第2章 粘性阻力-2014.7

1、 船體周圍流場(chǎng)及粘性阻力成因船體周圍流場(chǎng)及粘性阻力成因 船體摩擦阻力確定方法船體摩擦阻力確定方法減小船體摩擦阻力的途徑減小船體摩擦阻力的途徑 粘壓阻力粘壓阻力 光滑平板摩擦阻力系光滑平板摩擦阻力系數(shù)計(jì)算公式數(shù)計(jì)算公式 船體表面彎曲度對(duì)摩船體表面彎曲度對(duì)摩擦阻力的影響擦阻力的影響 船體表面粗糙度對(duì)摩船體表面粗糙度對(duì)摩擦阻力的影響擦阻力的影響 船體濕表面積的計(jì)算船體濕表面積的計(jì)算方法方法 粘壓阻力的估算方法粘壓阻力的估算方法 影響粘壓阻力的因素影響粘壓阻力的因素減小粘壓阻力的措施減小粘壓阻力的措施 粘性阻力粘性阻力定義：定義： 由于流體的粘性作用而產(chǎn)生的作用在船體由于流體的粘性作用而產(chǎn)生的作用在船

2、體上的阻力。上的阻力。 粘性阻力包括摩擦阻力和粘壓阻力。粘性阻力包括摩擦阻力和粘壓阻力。2.1 船體周圍流場(chǎng)及粘性阻力成因船體周圍流場(chǎng)及粘性阻力成因摩擦阻力和粘壓阻力摩擦阻力和粘壓阻力的形成與船體周圍流體 的流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。船體周圍流動(dòng)示意圖船體表面壓力分布示意圖 右圖中曲線右圖中曲線為處于理想流體中時(shí)船體表面壓力分布為處于理想流體中時(shí)船體表面壓力分布情況，曲線情況，曲線、則分別是僅存在邊界層（不發(fā)生離則分別是僅存在邊界層（不發(fā)生離體）和邊界層發(fā)生離體兩種情況下船體表面壓力分布體）和邊界層發(fā)生離體兩種情況下船體表面壓力分布情況。情況。船體周圍流場(chǎng)及粘性阻力成因船體周圍流場(chǎng)及粘性阻力成因 實(shí)際船體

3、周圍的流場(chǎng)包括三個(gè)區(qū)域：實(shí)際船體周圍的流場(chǎng)包括三個(gè)區(qū)域：主流區(qū)、邊界層區(qū)主流區(qū)、邊界層區(qū)和和旋渦區(qū)旋渦區(qū)（由邊界層離（由邊界層離體產(chǎn)生的）。在邊界層和旋渦區(qū)存在粘性體產(chǎn)生的）。在邊界層和旋渦區(qū)存在粘性作用，而主流區(qū)可以忽略粘性作用，簡(jiǎn)化作用，而主流區(qū)可以忽略粘性作用，簡(jiǎn)化為理想流體。為理想流體。 根據(jù)相對(duì)性原理，認(rèn)為船體不動(dòng)，水從無(wú)窮遠(yuǎn)處以船舶運(yùn)根據(jù)相對(duì)性原理，認(rèn)為船體不動(dòng)，水從無(wú)窮遠(yuǎn)處以船舶運(yùn)動(dòng)速度動(dòng)速度U U流向船體。在理想流體假設(shè)下，忽略粘性，船體表面對(duì)流向船體。在理想流體假設(shè)下，忽略粘性，船體表面對(duì)流體無(wú)阻滯作用，流體沿船體表面滑過(guò)，船體表面即一個(gè)流面，流體無(wú)阻滯作用，流體沿船體表面滑

4、過(guò)，船體表面即一個(gè)流面，如左上圖中下半部所示。在前駐點(diǎn)如左上圖中下半部所示。在前駐點(diǎn)A A的流速為零，根據(jù)伯努利方的流速為零，根據(jù)伯努利方程，該點(diǎn)壓力最大。流體由程，該點(diǎn)壓力最大。流體由A A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到C C點(diǎn)的過(guò)程中，在壓力差點(diǎn)的過(guò)程中，在壓力差的作用下，速度逐漸增大，壓力逐漸減小，到達(dá)的作用下，速度逐漸增大，壓力逐漸減小，到達(dá)C C點(diǎn)時(shí)流速達(dá)到點(diǎn)時(shí)流速達(dá)到最大，壓力為最小值，所以最大，壓力為最小值，所以ACAC段稱為減壓段；流體由段稱為減壓段；流體由C C點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B B點(diǎn)的過(guò)程中，速度逐漸減小，壓力逐漸增大，到達(dá)后駐點(diǎn)點(diǎn)的過(guò)程中，速度逐漸減小，壓力逐漸增大，到達(dá)后駐點(diǎn)B B時(shí)

5、時(shí)流速降為零，壓力增為最大值，所以流速降為零，壓力增為最大值，所以CBCB段稱為增壓段。段稱為增壓段。 從能量的角度來(lái)說(shuō)，在從能量的角度來(lái)說(shuō)，在ACAC段流體的壓能逐漸轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，段流體的壓能逐漸轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，在在CBCB段動(dòng)能又逐漸轉(zhuǎn)化為壓能，因此在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中機(jī)械能守恒，段動(dòng)能又逐漸轉(zhuǎn)化為壓能，因此在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中機(jī)械能守恒，所以流體在所以流體在ACAC段獲得的動(dòng)能，在段獲得的動(dòng)能，在CBCB段又全部轉(zhuǎn)化為壓能，船體段又全部轉(zhuǎn)化為壓能，船體前后壓力分布對(duì)稱。即船體在理想流體中作勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，前后壓力分布對(duì)稱。即船體在理想流體中作勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，阻力等于零。這也是流體力學(xué)中介紹的理想流體中的達(dá)朗貝

6、爾阻力等于零。這也是流體力學(xué)中介紹的理想流體中的達(dá)朗貝爾疑題。疑題。 然而在實(shí)際流動(dòng)中，由于水的粘性作用，在船體表面形成然而在實(shí)際流動(dòng)中，由于水的粘性作用，在船體表面形成邊界層，邊界層內(nèi)存在著剪切應(yīng)力。在剪切應(yīng)力的作用下，流邊界層，邊界層內(nèi)存在著剪切應(yīng)力。在剪切應(yīng)力的作用下，流體由體由A A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到C C點(diǎn)的過(guò)程中，盡管也存在著與理想流體類似的點(diǎn)的過(guò)程中，盡管也存在著與理想流體類似的速度逐漸增大，壓力逐漸減小，壓能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的過(guò)程。但是速度逐漸增大，壓力逐漸減小，壓能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的過(guò)程。但是由于剪切應(yīng)力的作用，消耗了能量，流體在由于剪切應(yīng)力的作用，消耗了能量，流體在C C點(diǎn)所獲得的動(dòng)能不

7、點(diǎn)所獲得的動(dòng)能不如理想流體假設(shè)下的大。同時(shí)，在如理想流體假設(shè)下的大。同時(shí)，在CBCB段，由于剪切應(yīng)力和與運(yùn)段，由于剪切應(yīng)力和與運(yùn)動(dòng)方向相反的壓差力的雙重作用，流體到達(dá)動(dòng)方向相反的壓差力的雙重作用，流體到達(dá)D D點(diǎn)附近時(shí)速度已經(jīng)點(diǎn)附近時(shí)速度已經(jīng)降為零，動(dòng)能全部耗盡，同時(shí)在降為零，動(dòng)能全部耗盡，同時(shí)在DBDB段壓力差的作用下，流體產(chǎn)段壓力差的作用下，流體產(chǎn)生回流，在生回流，在D D點(diǎn)產(chǎn)生流體的離體，形成旋渦區(qū)，如左上圖中上半點(diǎn)產(chǎn)生流體的離體，形成旋渦區(qū)，如左上圖中上半部分所示。部分所示。 在粘性流體中，由于存在能量的消耗，船體前后流動(dòng)不對(duì)在粘性流體中，由于存在能量的消耗，船體前后流動(dòng)不對(duì)稱，導(dǎo)致了

