(整理)阻力估算及Cp法

1、精品文檔第1章阻力估算船體型線確定以后，計算船體在不同航速下所收到的阻力是預估船舶快速性的基礎，本文采用系類實驗圖譜估算發(fā)和統(tǒng)計和回歸資料估算法對船舶阻力進行估算，獲得不同航行速度下的阻力并繪制有效馬力曲線，為螺旋槳的設計提供理論依據(jù)。1.1相關(guān)參數(shù)計算1.1.1排水體積計算運用CAD自帶的面積測量功能，獲取每條半寬水線與基線所圍成的面積，則可得到每條水線所圍成的面積表3-1水線面面積數(shù)據(jù)250wl500wl1000wl2000wl3000wl4000wl5000wl6000wl7000wl8000wl9000wl10000wl10820wl采用梯形法計算排水體積。由于01000wl，1000

2、10000wl、10000wl10820wl的間距不相同，分三部分進行計算。梯形法計算的表格如表4-2表3-2梯形法計算排水體積水線號水線面面積乘數(shù)面積乘積00.525015001750110000.5總和2501102.05410000.52000130001400015000160001700018000190001100000.5總和Al100015259.9100000.5108200.5總和8201603.849排水體積V35931.6海水密度P二1025.91(kg/m3)在海水中的設計排水量V=36943t設計排水體積A=Vp36009-9.、八A-A絕對誤差設計計算x100%=

3、0.217A設計誤差主要來源：各水線面面積的計算誤差采用梯形法計算的誤差浮心縱向坐標計算運用CAD自帶的曲線面積測量工具，獲取每站位上橫剖線圍成的橫剖面積，由梯形法可計算排水體積以及浮心縱向坐標表3-3梯形法計算和浮心縱向坐標站號橫剖面面積乘數(shù)面積乘數(shù)矩臂面炬乘積尾封板0.5000.5004.14013.5100.500-5-7.1890.251.000-4.75-68.9230.51.000-4.5-234.5330.751.000-4.25-365.09111.000-4-469.6421.251.000-3.75-549.7351.51.000-3.5-615.2361.751.000-

4、3.25-650.80421.000-3-674.1402.251.000-2.75-671.9562.51.000-2.5-659.9562.751.000-2.25-624.34230.500-2-145.494總和4.1158030.285-5737.042-23607.9330.500-2-145.49441.000-1-315.51451.00000.00061.0001313.57770.5002142.847總和l16.46020333.408-4.584-75.4570.5002142.8477.251.0002.25607.2597.51.0002.5635.2297.751

5、.0002.75634.39381.0003621.8568.251.0003.25581.7548.51.0003.5527.511精品文檔3.75454.4979圍長乘數(shù)精品文檔8.751.0009.259.59.7510總和10球首總和40.71027.08420.71320.7130.000Al1.0001.0001.0001.0000.5004.1150.5000.5004.0707359.42742.15035778.7814.254.54.75366.724267.257183.197128.65125.8915177.065-564.56121303.62-2379.76在海水

6、中設計排水量A=369t43海水密度P二1025.9g(m3/)設計排水體積V=A/pV-V絕對誤差計_計算x100%=0.642V設計一一工M浮心縱向坐標X=吟=-0.07bVX浮心縱向坐標距船中(L%)bx100%=-0.04LBP濕表面積計算運用CAD自帶的曲線長度測量工具，獲取每個站位上水線以下部分橫剖面曲線所圍成長度。利用梯形法計算濕表面積。具體計算見表3-4表3-4梯形法計算濕表面積站號橫剖面圍長乘數(shù)圍長乘數(shù)站號橫剖面圍長乘數(shù)00.570.50.2517.251精品文檔精品文檔0.517.510.7517.75111811.2518.2516.9711.518.511.7518.7

