的尾部縱剖線坡度緩和近于直線。這樣可使水流大致沿縱剖線方向流動，減少高速水流的扭轉(zhuǎn)和彎曲程度，從而可減少能

18、量損失，可改善阻力性能。2、更重要的是，高速水流沿著方尾邊緣一直延伸到尾后相當(dāng)?shù)木嚯x處，其作用相當(dāng)于增加了船體的有效長度，這樣摩擦阻力并未增加，但對減小剩余阻力是有利的。（方尾的這種作用通常稱為虛長度作用。）3、此外，由于方尾的尾部排水體積較大可以減小航行過程中的尾傾現(xiàn)象，從而使尾部產(chǎn)生的“雞尾流”波浪情況得到改善。綜上所述，對于高速艦艇采用方尾可以得到較小的阻力，有利于提高航速。除了阻力性能外，方尾還具有結(jié)構(gòu)簡單，較好的回轉(zhuǎn)性，以及對螺旋槳等有良好的保護作用等好處。注意：高速艦艇一般采用方尾。十、雙尾船節(jié)能的原理能提高推進效率，總阻力增加不大，甚至幾乎無甚增加。雙尾船型與常規(guī)雙槳船相比，在阻

19、力和推進性能方面均有一定的特點：1）從阻力觀點看（1）雙尾船型的單個尾體寬度約為整個船寬的40%60%，因而相當(dāng)于增大了長寬比，特別是后體變得較瘦削，有利于降低粘壓阻力。（2）同時，采用雙尾船型后，后體相當(dāng)于“分解”成較瘦削的三部分，因而最大剖面位置可以后移，增長了進流段，必將有利于改善船首的興波情況。（3）此外，采用雙尾船型，雖然尾部濕表面積較常規(guī)雙槳船有所增大，但其附體阻力較后者有明顯的下降。綜上諸因素，可以說明采用雙尾船型的總阻力并不比常規(guī)雙槳船增大的原因。2）從推進觀點看由于將螺旋槳置于兩個尾體之后，所處的摩擦伴流較大，且又能得到充分的供水，因而可望獲得較高的推進效率。有關(guān)推進試驗結(jié)果

20、表明：尾部設(shè)計成雙尾型后，伴流分數(shù)增大，推力減額下降，與相應(yīng)的雙槳船相比，其推進效率確有提高。（此點需結(jié)合以后學(xué)習(xí)船舶推進知識理解）注意：雙尾一般用于淺吃水船或超淺吃水船。十一、限制航道中的阻力簡介1、限制航道的概念深水航道：航道邊界不受限制的情況稱為深水航道。限制航道：有邊界限制的航道。限制航道可分為：僅水深受限制的淺水航道和深度及寬度都受限制的狹窄航道兩種情況。應(yīng)該指出的是限制航道的概念不是絕對的，實際上任何航道都有邊界。這里主要視其對船舶阻力是否產(chǎn)生影響而定。航道對阻力的影響主要取決于航道的深度、寬度和船的尺度、航速之間的相對情況。2、回流速度淺水航道中航行的船舶，當(dāng)流體流經(jīng)船體時，由于

21、船體曲率的影響，除船首尾兩端部外，船體周圍水的流速將較來流速度有所增大，設(shè)其平均增量為 1，1與船速方向相反，稱為回流速度或簡稱回流。3、淺水阻塞效應(yīng)：由于淺水對流場影響使回流速度增大的現(xiàn)象稱為淺水阻塞效應(yīng)。4、淺水中航態(tài)變化 船舶在淺水中航行時，淺水對船體周圍流場產(chǎn)生影響的同時，將伴隨有航態(tài)發(fā)生變化： 1）由于船底流速增加，壓力降低，從而使船體下沉，吃水增加。2） 由于船底和河床邊界層厚度均自船首向船尾逐漸增加，因而船尾與河床的間隙較船首處為小，流速增加更大，壓力下降更甚，船尾下沉較船首大，因而產(chǎn)生尾傾現(xiàn)象。 5、淺水效應(yīng)：船舶在有限水深中航行時，由于水淺，而使水與船體的相對速度增大。同時，對船體興波情況亦將產(chǎn)生影響，以致使船的航態(tài)和阻力性能等均發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為淺水效應(yīng)。第二部分：歷屆真題1、阻力性能優(yōu)良的船型的含義。2、低、中和高速船是怎樣定義的？在各類船舶中，主要的船體阻力主要成分分別是什么？3、影響阻力的船型參數(shù)主要是主尺比、船型系數(shù)和船體形狀。4、什么排水量長度系數(shù)（瘦長系數(shù)）？簡述在排水量一定的條件下，船長的變化對阻力的影響。（重點）5、排水量一定時，增加船長則（ D ）。 A、增加摩擦阻力和剩余阻力B、僅增加剩余阻力 C、僅使粘壓阻力減小 D、使剩余阻力減小6、排水量一定時，排水量長度系數(shù)增大，則使總阻力（ D ）。 A、不變B