8、船體前后壓力分布的不對(duì)稱。與理想流體相比，實(shí)稱，導(dǎo)致了船體前后壓力分布的不對(duì)稱。與理想流體相比，實(shí)際流動(dòng)中不僅有剪切應(yīng)力的作用，還有船體前后壓差力的作用。際流動(dòng)中不僅有剪切應(yīng)力的作用，還有船體前后壓差力的作用。 船體表面的剪切應(yīng)力在船舶運(yùn)動(dòng)方向上的船體表面的剪切應(yīng)力在船舶運(yùn)動(dòng)方向上的投影沿船體表面積分，所得的合力就是投影沿船體表面積分，所得的合力就是摩擦阻摩擦阻力力。 由于粘性作用，船體前后壓力分布不對(duì)稱，由于粘性作用，船體前后壓力分布不對(duì)稱，由此產(chǎn)生的壓差力即為由此產(chǎn)生的壓差力即為粘壓阻力，粘壓阻力，也稱為也稱為形狀形狀阻力阻力或或旋渦阻力旋渦阻力。 船體周圍流場(chǎng)及粘性阻力成因船體周圍流場(chǎng)及

9、粘性阻力成因從能量觀點(diǎn)出發(fā)：從能量觀點(diǎn)出發(fā)： 當(dāng)船舶在靜水面上航行時(shí)，由于粘性作用必然帶當(dāng)船舶在靜水面上航行時(shí)，由于粘性作用必然帶動(dòng)一部分流體與其一起運(yùn)動(dòng)，即邊界層。而為了帶動(dòng)一部分流體與其一起運(yùn)動(dòng)，即邊界層。而為了帶動(dòng)這部分流體（水），船體就必須不斷地向這部分動(dòng)這部分流體（水），船體就必須不斷地向這部分流體提供能量，因而產(chǎn)生流體提供能量，因而產(chǎn)生摩擦阻力摩擦阻力。 在船尾部流體離體形成旋渦需要消耗能量，一在船尾部流體離體形成旋渦需要消耗能量，一部分旋渦被沖向后方的同時(shí)，在船尾又持續(xù)不斷地部分旋渦被沖向后方的同時(shí)，在船尾又持續(xù)不斷地產(chǎn)生新的旋渦，因而船體必須源源不斷地為這部分產(chǎn)生新的旋渦，因而

10、船體必須源源不斷地為這部分流體提供能量，而這部分能量的損耗就是以流體提供能量，而這部分能量的損耗就是以粘壓阻粘壓阻力力的形式表現(xiàn)的。的形式表現(xiàn)的。 2.2 摩擦阻力的確定方法摩擦阻力的確定方法v由于船體形狀復(fù)雜，目前應(yīng)用理論方法精確計(jì)由于船體形狀復(fù)雜，目前應(yīng)用理論方法精確計(jì)算船體摩擦阻力還不能付諸工程實(shí)用，在船舶算船體摩擦阻力還不能付諸工程實(shí)用，在船舶工程中還不得不沿用佛汝德提出的相當(dāng)平板假工程中還不得不沿用佛汝德提出的相當(dāng)平板假定（理論）。定（理論）。相當(dāng)平板假定（理論）相當(dāng)平板假定（理論）： 假設(shè)具有相同長(zhǎng)度、相同濕表面積、相同假設(shè)具有相同長(zhǎng)度、相同濕表面積、相同運(yùn)動(dòng)速度的船體和光滑平板的

11、摩擦阻力相同。運(yùn)動(dòng)速度的船體和光滑平板的摩擦阻力相同。 應(yīng)用應(yīng)用相當(dāng)平板假定（理論）相當(dāng)平板假定（理論）得到的摩擦阻力得到的摩擦阻力與船體的實(shí)際摩擦阻力之間是存在一定差異的。與船體的實(shí)際摩擦阻力之間是存在一定差異的。邊界層和摩擦阻力邊界層和摩擦阻力一、平板邊界層一、平板邊界層 邊界層和摩擦阻力邊界層和摩擦阻力一、平板邊界層一、平板邊界層 假設(shè)順著水流流動(dòng)方向放置一薄平板，水流以均勻速度假設(shè)順著水流流動(dòng)方向放置一薄平板，水流以均勻速度v v流流經(jīng)平板，由于水具有粘性，平板表面處的水質(zhì)點(diǎn)被吸附在平經(jīng)平板，由于水具有粘性，平板表面處的水質(zhì)點(diǎn)被吸附在平板上，故平板表面上的流速為零。隨著與平板表面距離板

12、上，故平板表面上的流速為零。隨著與平板表面距離y y的增的增加，流速逐漸增加；當(dāng)加，流速逐漸增加；當(dāng)y y增加至某一距離增加至某一距離時(shí)，其流速達(dá)到與時(shí)，其流速達(dá)到與來(lái)流速度相同。我們稱存在粘性作用的這一薄層水流為邊界來(lái)流速度相同。我們稱存在粘性作用的這一薄層水流為邊界層，層，稱為界層厚度。在平板各處均取距離相應(yīng)為稱為界層厚度。在平板各處均取距離相應(yīng)為的點(diǎn)連的點(diǎn)連成一個(gè)界面，即界層邊界。成一個(gè)界面，即界層邊界。 影響邊界層厚度的主要因素是流速影響邊界層厚度的主要因素是流速V V、距板前端、距板前端O O點(diǎn)的距離點(diǎn)的距離x x以及流體運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)以及流體運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)（或局部雷諾數(shù)：（或局部雷諾數(shù)

13、： ) )。 如果如果V V、x x一定，當(dāng)一定，當(dāng)RexRex很大時(shí)，表示流體粘性作用很小，很大時(shí)，表示流體粘性作用很小， 就就很小。理想流體可以看做流體運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)很小。理想流體可以看做流體運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)=0=0的實(shí)際流體，的實(shí)際流體，其雷諾數(shù)其雷諾數(shù)Re=Re=，邊界層厚度，邊界層厚度=0=0。R eVxx邊界層和摩擦阻力邊界層和摩擦阻力一、平板邊界層一、平板邊界層 邊界層內(nèi)存在兩種流動(dòng)狀態(tài)：平板前端部分，水質(zhì)點(diǎn)有穩(wěn)邊界層內(nèi)存在兩種流動(dòng)狀態(tài)：平板前端部分，水質(zhì)點(diǎn)有穩(wěn)定的分層流動(dòng)，邊界層厚度沿板長(zhǎng)方向增長(zhǎng)緩慢，該流動(dòng)狀定的分層流動(dòng)，邊界層厚度沿板長(zhǎng)方向增長(zhǎng)緩慢，該流動(dòng)狀態(tài)稱為層流；在平板后部

14、，水質(zhì)點(diǎn)互相碰撞，運(yùn)動(dòng)方向極不態(tài)稱為層流；在平板后部，水質(zhì)點(diǎn)互相碰撞，運(yùn)動(dòng)方向極不規(guī)則規(guī)則 ，但其平均速度還是沿平板方向前進(jìn)，界層厚度沿板長(zhǎng)，但其平均速度還是沿平板方向前進(jìn)，界層厚度沿板長(zhǎng)方向增長(zhǎng)較層流情況為快，稱為紊流（或湍流）；在層流和方向增長(zhǎng)較層流情況為快，稱為紊流（或湍流）；在層流和紊流之間還存在一段過(guò)渡狀態(tài)，稱為過(guò)渡流（或變流）。紊流之間還存在一段過(guò)渡狀態(tài)，稱為過(guò)渡流（或變流）。 平板邊界層流動(dòng)狀態(tài)平板邊界層流動(dòng)狀態(tài)邊界層和摩擦阻力邊界層和摩擦阻力一、平板邊界層一、平板邊界層 實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)：邊界層內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)完全取決于平板的局部雷諾數(shù)實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)：邊界層內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)完全取決于平板的局

15、部雷諾數(shù)RexRex。 層流狀態(tài)：層流狀態(tài)：RexRex（3.55.03.55.0）10105 5； 過(guò)渡流狀態(tài)：過(guò)渡流狀態(tài)： （3.55.03.55.0）10105 5RexRex3.03.010106 6； 紊流狀態(tài)：紊流狀態(tài)： RexRex3.03.010106 6； 由邊界層理論求得的邊界層厚度：由邊界層理論求得的邊界層厚度： 層層 流：流： 紊紊 流：流： 需要說(shuō)明的是：在紊流邊界層的底部，有一極薄層水流仍為層流，稱需要說(shuō)明的是：在紊流邊界層的底部，有一極薄層水流仍為層流，稱為層流（粘流）底層。原因就是緊靠物面的水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度極低，其雷諾為層流（粘流）底層。原因就是緊靠物面的水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)