7、5121912.2519.2512.519.512.7519.75130.5100.5部分和4.12部分和4.12站號橫剖面圍長乘數(shù)圍長乘數(shù)站號橫剖面圍長乘數(shù)圍長乘數(shù)30.5尾封板1.380.54103.710.551部分和10.5445861球首0.000.570.5109.920.5部分和部分和20.19331總和677.795計算濕表面積S=6377.7m925計算設計船濕表面積S=644m82設計絕對誤差（100%）S-S_計算100%=1.09S設計1.2阻力估算船舶在水中航行所受的水阻力可分為船舶在靜水中航行時的靜水阻力和波浪中的洶濤阻力兩部分。船舶在靜水中運動時所受到的阻力與船體

8、周圍的流動現(xiàn)象密切有關(guān)。根據(jù)觀察，船體周圍的繞流運動情況相當復雜，但主要有以下三種流動現(xiàn)象：（1）興波阻力：船體在運動過程中興起波浪，簡稱興波阻力。興波阻力包括產(chǎn)生穩(wěn)定的船行波和不穩(wěn)定的破波。由于船行波的產(chǎn)生，改變了船體表面的壓力分布情況，船首的波峰使首部壓力增加，而船尾的波谷是尾部壓力降低，于是產(chǎn)生首尾流體動壓力差，形成阻力。從能量觀點看，無論是船行波還是破波都具有一定的能量，這些能量必然由船體供給。這種由于船體運動不斷興波而耗散能量所產(chǎn)生的阻力稱為興波阻力，一般用Rw表示。（2）摩擦阻力：當船舶運動時，由于水的粘性，在船體周圍形成“邊界層”，從使船體運動過程中受到粘性切應力，亦即船體表面產(chǎn)

9、生了摩擦力，它在運動方向的合力便是船體摩擦阻力，用Rf表示.（3）粘壓阻力：在船體曲度驟變出，特別是較豐滿船的尾部常會產(chǎn)生旋渦。旋渦產(chǎn)生的根本原因也是由于水具有粘性。旋渦處的水壓力下降，從而改變了沿船體表面的壓力分布情況。這種有粘性引起船體前后壓力不平穩(wěn)產(chǎn)生的阻力稱為粘壓阻力，用Rpv表示。從能量觀點看，克服粘壓阻力所做的功耗散為旋渦能量。粘壓阻力習慣也叫旋渦阻力。在阻力計算方面，對于各類阻力的計算已有很多相關(guān)的研究。對于摩擦阻力，一般分為相當平板摩擦阻力和計及船型椅子的阻力增加系數(shù)kRf,并有了很多的經(jīng)驗公式可供阻力估算；粘壓阻力和興波阻力的計算通常采用尾流測量法，隨著邊界層非線性理論研究的

10、深入和流體力學理論（CFD）的發(fā)展，粘壓阻力和興波阻力的理論計算得到了很多發(fā)展，并在實際中得以運用，但目前的理論方法還不能正確地計算船舶阻力。現(xiàn)有的阻力估算通常按傅汝德分類方法將船體靜水阻力分為相當平板摩擦阻力和剩余阻力。本文進行阻力估算均采用了傅汝德分類方法。根據(jù)現(xiàn)有資料和設計的船型參數(shù)，選擇泰勒系列圖譜法、艾亞（Ayre）法、蘭潑-凱勒（Lap-Keller）法進行阻力估算。1.2.1航速預設船舶在不同的航速下航行具有不同的雷偌數(shù)和傅汝德數(shù)，因此不同的航行速度具有遭受的阻力不同。在進行阻力估算前，必須先預設一組航速。集裝箱船的航速一般為2225kn,經(jīng)濟航速為17kn，本船設計航速為17.

11、5kn預設航速為1522kn，則Fr=0.1900.282。根據(jù)船型分類，屬于中速船范圍。1.2.2泰勒法阻力估算（1）運用泰勒系列剩余阻力系數(shù)C圖譜插值求出不同預設航速下的剩余阻r力系數(shù)，如表3-5，具體插值計算示例見附錄表3-5插值后的剩余系數(shù)假定航速1515.51616.51717.51818.5Fr盡1000Cr假定航速1919.52020.52121.522Fr=7gL1000Cr2）按桑海公式計算相當平板摩擦阻力系數(shù)C二0.4631(lgRe)（3）粗糙度附加值（4）總阻力系數(shù)（5）總阻力（N）（6）取附體系數(shù)k二0.03,apR二R（1+k）+Rtstapaa計算得到的總阻力如表