16、動(dòng)速度極低，其雷諾數(shù)很小，故呈現(xiàn)層流狀態(tài)。數(shù)很小，故呈現(xiàn)層流狀態(tài)。125.2Rexx0.0598lgRe3.107xx邊界層和摩擦阻力邊界層和摩擦阻力二、平板摩擦阻力的成因二、平板摩擦阻力的成因 由邊界層理論可知，當(dāng)水、空氣流經(jīng)平板表面時(shí)，由于流體的粘性作由邊界層理論可知，當(dāng)水、空氣流經(jīng)平板表面時(shí)，由于流體的粘性作用，在平板表面附近形成邊界層，雖然界層厚度用，在平板表面附近形成邊界層，雖然界層厚度很小，但邊界層內(nèi)流很小，但邊界層內(nèi)流體速度的變化率（速度梯度）很大。由牛頓內(nèi)摩擦定律，平板表面受到體速度的變化率（速度梯度）很大。由牛頓內(nèi)摩擦定律，平板表面受到的摩擦切應(yīng)力的摩擦切應(yīng)力為：為： 式中：

17、式中：流體動(dòng)力粘性系數(shù)；流體動(dòng)力粘性系數(shù)； 界層內(nèi)的速度梯度。界層內(nèi)的速度梯度。 盡管所討論的介質(zhì)是水，其動(dòng)力粘性系數(shù)盡管所討論的介質(zhì)是水，其動(dòng)力粘性系數(shù)較小，但由于界層內(nèi)的速較小，但由于界層內(nèi)的速度梯度很大，所以整個(gè)平板上受到的摩擦切應(yīng)力不能忽略不計(jì)。度梯度很大，所以整個(gè)平板上受到的摩擦切應(yīng)力不能忽略不計(jì)。 整個(gè)平板上受到的摩擦阻力整個(gè)平板上受到的摩擦阻力R Rf f應(yīng)是所有摩擦切應(yīng)力的合力，即：應(yīng)是所有摩擦切應(yīng)力的合力，即： 設(shè)平板寬度為設(shè)平板寬度為b b，則，則x x一段內(nèi)全部摩擦阻力為一段內(nèi)全部摩擦阻力為R Rf f，其無(wú)量綱形式為：，其無(wú)量綱形式為： 其中：其中：CC稱為局部摩擦阻力

18、系數(shù)；稱為局部摩擦阻力系數(shù)；C Cf f為平均摩擦阻力系數(shù)，為為平均摩擦阻力系數(shù)，為CC在整個(gè)在整個(gè)x x長(zhǎng)度范圍內(nèi)的平均值，且較相同雷諾數(shù)的長(zhǎng)度范圍內(nèi)的平均值，且較相同雷諾數(shù)的CC為大。為大。 0yvyfSRds2200111/2/(2)22xxffCRv Sbdxv SbxCdxx邊界層和摩擦阻力邊界層和摩擦阻力三、平板摩擦阻力的特性三、平板摩擦阻力的特性 1 1、與流態(tài)的關(guān)系：與流態(tài)的關(guān)系： 由邊界層理論可知，當(dāng)流體介質(zhì)一定時(shí)，對(duì)于給定的平由邊界層理論可知，當(dāng)流體介質(zhì)一定時(shí)，對(duì)于給定的平板，其所受到的摩擦阻力取決于摩擦切應(yīng)力板，其所受到的摩擦阻力取決于摩擦切應(yīng)力，而，而與邊界與邊界層內(nèi)的

19、速度分布有關(guān)。在紊流邊界層內(nèi)，由于水質(zhì)點(diǎn)相互撞層內(nèi)的速度分布有關(guān)。在紊流邊界層內(nèi)，由于水質(zhì)點(diǎn)相互撞擊產(chǎn)生動(dòng)量交換，導(dǎo)致邊界層內(nèi)的速度分布較層流時(shí)豐滿，擊產(chǎn)生動(dòng)量交換，導(dǎo)致邊界層內(nèi)的速度分布較層流時(shí)豐滿，因此在相同來(lái)流速度下的速度梯度較大，其摩擦切應(yīng)力較層因此在相同來(lái)流速度下的速度梯度較大，其摩擦切應(yīng)力較層流狀態(tài)下為大，相應(yīng)的摩擦阻力系數(shù)亦大。流狀態(tài)下為大，相應(yīng)的摩擦阻力系數(shù)亦大。 2 2、與平板濕表面積的關(guān)系：與平板濕表面積的關(guān)系： 在流體介質(zhì)給定，邊界層內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)固定時(shí)，則流體在流體介質(zhì)給定，邊界層內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)固定時(shí)，則流體動(dòng)力粘性系數(shù)動(dòng)力粘性系數(shù)和邊階層內(nèi)的速度梯度均為常數(shù)，因而摩擦和邊

20、階層內(nèi)的速度梯度均為常數(shù)，因而摩擦切應(yīng)力切應(yīng)力亦為常數(shù)。此時(shí)，板長(zhǎng)為亦為常數(shù)。此時(shí)，板長(zhǎng)為L(zhǎng) L的平板摩擦阻力值正比于的平板摩擦阻力值正比于平板的濕表面積。平板的濕表面積。邊界層和摩擦阻力邊界層和摩擦阻力三、平板摩擦阻力的特性三、平板摩擦阻力的特性 3 3、與雷諾數(shù)與雷諾數(shù)ReRe的關(guān)系：的關(guān)系： 在固定流態(tài)情況下，摩擦切應(yīng)力在固定流態(tài)情況下，摩擦切應(yīng)力隨著局部雷諾數(shù)隨著局部雷諾數(shù)RexRex的變化而變化。的變化而變化。 1 1）當(dāng)來(lái)流速度）當(dāng)來(lái)流速度v v不變時(shí)，由不變時(shí)，由x x的增大而引起的增大而引起RexRex增大時(shí)，邊界層厚度增加，增大時(shí)，邊界層厚度增加，進(jìn)而使得邊界層內(nèi)的速度分布的

21、豐滿度有所下降，速度梯度必然隨著進(jìn)而使得邊界層內(nèi)的速度分布的豐滿度有所下降，速度梯度必然隨著x x的的增大而減小，故摩擦切應(yīng)力增大而減小，故摩擦切應(yīng)力和局部摩擦阻力系數(shù)和局部摩擦阻力系數(shù)C C均隨著均隨著RexRex的增大而的增大而減小。減小。 2 2）當(dāng)）當(dāng)x x一定時(shí)，由一定時(shí)，由v v的增大而引起的增大而引起RexRex增大時(shí)，邊界層厚度將減薄，進(jìn)而增大時(shí)，邊界層厚度將減薄，進(jìn)而使得邊界層內(nèi)的速度分布的豐滿度增大，摩擦切應(yīng)力使得邊界層內(nèi)的速度分布的豐滿度增大，摩擦切應(yīng)力隨之增大。隨之增大。 應(yīng)當(dāng)指出的是，由流體力學(xué)平板邊界層求解結(jié)果可知，摩擦切應(yīng)力應(yīng)當(dāng)指出的是，由流體力學(xué)平板邊界層求解結(jié)

22、果可知，摩擦切應(yīng)力隨隨著來(lái)流速度著來(lái)流速度v v增加（增加（x x一定時(shí)），在紊流和層流流動(dòng)時(shí)分別正比于一定時(shí)），在紊流和層流流動(dòng)時(shí)分別正比于v v13/713/7和和v v3/23/2，亦即，亦即隨著隨著v v的增大情況均小于的增大情況均小于v v2 2關(guān)系。所以，其局部摩擦阻力系數(shù)關(guān)系。所以，其局部摩擦阻力系數(shù)C C仍然隨著仍然隨著RexRex的增大而減小。的增大而減小。 由于平均摩擦阻力系數(shù)由于平均摩擦阻力系數(shù)C Cf f與摩擦阻力系數(shù)與摩擦阻力系數(shù)C C具有相同的變化規(guī)律，可知，具有相同的變化規(guī)律，可知，當(dāng)當(dāng)ReRe增大時(shí)，無(wú)論增大時(shí)，無(wú)論C Cf f還是還是C C均隨之下降。均隨之下