12、3-6AC二0.4X10-3fC二C+AC+CtffrR=C1pv2St12空氣阻力系數(shù)C二0.1x10-3，總阻力aa表3-6泰勒法估算總阻力艾亞法阻力估算艾亞法阻力估算步驟（1）由設計船舶的Fr和VNL及L/A1/3值在艾亞法標準船型系數(shù)C值查得0相應于標準船型的C值；0（2）根據(jù)Fr或V21由標準方形系數(shù)C及標準浮心縱向位置x表插值該集裝箱船對bcc應的標準準方形系數(shù)C及標準浮心縱向位置x；bccB對實船進行修正，包括方形系數(shù)C的修正，寬度吃水比石的修正、浮心縱向位置bcTx的修正、水線長度L的修正。cwl計算得到的總阻力如表3-7表3-7艾亞法估算阻力1.2.4蘭潑-凱勒法阻力估算蘭潑

13、-凱勒法阻力估算步驟：根據(jù)船舶的C和x值，由蘭潑-凱勒法的浮心位置分組圖決定使用何組圖譜進行內(nèi)pc插VSS根據(jù)實船的=及C值，由選定的C圖譜獲取C的值，計算得到C的CLPrArArpmm值因圖譜以L/B=6.5給出，根據(jù)計算船的L/B值進行修正摩擦阻力系數(shù)由桑海公式算出，粗糙度補貼系數(shù)根據(jù)船長選取AC=0.2X10-3f計算總阻力系數(shù)及總阻力圖譜以B/T=2.4給出，在獲得總阻力R后，對總阻力做修正tBAR=10(-2.4)x0.5%RtTt經(jīng)過修正后的實船總阻力為R=R+ARtt取附體系數(shù)k=0.03，空氣阻力系數(shù)C=0.1x10-3，總阻力apaaR=R(1+k)+Rtstapaa計算的阻

14、力值如表3-8表3-8蘭潑-凱勒法估算阻力1.3阻力換算與比較實驗船型為長度為122m的幾何相似船型，給定的實驗值與計算值進行比較前需進行阻力換算，消除船體尺度所引發(fā)的誤差。上世紀5060年代甚至更早些年代，船模與實船間的換算關(guān)系都是采用二因次法，即將船舶阻力劃分為摩擦阻力與剩余阻力兩部分，換算到實船時再加上粗糙度補貼。這對早期的軍船、小型船舶及方形系數(shù)不大的船舶是可行的，但隨著船越造越大，方形系數(shù)也大大增加，再將服從雷諾定律的粘性阻力、漩渦阻力以及其他一些阻力分量都歸入剩余阻力中是不適宜的，甚至會出現(xiàn)實船比模型還光滑的謬論，于是就出現(xiàn)了三因次換算法。對于方形系數(shù)較大的低速船，進行模型和實船阻

15、力換算時通常采用三因次換算法；對于中高速船，進行模型和實船阻力換算時通常采用二因次換算方法本文的Fr=0.190.284,屬于中高速船舶，因此本文采用了二因次換算法，即傅汝德?lián)Q算。為計算方便，將實船阻力系數(shù)應用傅汝德阻力換算換算為122m實驗船的阻力系數(shù)，并在相當船速下進行比較。1.3.1阻力系數(shù)換算總阻力系數(shù)125R-1兀1/2PV2V2/3傅汝德阻力換算125-+(s)(C-C-AC)122s兀f122fsf三種計算方法得到的阻力經(jīng)換算后的總阻力系數(shù)為表3-9經(jīng)傅汝德?lián)Q算后的總阻力系數(shù)122泰勒122艾亞122蘭潑1.3.2阻力比較將換算后的總阻力系數(shù)與相當速度下試驗得到的阻力數(shù)據(jù)進行比較

16、4兀vCD計算設計船在預設航速下的速度系數(shù)()=廠Ge根據(jù)設計船的預設航速下的速度系數(shù)計算相應速度下試驗船的航速根據(jù)以后的實驗航速下的阻力系數(shù)插值得到計算航速下的122比較三種不同計算方法經(jīng)轉(zhuǎn)換后的值與試驗船的進行比較，計算誤差122表3-10相當航速下計算值與實驗值比較相當航速(kn)1515.51616.51717.518Froud122ITTC122122泰勒絕對誤差(100%)122艾亞絕對誤差(100%)122蘭潑絕對誤差(100%)相當航速(kn)1919.52020.52121.522Froud122ITTC122122泰勒絕對誤差（100%）122艾亞絕對誤差（100%）122

17、蘭潑絕對誤差（100%）圖3-1計算阻力系數(shù)與實驗阻力系數(shù)圖3-2計算阻力系數(shù)與實驗阻力系數(shù)誤差比較誤差分析由以上計算可知，計算阻力與船舶實驗阻力具有一定的誤差，且不同的計算方法的誤差不同。由圖3-2可知，蘭潑法的整體誤差較小，一般低于5%，泰勒法和艾亞發(fā)的誤差均較大，且誤差隨航速分布成方向。對于不同的計算方法，誤差主要來源主要有一下幾個方面：（1）阻力分類計算方法引發(fā)的誤差：本文中阻力的估算均采用的是傅汝德阻力分類方法，將船體阻力分為相當平板年的摩擦阻力和剩余阻力。傅汝德把船體阻力分成互不相關(guān)的兩個獨立部分，忽略了兩者的相互聯(lián)系；其次，傅汝德將行波阻力和粘壓阻力這兩種不同性質(zhì)的阻力成分合并成

18、剩余阻力，并認為符合傅汝德比較定律，在理論上是不恰當?shù)?；最后，船體形狀的復雜的三因次物體，其周圍的流動情況與平板相比顯然有一定的差別，因此，用相當平板阻力代替船體摩擦阻力必然是有誤差的。（2）阻力估算方法引發(fā)的誤差：泰勒法的母型船為一巡洋艦，阻力性能較好，因此對航速較高、船型較痩的雙螺旋漿船用此法較為恰當。本設計船為單螺旋槳集裝箱船，方形系數(shù)C二0.675，船型雖瘦，在一定程度上符合計算的要求，但b仍存在較大誤差。同時，泰勒系列圖譜的1000V/L37.0，而設計船的1000V/L=7.47，差值時采用了外插進行剩余阻力C的計算。r艾亞法船型系列的統(tǒng)計資料代表著20實際40年代以前的船型，隨之

19、時代的發(fā)展，現(xiàn)在的船型較過去有了很大的改變，因此艾亞法雖適用范圍較廣，對中、低速船的估算結(jié)果與船模實驗的吻合程度尚好，但誤差能較大。同時，艾亞法所需的主要參數(shù)X在用梯形法計算中本身存在誤差，再用于阻力估算中產(chǎn)生的誤差c較其他方法更大。蘭潑-凱勒法的阻力估算結(jié)果與船模實驗結(jié)果吻合度較好，存在的誤差主要源于對圖譜的讀數(shù)上。（3）阻力換算引發(fā)的誤差：本文才用了傅汝德阻力換算方法，即二因次阻力換算。二因次阻力換算引發(fā)的誤差如（1）中分析類似，不再做過多分析。1.4本章小結(jié)本章在型線確定及繪制完畢后，進行參數(shù)驗證以及阻力估算。通過計算排水體積、濕表面積、浮心縱向坐標等，可以得出計算參數(shù)與設計參數(shù)存在的誤

20、差較小，型線設計和繪制基本合格。本章采用了三種阻力估算方法：泰勒系列圖譜法、艾亞法、蘭潑-凱勒法。與船模實驗得出的實驗值進行比較可知，蘭潑-凱勒法對本設計船的適用性較好，估算值與實驗阻力值誤差較小。第四章型線變換4.1基本公式本船型線設計系用“1-Cp”方法進行型線設計。其基本公式為5dx=(i-tCpLLp1-Cpf2前體）dx=(1-x)5CpaLpp1-Cpa2后體）4.2浮心的確定母型船的浮心為:-1.16米；設計船的浮心為:-1.1米。4.3繪制無因次橫剖面面積曲線利用EXCEL表格，計算母型船各站處的橫剖面面積，如表4-2所列。站號母型船各站橫剖面面積（m2）站號母型船各站橫剖面面