23、降。 摩擦阻力的確定方法摩擦阻力的確定方法 對(duì)于一般平板來(lái)說(shuō)，其邊界層內(nèi)存在著層流、過(guò)渡區(qū)和湍流三個(gè)區(qū)對(duì)于一般平板來(lái)說(shuō)，其邊界層內(nèi)存在著層流、過(guò)渡區(qū)和湍流三個(gè)區(qū)域。域。 當(dāng)平板邊界層內(nèi)全為層流時(shí)，勃朗齊（當(dāng)平板邊界層內(nèi)全為層流時(shí)，勃朗齊（BlasiusBlasius）早在）早在19081908年根據(jù)層年根據(jù)層流邊界層微分方程式給出了理論上的精確解：流邊界層微分方程式給出了理論上的精確解： 該式計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全相符。該式計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全相符。 需要說(shuō)明的是，層流平板摩擦阻力系數(shù)精確解并不適用于造船工程實(shí)需要說(shuō)明的是，層流平板摩擦阻力系數(shù)精確解并不適用于造船工程實(shí)際，因其對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)范

24、圍是：際，因其對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)范圍是： RexRex（3.55.03.55.0）10105 5，而一般船舶的，而一般船舶的雷諾數(shù)為：雷諾數(shù)為：4.04.010106 6 Rex Rex3.03.010109 9。 過(guò)渡流平板摩擦阻力系數(shù)可以按照柏蘭特所給出的半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：過(guò)渡流平板摩擦阻力系數(shù)可以按照柏蘭特所給出的半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算： 式中的式中的1700/Re1700/Re為層流影響修正值。顯見(jiàn)，當(dāng)為層流影響修正值。顯見(jiàn)，當(dāng)ReRe很大時(shí)，該值趨于零。很大時(shí)，該值趨于零。這也說(shuō)明，平板邊界層內(nèi)湍流占絕對(duì)主要部分，可按照全部湍流平板處這也說(shuō)明，平板邊界層內(nèi)湍流占絕對(duì)主要部分，可按照全部湍流平板處理。

25、理。121.328 RefC2.580.4551700(lgRe)RefC 摩擦阻力的確定方法摩擦阻力的確定方法 對(duì)于船體來(lái)說(shuō)，因船長(zhǎng)較長(zhǎng)，與湍流區(qū)相比層流區(qū)和過(guò)渡區(qū)很小，常對(duì)于船體來(lái)說(shuō)，因船長(zhǎng)較長(zhǎng)，與湍流區(qū)相比層流區(qū)和過(guò)渡區(qū)很小，常常可以忽略不計(jì)，即假設(shè)整個(gè)邊界層均為湍流?？梢院雎圆挥?jì)，即假設(shè)整個(gè)邊界層均為湍流區(qū)區(qū)。 因此，因此，在船舶摩擦阻力計(jì)算中采用的是平板湍流邊界層摩擦阻力系數(shù)在船舶摩擦阻力計(jì)算中采用的是平板湍流邊界層摩擦阻力系數(shù)計(jì)算公式計(jì)算公式。 平板湍流邊界層內(nèi)的速度分布形式：平板湍流邊界層內(nèi)的速度分布形式：u/u/U U=(y/)=(y/)n n，對(duì)于不同的雷諾數(shù)對(duì)于不同的雷諾數(shù)

26、，n n值是不同的。值是不同的。 當(dāng)當(dāng) ReRe2 210107 7 時(shí)，時(shí)，n=7n=7，代入平板邊界層動(dòng)量積分方程，可得：，代入平板邊界層動(dòng)量積分方程，可得： 假設(shè)邊界層內(nèi)流體速度為假設(shè)邊界層內(nèi)流體速度為7 7次分布，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)結(jié)果修正，次分布，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)結(jié)果修正，可得到光滑可得到光滑平板的湍流摩擦阻力系數(shù)計(jì)算公式如下平板的湍流摩擦阻力系數(shù)計(jì)算公式如下： 普朗特（普朗特（Prandtl）公式）公式 51074.0efRC150.072feCR 摩擦阻力的確定方法摩擦阻力的確定方法 若若ReRe2 210107 7 時(shí)，時(shí)，指數(shù)的指數(shù)的速度分布規(guī)律就不適當(dāng)速度分布規(guī)律就不適當(dāng)了，此時(shí)可以用對(duì)數(shù)速

27、度分布求解。了，此時(shí)可以用對(duì)數(shù)速度分布求解。v桑海（桑海（Schoenherr）公式）公式 1932 1932年，桑海運(yùn)用對(duì)數(shù)速度分布規(guī)律，并根據(jù)平年，桑海運(yùn)用對(duì)數(shù)速度分布規(guī)律，并根據(jù)平板拖曳試驗(yàn)結(jié)果，給出了如下摩擦阻力系數(shù)公式：板拖曳試驗(yàn)結(jié)果，給出了如下摩擦阻力系數(shù)公式： 該公式在美國(guó)應(yīng)用最為普遍，該公式在美國(guó)應(yīng)用最為普遍，19471947年美國(guó)船模試年美國(guó)船模試驗(yàn)水池會(huì)議（簡(jiǎn)稱驗(yàn)水池會(huì)議（簡(jiǎn)稱ATTCATTC）決定以該公式作為船舶摩擦）決定以該公式作為船舶摩擦阻力計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)公式，故亦稱為阻力計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)公式，故亦稱為1947ATTC1947ATTC公式。由于公式。由于該公式在實(shí)際計(jì)算中較為困

28、難，所以該公式在實(shí)際計(jì)算中較為困難，所以ReRe在在10106 6 10109 9 時(shí)時(shí)，化成了具有相同結(jié)果的簡(jiǎn)便公式：化成了具有相同結(jié)果的簡(jiǎn)便公式：)lg(242.0fefCRC6.2)(lg4631.0efRC 摩擦阻力的確定方法摩擦阻力的確定方法柏蘭特柏蘭特-許立?。ㄔS立汀（Prandtl-Schlichting）公式）公式 柏蘭特柏蘭特和和許立汀許立汀應(yīng)用與上述相同的原則，得到了應(yīng)用與上述相同的原則，得到了與與桑海公式桑海公式形式十分相近的形式十分相近的 柏蘭特柏蘭特-許立汀公式許立汀公式： 該公式在歐洲大陸應(yīng)用最為普遍，過(guò)去我國(guó)也曾該公式在歐洲大陸應(yīng)用最為普遍，過(guò)去我國(guó)也曾采用過(guò)。采

29、用過(guò)。58.2)(lg455.0efRC 摩擦阻力的確定方法摩擦阻力的確定方法休斯（休斯（Hughes）公式）公式 1952 1952年，休斯在分析了以往所發(fā)表的許多平板數(shù)年，休斯在分析了以往所發(fā)表的許多平板數(shù)據(jù)，證實(shí)了摩擦阻力系數(shù)與平板展弦比有關(guān)。據(jù)，證實(shí)了摩擦阻力系數(shù)與平板展弦比有關(guān)。19541954年他發(fā)表了平板試驗(yàn)資料，實(shí)驗(yàn)平板的雷諾數(shù)在年他發(fā)表了平板試驗(yàn)資料，實(shí)驗(yàn)平板的雷諾數(shù)在Re= Re= 2.02.010104 4 3.0 3.010109 9 ，展弦比在，展弦比在0.0156420.015642。并由此。并由此得出展弦比為無(wú)窮大時(shí)的二因次紊流光滑平板公式：得出展弦比為無(wú)窮大時(shí)的

30、二因次紊流光滑平板公式：2)03. 2Re(lg066. 0fC 摩擦阻力的確定方法摩擦阻力的確定方法 19571957年國(guó)際船模試驗(yàn)水池會(huì)議實(shí)船年國(guó)際船模試驗(yàn)水池會(huì)議實(shí)船- -船模換算公式船模換算公式 以上的各光滑平板摩擦阻力系數(shù)計(jì)算公式的計(jì)算結(jié)以上的各光滑平板摩擦阻力系數(shù)計(jì)算公式的計(jì)算結(jié)果雖然很接近，但還有一定差別。尤其是在把船模實(shí)驗(yàn)果雖然很接近，但還有一定差別。尤其是在把船模實(shí)驗(yàn)結(jié)果換算到實(shí)船時(shí)，由于所用公式不同，計(jì)算所得實(shí)船結(jié)果換算到實(shí)船時(shí)，由于所用公式不同，計(jì)算所得實(shí)船阻力結(jié)果存在不同程度的差別。為此，在阻力結(jié)果存在不同程度的差別。為此，在1957年西班牙年西班牙馬德里召開(kāi)的第八屆國(guó)

31、際船模水池會(huì)議（簡(jiǎn)稱馬德里召開(kāi)的第八屆國(guó)際船模水池會(huì)議（簡(jiǎn)稱ITTC）上，）上，根據(jù)分析幾何相似船模阻力實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出了一個(gè)新的根據(jù)分析幾何相似船模阻力實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出了一個(gè)新的公式，即公式，即1957年國(guó)際船模試驗(yàn)水池會(huì)議實(shí)船年國(guó)際船模試驗(yàn)水池會(huì)議實(shí)船-船模換算船模換算公式公式，簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱ITTC-1957ITTC-1957公式：公式： 需要指出的是：需要指出的是：ITTC-1957ITTC-1957公式并不完全是紊流光公式并不完全是紊流光滑平板摩擦阻力系數(shù)公式，其專用于船模和實(shí)船的阻力滑平板摩擦阻力系數(shù)公式，其專用于船模和實(shí)船的阻力換算。我國(guó)現(xiàn)在使用該公式。換算。我國(guó)現(xiàn)在使用該公式。2)2Re

32、(lg075. 0fC 摩擦阻力的確定方法摩擦阻力的確定方法 摩擦阻力的確定方法摩擦阻力的確定方法 摩擦阻力的確定方法摩擦阻力的確定方法 通過(guò)比較表明，在低雷諾數(shù)時(shí)，通過(guò)比較表明，在低雷諾數(shù)時(shí)，ITTCITTC19571957公式的坡度較其他公式偏大，高雷諾數(shù)時(shí)，公式的坡度較其他公式偏大，高雷諾數(shù)時(shí)， ITTCITTC19571957公式與桑海公式相差不大。柏蘭特公式與桑海公式相差不大。柏蘭特許立汀與桑海公式不但在形式上極為相似，許立汀與桑海公式不但在形式上極為相似，數(shù)值上也很接近，前者至多比后者大數(shù)值上也很接近，前者至多比后者大2.0%2.0%2.5%2.5%。 另外，另外， ITTCITT

33、C19571957公式與休斯公式盡管公式與休斯公式盡管在形式上十分接近，但數(shù)值相差較大，約大在形式上十分接近，但數(shù)值相差較大，約大12.5%12.5%。 目前，世界上絕大多數(shù)船模水池采用目前，世界上絕大多數(shù)船模水池采用ITTCITTC19571957公式計(jì)算船體摩擦阻力系數(shù)。公式計(jì)算船體摩擦阻力系數(shù)。船體表面彎曲對(duì)摩擦阻力的影響船體表面彎曲對(duì)摩擦阻力的影響 船體表面是有曲度的空間曲面，與平板相比其船體表面是有曲度的空間曲面，與平板相比其邊界層內(nèi)外的流體速度分布，壓力分布以及邊界層邊界層內(nèi)外的流體速度分布，壓力分布以及邊界層內(nèi)剪切應(yīng)力等均不相同，導(dǎo)致摩擦阻力也不相同。內(nèi)剪切應(yīng)力等均不相同，導(dǎo)致摩

34、擦阻力也不相同。形狀效應(yīng)形狀效應(yīng)： 由于船體表面彎曲而產(chǎn)生的其摩擦阻力與應(yīng)用由于船體表面彎曲而產(chǎn)生的其摩擦阻力與應(yīng)用相當(dāng)平板摩擦阻力計(jì)算公式得到阻力值之間的差別。相當(dāng)平板摩擦阻力計(jì)算公式得到阻力值之間的差別。船體表面彎曲對(duì)摩擦阻力的影響船體表面彎曲對(duì)摩擦阻力的影響v船體表面縱向彎曲的影響船體表面縱向彎曲的影響縱向彎曲對(duì)邊界層外主流區(qū)速度和壓力分布的影響 縱向彎曲對(duì)邊界層內(nèi)壓力分布的影響 縱向彎曲對(duì)邊界層厚度和剪切應(yīng)力的影響 速度和壓力分布示意圖（其中虛線所示為考慮粘性影響船體表面彎曲對(duì)摩擦阻力的影響船體表面彎曲對(duì)摩擦阻力的影響 上圖中給出的是緩慢行駛的船體周圍壓力與速上圖中給出的是緩慢行駛的船

35、體周圍壓力與速度分布示意圖，其為未考慮自由表面的影響，速度度分布示意圖，其為未考慮自由表面的影響，速度測(cè)量點(diǎn)位于邊界層外緣，虛線部分為考慮粘性影響測(cè)量點(diǎn)位于邊界層外緣，虛線部分為考慮粘性影響的情況。的情況。U U0 0和和P P0 0分別為來(lái)流速度與壓力，分別為來(lái)流速度與壓力，U U、P P為沿為沿船體周圍的流體速度、壓力。船體周圍的流體速度、壓力。 可見(jiàn)，由于船體表面的曲度作用，沿船體表面可見(jiàn)，由于船體表面的曲度作用，沿船體表面的速度和壓力分布是非均勻的。船首、尾流速較來(lái)的速度和壓力分布是非均勻的。船首、尾流速較來(lái)流小，船中流速較來(lái)流大。根據(jù)伯努利方程，船體流小，船中流速較來(lái)流大。根據(jù)伯努利

36、方程，船體首尾壓力大，中部壓力小，即船體表面存在著縱向首尾壓力大，中部壓力小，即船體表面存在著縱向速度和壓力梯度。速度和壓力梯度。 船體表面縱向彎曲對(duì)主流區(qū)速度和壓力分布的船體表面縱向彎曲對(duì)主流區(qū)速度和壓力分布的影響影響船體表面彎曲對(duì)摩擦阻力的影響船體表面彎曲對(duì)摩擦阻力的影響 由邊界層理論可知，由于邊界層很薄，其內(nèi)沿物面法線方由邊界層理論可知，由于邊界層很薄，其內(nèi)沿物面法線方向的壓力近似為常數(shù)，且等于邊界層外緣的壓力，而主流區(qū)存向的壓力近似為常數(shù)，且等于邊界層外緣的壓力，而主流區(qū)存在著縱向壓力梯度，因此邊界層內(nèi)也存在著縱向壓力梯度。在著縱向壓力梯度，因此邊界層內(nèi)也存在著縱向壓力梯度。由下圖中可

37、見(jiàn)，船體中部的剪切應(yīng)力比平板大，而首尾的剪切應(yīng)由下圖中可見(jiàn)，船體中部的剪切應(yīng)力比平板大，而首尾的剪切應(yīng)力比平板小。力比平板小?？傮w來(lái)說(shuō)，具有縱向曲度的船體摩擦阻力大于相當(dāng)平板的摩擦阻總體來(lái)說(shuō)，具有縱向曲度的船體摩擦阻力大于相當(dāng)平板的摩擦阻力。力。也有研究者認(rèn)為，剪切應(yīng)力的局部增大與局部減小現(xiàn)象，對(duì)常規(guī)也有研究者認(rèn)為，剪切應(yīng)力的局部增大與局部減小現(xiàn)象，對(duì)常規(guī)船型來(lái)說(shuō)正好抵消。船型來(lái)說(shuō)正好抵消。船體表面縱向彎曲對(duì)邊界層內(nèi)流體流動(dòng)的影響船體表面縱向彎曲對(duì)邊界層內(nèi)流體流動(dòng)的影響平板和船體表面剪切應(yīng)力分布示意圖平板和船體表面剪切應(yīng)力分布示意圖船體表面彎曲對(duì)摩擦阻力的影響船體表面彎曲對(duì)摩擦阻力的影響船船