21、積（m2）03.2671118.0815.351217.2128.0561315.77310.471414.06412.621511.82514.6169.39616.455176.735718.049184.11819.23191.69919.92001020.19表4-2母型船各站橫剖面面積4.4系數(shù)的確定母型船資料：垂線間長Lpp0=37m,菱形系數(shù)Cp0=0.608,浮心縱向坐標xbO=-O.O31。設計船資料：垂線間長Lpp=34m,菱形系數(shù)Cp=0.588,浮心縱向坐標xb=-0.028。C=C+2.25X“=0.608+2.25x(-0.031)=0.538；pf0p0b0C=C

22、-2.25X=0.608-2.25x(-0.031)=0.678；pa0p0b0Cpf=Cp+2.25Xb=0.588+2.25x(-0.028)=0.525；C=C-2.25X=0.588-2.25x(-0.028)=0.651；papb8C=C-C協(xié)=0.525-0.538=-0.013；pfpfpf08C=C-C=0.651-0.678=-0.027；papapa08C丿1-C協(xié)=-0.02818C/1-C尸-0.0839。pfpf0papa019號站移動距離：Axl9=(1-0.9)Cpf/l-Cpf)x(Lpp0/2)18號站移動距離：Axl8=(1-0.8)(5Cpf/1-Cpf)

23、x(Lpp0/2)17號站移動距離：Ax17=(1-0.7)(5Cpf/1-Cpf)x(Lpp0/2)16號站移動距離：Ax16=(1-0.6)(5Cpf/1-Cpf)x(Lpp0/2)15號站移動距離：Ax15=(1-0.5)(5Cpf/1-Cpf)x(Lpp0/2)14號站移動距離：Ax14=(1-0.4)(5Cpf/1-Cpf)x(Lpp0/2)13號站移動距離：Ax13=(1-0.3)(5Cpf/1-Cpf)x(Lpp0/2)12號站移動距離：Ax12=(1-0.2)(5Cpf/1-Cpf)x(Lpp0/2)11號站移動距離：Ax11=(1-0.1)(5Cpf/1-Cpf)x(Lpp0

24、/2)10號站移動距離：Ax10=0。9號站移動距離：Ax9=(1-0.1)Cpa/1-Cpa)x(Lpp0/2)=(1-0.9)x(-0.0281)x18.5=-0.052m。=(1-0.8)x(-0.0281)x18.5=-0.104m。=(1-0.7)x(-0.0281)x18.5=-0.156m。=(1-0.6)x(-0.0281)x18.5=-0.208m。=(1-0.5)x(-0.0281)x18.5=-0.260m。=(1-0.4)x(-0.0281)x18.5=-0.312m。=(1-0.3)x(-0.0281)x18.5=-0.364m。=(1-0.2)x(-0.0281)x

25、18.5=-0.416m。=(1-0.1)x(-0.0281)x18.5=-0.468m。=(1-0.1)x(-0.0839)x18.5=-1.400m。8號站移動距離：Ax8=(l-0.2)Cpa/l-Cpa)x(LppO/2)=(1-0.2)x(-0.0839)xl8.5=-1.242m。7號站移動距離：Ax7=(1-0.3)(5Cpa/1-Cpa)x(Lpp0/2)=(1-0.3)x(-0.0839)x18.5=-1.087m。6號站移動距離：Ax6=(1-0.4)(5Cpa/1-Cpa)x(Lpp0/2)=(1-0.4)x(-0.0839)x18.5=-0.931m。5號站移動距離：Ax5=(1-0.5)(5Cpa/1-Cpa)x(Lpp0/2)=(1-0.5)x(-0.0839)x18.5=-0.776m。4號站移動距離：Ax4=(1-0.6)(5Cpa