38、體體 表表 面面 縱縱 向向 彎彎 曲曲 的的 影影 響響船體表面彎曲對(duì)摩擦阻力的影響船體表面彎曲對(duì)摩擦阻力的影響 船體表面橫向彎曲處邊界層厚度較平板薄，其剪船體表面橫向彎曲處邊界層厚度較平板薄，其剪切應(yīng)力相應(yīng)要大些，導(dǎo)致摩擦阻力也相應(yīng)增大，在彎切應(yīng)力相應(yīng)要大些，導(dǎo)致摩擦阻力也相應(yīng)增大，在彎曲較大的舭部尤為顯著。此外，有時(shí)船首部流體流至曲較大的舭部尤為顯著。此外，有時(shí)船首部流體流至舭部時(shí)，會(huì)分成縱向和橫向流動(dòng)，結(jié)果導(dǎo)致舭部摩擦舭部時(shí)，會(huì)分成縱向和橫向流動(dòng)，結(jié)果導(dǎo)致舭部摩擦阻力增大。阻力增大。 船體表面彎曲還易引起邊界層的離體，進(jìn)而產(chǎn)生船體表面彎曲還易引起邊界層的離體，進(jìn)而產(chǎn)生旋渦。因旋渦區(qū)水流

39、速度較低，導(dǎo)致摩擦阻力減小。旋渦。因旋渦區(qū)水流速度較低，導(dǎo)致摩擦阻力減小。船船 體體 表表 面面 橫橫 向向 彎彎 曲曲 的的 影影 響響 船體表面旋渦區(qū)船體表面旋渦區(qū) 船體表面彎曲對(duì)摩擦阻力的影響較為復(fù)雜，船體表面彎曲對(duì)摩擦阻力的影響較為復(fù)雜，但總的來(lái)說(shuō)，其影響導(dǎo)致船體表面摩擦阻力較但總的來(lái)說(shuō)，其影響導(dǎo)致船體表面摩擦阻力較相當(dāng)平板大。相當(dāng)平板大。 依據(jù)佛汝德假設(shè)，在實(shí)用上不考慮船體表面依據(jù)佛汝德假設(shè)，在實(shí)用上不考慮船體表面彎曲對(duì)摩擦阻力的影響不會(huì)引起較大誤差。也彎曲對(duì)摩擦阻力的影響不會(huì)引起較大誤差。也有研究者認(rèn)為，船體表面彎曲對(duì)摩擦阻力的影有研究者認(rèn)為，船體表面彎曲對(duì)摩擦阻力的影響主要由船體

40、縱向彎曲引起，且摩擦阻力的增響主要由船體縱向彎曲引起，且摩擦阻力的增加值主要與平板的長(zhǎng)寬比加值主要與平板的長(zhǎng)寬比L/BL/B有關(guān)，且有關(guān)，且L/BL/B越小，越小，形狀效應(yīng)越大。形狀效應(yīng)越大。 若引入形狀效應(yīng)因子 ,則船體摩擦阻力可以表示為： 形狀因子形狀因子K Kf f可可通過(guò)通過(guò)查圖獲得，查圖獲得，或由阿普赫金（或由阿普赫金（）給出的與給出的與L/BL/B呈線性關(guān)系的曲線求得，如下圖中所示。呈線性關(guān)系的曲線求得，如下圖中所示。相當(dāng)平板RKRfffK 由圖中可見(jiàn)，船體彎曲度對(duì)摩擦阻力的影響并不顯著，故一由圖中可見(jiàn)，船體彎曲度對(duì)摩擦阻力的影響并不顯著，故一般認(rèn)為想通過(guò)改變船體線型的方法減小摩擦

41、阻力，效果是不大的。般認(rèn)為想通過(guò)改變船體線型的方法減小摩擦阻力，效果是不大的。 多年來(lái)研究者進(jìn)行了大量的理論與模型試驗(yàn)研究，但是，目多年來(lái)研究者進(jìn)行了大量的理論與模型試驗(yàn)研究，但是，目前尚無(wú)公認(rèn)的形狀效應(yīng)修正方法，故一般不單獨(dú)修正，前尚無(wú)公認(rèn)的形狀效應(yīng)修正方法，故一般不單獨(dú)修正，因其是因其是船船體形狀的函數(shù)，所以常體形狀的函數(shù)，所以常將其合并到粘壓阻力中一起考慮將其合并到粘壓阻力中一起考慮，通過(guò)模，通過(guò)模型試驗(yàn)確定。型試驗(yàn)確定。船體表面粗糙度對(duì)摩擦阻力的影響船體表面粗糙度對(duì)摩擦阻力的影響 船體及平板摩擦阻力系數(shù)計(jì)算公式均船體及平板摩擦阻力系數(shù)計(jì)算公式均是相對(duì)水力光滑表面而言的，而實(shí)船船體表是相

42、對(duì)水力光滑表面而言的，而實(shí)船船體表面存在一定的粗糙度，這種粗糙度會(huì)導(dǎo)致摩面存在一定的粗糙度，這種粗糙度會(huì)導(dǎo)致摩擦阻力的較大增加。擦阻力的較大增加。 船體表面粗糙度對(duì)摩擦阻力的影響船體表面粗糙度對(duì)摩擦阻力的影響 由油漆面粗糙度和船體表面凸凹不平等引起，稱為普通粗糙度（或油漆面粗糙度）； 由焊縫，柳釘，船體表面開(kāi)孔、海水箱以及突出物等引起，稱為局部粗糙度（或結(jié)構(gòu)粗糙度）。 即使是新建船舶，其表面也同樣存在粗糙度。即使是新建船舶，其表面也同樣存在粗糙度。 船體表面粗糙度表現(xiàn)在如下兩個(gè)方面船體表面粗糙度表現(xiàn)在如下兩個(gè)方面：船體表面粗糙度對(duì)摩擦阻力的影響船體表面粗糙度對(duì)摩擦阻力的影響 在光滑平板摩擦阻力

43、系數(shù) 的基礎(chǔ)上增加粗糙度補(bǔ)貼系數(shù) ，認(rèn)為考慮了船體表面粗糙度影響的船體摩擦阻力為： fC 目前主要采用目前主要采用“粗糙度補(bǔ)貼系數(shù)粗糙度補(bǔ)貼系數(shù)”法來(lái)修正船體表法來(lái)修正船體表面粗糙度對(duì)船體阻力的影響。即；面粗糙度對(duì)船體阻力的影響。即；fCSUCCRfff221)(船體表面粗糙度對(duì)摩擦阻力的影響船體表面粗糙度對(duì)摩擦阻力的影響 試驗(yàn)表明：試驗(yàn)表明： 與雷諾數(shù)無(wú)關(guān)，但與船型、船體表面所用與雷諾數(shù)無(wú)關(guān)，但與船型、船體表面所用油漆、涂敷時(shí)的操作條件等有關(guān)，相同的平板涂敷不油漆、涂敷時(shí)的操作條件等有關(guān)，相同的平板涂敷不同的油漆會(huì)造成阻力值相差較大；甚至使用相同油漆，同的油漆會(huì)造成阻力值相差較大；甚至使用相

44、同油漆，涂敷方法不同對(duì)阻力的影響也不同。涂敷方法不同對(duì)阻力的影響也不同。fC船體表面粗糙度對(duì)摩擦阻力的影響船體表面粗糙度對(duì)摩擦阻力的影響 該表為陶德于該表為陶德于19511951年給出的不同油漆、類型的年給出的不同油漆、類型的14 14艘船舶自航試驗(yàn)所得到的摩擦艘船舶自航試驗(yàn)所得到的摩擦阻力結(jié)果?？梢?jiàn)，由粗糙度引起的摩擦阻力增加值最大可達(dá)到阻力結(jié)果?？梢?jiàn)，由粗糙度引起的摩擦阻力增加值最大可達(dá)到7070以上。以上。船體表面粗糙度對(duì)摩擦阻力的影響船體表面粗糙度對(duì)摩擦阻力的影響 荷蘭水池于荷蘭水池于19731973年發(fā)表了不同船長(zhǎng)范圍的粗糙度補(bǔ)貼值年發(fā)表了不同船長(zhǎng)范圍的粗糙度補(bǔ)貼值 由表中可見(jiàn)，隨著

45、船長(zhǎng)的增加，粗糙度補(bǔ)貼系數(shù)逐漸減小，由表中可見(jiàn)，隨著船長(zhǎng)的增加，粗糙度補(bǔ)貼系數(shù)逐漸減小，甚至為負(fù)值。甚至為負(fù)值。 船體表面粗糙度對(duì)摩擦阻力的影響船體表面粗糙度對(duì)摩擦阻力的影響3104 . 0fCfC 研究表明，船長(zhǎng)為研究表明，船長(zhǎng)為100m100m左右的常規(guī)船舶，取左右的常規(guī)船舶，取所得到的計(jì)算結(jié)果與實(shí)船試驗(yàn)結(jié)果基本相符。目前，不同國(guó)家以所得到的計(jì)算結(jié)果與實(shí)船試驗(yàn)結(jié)果基本相符。目前，不同國(guó)家以及針對(duì)不同船舶的及針對(duì)不同船舶的 取值不同，取值不同， 我國(guó)建議?。何覈?guó)建議?。?104 . 0fC 1975 1975年年1414屆屆ITTCITTC建議，船長(zhǎng)小于建議，船長(zhǎng)小于400m400m的常規(guī)船

46、舶，若摩擦阻的常規(guī)船舶，若摩擦阻力系數(shù)按照力系數(shù)按照ITTCITTC19571957公式計(jì)算，則相應(yīng)的粗糙度補(bǔ)貼系數(shù)可公式計(jì)算，則相應(yīng)的粗糙度補(bǔ)貼系數(shù)可以按照經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：以按照經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算： 其中，其中，KsKs為粗糙度表觀高度，對(duì)于質(zhì)量較好的新建船舶可取為粗糙度表觀高度，對(duì)于質(zhì)量較好的新建船舶可取KsKs1501501010-6-6 m m33/11064. 0)(105LkCsf船體表面粗糙度對(duì)摩擦阻力的影響船體表面粗糙度對(duì)摩擦阻力的影響fC 事實(shí)上，引用事實(shí)上，引用 值時(shí)除了考慮船體表面粗糙度修值時(shí)除了考慮船體表面粗糙度修正以外，還包括了應(yīng)用不同的摩擦阻力系數(shù)公式和正以外，還包括了應(yīng)用

47、不同的摩擦阻力系數(shù)公式和尺度效應(yīng)的差別，以及螺旋槳效率、伴流、推力減尺度效應(yīng)的差別，以及螺旋槳效率、伴流、推力減額和相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率等方面的影響。換句話說(shuō)，綜合額和相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率等方面的影響。換句話說(shuō)，綜合考慮了阻力和推進(jìn)等諸多因素對(duì)船舶阻力的影響，考慮了阻力和推進(jìn)等諸多因素對(duì)船舶阻力的影響，所以也有人認(rèn)為用所以也有人認(rèn)為用“船模實(shí)船換算補(bǔ)貼系船模實(shí)船換算補(bǔ)貼系數(shù)數(shù) ” ”這一術(shù)語(yǔ)更為貼切。這一術(shù)語(yǔ)更為貼切。fC船體表面粗糙度對(duì)摩擦阻力的影響船體表面粗糙度對(duì)摩擦阻力的影響污污 底底： 船舶下水并經(jīng)過(guò)一段時(shí)間使用后，除鋼板會(huì)遭到腐蝕外，船舶下水并經(jīng)過(guò)一段時(shí)間使用后，除鋼板會(huì)遭到腐蝕外，一些海洋生物也會(huì)

48、附著在船體表面上，一些海洋生物也會(huì)附著在船體表面上，這也這也增加了船體表面增加了船體表面粗糙度，進(jìn)而造成船體阻力的增加。粗糙度，進(jìn)而造成船體阻力的增加。 影影 響響：1 1、船舶阻力增加；、船舶阻力增加； 2 2、推進(jìn)器效率降低。、推進(jìn)器效率降低。 一般認(rèn)為，新船在下水一般認(rèn)為，新船在下水6 6個(gè)月后，由于污底所增加的總阻個(gè)月后，由于污底所增加的總阻力可以達(dá)到力可以達(dá)到1010以上，導(dǎo)致船速明顯下降。所以新船試航必以上，導(dǎo)致船速明顯下降。所以新船試航必須在船殼潔凈，并新涂油漆后進(jìn)行。須在船殼潔凈，并新涂油漆后進(jìn)行。船體表面粗糙度對(duì)摩擦阻力的影響船體表面粗糙度對(duì)摩擦阻力的影響3021kddkdk

49、F污污 底底： 由于污底所增加的阻力主要與船舶出塢的時(shí)間有關(guān)，所以由于污底所增加的阻力主要與船舶出塢的時(shí)間有關(guān)，所以可以用公式估算出因污底而增加的摩擦阻力百分?jǐn)?shù)：可以用公式估算出因污底而增加的摩擦阻力百分?jǐn)?shù)： 估算方法：估算方法： 其中：其中：F F為摩擦阻力增加百分?jǐn)?shù)；為摩擦阻力增加百分?jǐn)?shù)； d d為距最后一次出塢的時(shí)間（天）；為距最后一次出塢的時(shí)間（天）； d d0 0為距新船首次出塢的時(shí)間（天）；為距新船首次出塢的時(shí)間（天）； k1k1、k2k2、k3k3為常數(shù)，根據(jù)在一定航線上航行的一定為常數(shù)，根據(jù)在一定航線上航行的一定類型船舶的試航結(jié)果確定。類型船舶的試航結(jié)果確定。船體表面粗糙度對(duì)摩

50、擦阻力的影響船體表面粗糙度對(duì)摩擦阻力的影響污污 底底： 防治方法：防治方法： 1 1、涂敷防污底漆；、涂敷防污底漆； 2 2、淡水除污；、淡水除污； 3 3、進(jìn)塢除污。、進(jìn)塢除污。船體濕表面積計(jì)算方法船體濕表面積計(jì)算方法l1.根據(jù)船舶型線圖進(jìn)行計(jì)算（較為準(zhǔn)確的方法）根據(jù)船舶型線圖進(jìn)行計(jì)算（較為準(zhǔn)確的方法） 1) 量取不同站位橫剖面曲線的圍長(zhǎng)l，沿船長(zhǎng)方向進(jìn)行積分, 2）若已用一些軟件繪制出三維的船體表面型線圖，也可利用軟件直接得到船體濕表面積數(shù)值。 為設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)WLLwLLldxS0 荷蘭瓦根寧（荷蘭瓦根寧（Wagningen） 一般民船的濕表面積計(jì)算公式一般民船的濕表面積計(jì)算公式: Danc

51、kwardt公式：公式： Schneekluth公式公式: 我國(guó)長(zhǎng)江船型我國(guó)長(zhǎng)江船型: 交通部船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所提出的的系列江船船型交通部船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所提出的的系列江船船型: 近近 似似 估估 算算 方方 法法3/13/1)5 . 04 . 3(ppLS)13)65. 0(2 . 07 . 1(13TCCSbbRCCBCTLSbmbpp75.0)176.088.0()1 (6401.01)(8 .1 (3)8 . 1 (BCTLSbwL)8 . 1 (/6459BCTTBLSbwL其中Lpp 為船的垂線間長(zhǎng)（m）， 為船的排水體積（m）其中， 為方型系數(shù)。此式適用于貨船及客船。此式對(duì)于普通

52、船型和泰勒船型較為準(zhǔn)確，其中R為剩余面積，為圖中陰影部分bC船體濕表面積估算方法船體濕表面積估算方法),(msCTBfC wlLCsS 對(duì)于船體濕表面積，也可以利用一些資料給出的系列船型對(duì)于船體濕表面積，也可以利用一些資料給出的系列船型濕表面積圖譜進(jìn)行估算：濕表面積圖譜進(jìn)行估算： 其中，其中，CsCs為濕表面積系數(shù)，與船型有關(guān)，不同系列給出的函為濕表面積系數(shù)，與船型有關(guān)，不同系列給出的函數(shù)形式不同。數(shù)形式不同。 桑地系列圖譜：桑地系列圖譜： 泰勒系列圖譜：泰勒系列圖譜： 高速排水型快艇系列圖譜：高速排水型快艇系列圖譜： 如：如：格羅特建議園舭快艇的濕表面積系數(shù)：格羅特建議園舭快艇的濕表面積系數(shù)

53、：Cs=2.75Cs=2.75),(3TBLCfCps估算船體濕表面積系數(shù)的桑地圖譜估算船體濕表面積系數(shù)的桑地圖譜 為船中橫剖間面積系數(shù)，見(jiàn)圖譜2-8。其中 為濕表面積系數(shù)， 是船型參考系數(shù)。利用濕表面積系數(shù)圖譜估算濕表面積利用濕表面積系數(shù)圖譜估算濕表面積l應(yīng)用給出的濕表面積系數(shù)圖譜進(jìn)行估算應(yīng)用給出的濕表面積系數(shù)圖譜進(jìn)行估算 l桑地給出公式為桑地給出公式為 l泰洛系列船型可以利用泰洛系列船型可以利用 wLsLCSsCmC),(msCTBfC ),(3TBLCfCps2.3 2.3 減小船體摩擦阻力的方法減小船體摩擦阻力的方法減小船體摩擦阻力的途徑減小船體摩擦阻力的途徑仿生學(xué)研究改變船體周圍流體

54、介質(zhì)邊界層控制減小濕表面積2.3 2.3 減小船體摩擦阻力的方法減小船體摩擦阻力的方法1 1、減小濕表面積：、減小濕表面積：如低速船采用肥而短的船型，盡量減少如低速船采用肥而短的船型，盡量減少不必要的附體如呆木，采用表面積較小的附體等，水翼艇和不必要的附體如呆木，采用表面積較小的附體等，水翼艇和氣墊船將船體抬出水面等。氣墊船將船體抬出水面等。2 2、邊界層控制：、邊界層控制：抽吸邊界層內(nèi)一部分流體以延長(zhǎng)層流區(qū)，抽吸邊界層內(nèi)一部分流體以延長(zhǎng)層流區(qū)，自物體表面沿著流體流動(dòng)方向向后吹噴流體，使得湍流邊界自物體表面沿著流體流動(dòng)方向向后吹噴流體，使得湍流邊界變厚，進(jìn)而減小邊界層內(nèi)的流體速度梯度；順著來(lái)流

55、方向布變厚，進(jìn)而減小邊界層內(nèi)的流體速度梯度；順著來(lái)流方向布置微小的溝槽；在船體表面粘貼微溝槽薄膜等。置微小的溝槽；在船體表面粘貼微溝槽薄膜等。3 3、改變船體周圍流體介質(zhì)：、改變船體周圍流體介質(zhì)：如向與船體表面相鄰的流體中如向與船體表面相鄰的流體中不斷噴注稀釋的聚合物溶液（高分子化合物）；在船體底部不斷噴注稀釋的聚合物溶液（高分子化合物）；在船體底部形成氣膜（空氣薄層），或空氣與水混合的氣幕和微氣泡等。形成氣膜（空氣薄層），或空氣與水混合的氣幕和微氣泡等。4 4、仿生學(xué)研究：、仿生學(xué)研究：在船體表面敷貼橡皮等彈性覆蓋層等。在船體表面敷貼橡皮等彈性覆蓋層等。 此外，由于船體表面粗糙度對(duì)摩擦阻力影

56、響較大，因而此外，由于船體表面粗糙度對(duì)摩擦阻力影響較大，因而在可能范圍內(nèi)應(yīng)使船體表面盡可能光滑。在可能范圍內(nèi)應(yīng)使船體表面盡可能光滑。2.4 2.4 粘壓阻力粘壓阻力適用范圍巴普米爾粘壓阻力估算公式巴普米爾粘壓阻力估算公式 其中，Am為船中橫剖面面積，Lr為船體去流段長(zhǎng)度。德國(guó)萊茵威斯特法倫州亞琛工大造船設(shè)計(jì)和船舶動(dòng)力學(xué)專家斯內(nèi)克魯特赫伯特，通過(guò)對(duì)泰勒船模試驗(yàn)結(jié)果分析得出粘壓阻力估算公式粘壓阻力估算公式 粘壓阻力粘壓阻力 -粘壓阻力估算方法rmLAmPVPVSASURC2209.0215 . 425. 2TB7110/10333LC)10035. 0535. 0()408. 010058. 0(

57、)61013(16. 010026. 01033333CCCCTBCCPPv80. 048. 0PC 粘壓阻力粘壓阻力 -粘壓阻力估算方法 在工程上，因粘壓阻力在船體總阻在工程上，因粘壓阻力在船體總阻力中占有的比重較小，同時(shí)也很難從力中占有的比重較小，同時(shí)也很難從船體總阻力中分離出來(lái)進(jìn)行確定，所船體總阻力中分離出來(lái)進(jìn)行確定，所以常常將其合并到摩擦阻力或興波阻以常常將其合并到摩擦阻力或興波阻力中一并考慮。力中一并考慮。粘壓阻力與船型的關(guān)系粘壓阻力與船型的關(guān)系船體粘壓阻力產(chǎn)生由于船體表面具有邊界層或邊界層離體。其中主要是邊界層離體。船體形狀對(duì)粘壓阻力的影響 1、船后體形狀對(duì)粘壓阻力的影響船后體形狀

58、對(duì)粘壓阻力的影響 2 2、船前體對(duì)粘壓阻力的影響、船前體對(duì)粘壓阻力的影響 3 3、螺旋槳對(duì)粘壓阻力的影響、螺旋槳對(duì)粘壓阻力的影響 邊界層離體的充要條件是流體的粘性和增壓區(qū)具有逆壓梯度。逆壓梯度越大，邊界層越易離體。而逆壓梯度與物體表面形狀有關(guān)，尤其與物體后部形狀有關(guān)。 粘壓阻力與船型的關(guān)系粘壓阻力與船型的關(guān)系船后體形狀對(duì)粘壓阻力的影響船后體形狀對(duì)粘壓阻力的影響 船后體形狀是影響粘壓阻力的主要因素船后體形狀是影響粘壓阻力的主要因素 為了延緩邊界層離體，應(yīng)盡量使船后體收縮緩和。反之，若船后體收縮為了延緩邊界層離體，應(yīng)盡量使船后體收縮緩和。反之，若船后體收縮急劇，急劇，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的邊界層內(nèi)流體離體現(xiàn)

59、象會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的邊界層內(nèi)流體離體現(xiàn)象，形成大量旋渦，導(dǎo)致粘形成大量旋渦，導(dǎo)致粘壓阻力增大。壓阻力增大。要避免產(chǎn)生大量的旋渦，在船舶設(shè)計(jì)中必須注意下面兩點(diǎn)：要避免產(chǎn)生大量的旋渦，在船舶設(shè)計(jì)中必須注意下面兩點(diǎn)： 船后體長(zhǎng)度船后體長(zhǎng)度LrLr（又稱去流段長(zhǎng)度）應(yīng)滿足（又稱去流段長(zhǎng)度）應(yīng)滿足 LrLr4.084.08AmAm0.50.5, ,其中其中AmAm為船中橫剖面面積；為船中橫剖面面積； 船后體收縮要緩和。船后體收縮要緩和。船尾水線與縱中線間的夾角應(yīng)隨航速的增大而船尾水線與縱中線間的夾角應(yīng)隨航速的增大而減小減小，對(duì)長(zhǎng)寬比，對(duì)長(zhǎng)寬比L/BL/B6 6，尾部水線接近水平的船體而言，低速船的夾，尾部水線接近水平的船體而言，低速船的夾角不超過(guò)角不超過(guò)2020，高速船不超過(guò)，高速船不超過(guò)16 16；對(duì)短而豐滿且寬度吃水比；對(duì)短而豐滿且寬度吃水比B/T3B/T3的的船型而言，因船后體的水流較多地沿著縱剖線方向流動(dòng)，至船尾部則船型而言，因船后體的水流較多地沿著縱剖線方向流動(dòng)，至船尾部則大致沿對(duì)角線方向流動(dòng)，故上述所要求的角度是指對(duì)角線平面在尾部大致沿對(duì)角線方向流動(dòng)，故上述所要求的角度是指對(duì)角線平面在尾部的坡度。的坡度。 船前體形狀對(duì)粘壓阻力的影響也不能忽視。如