2023學年完整公開課版粘壓阻力

項目七船舶阻力三、粘壓阻力

一、粘壓阻力的概念

當在船體曲度驟變處，特別是較豐滿船的尾部由于水具有粘性常會產(chǎn)生旋渦，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，使首壓力大于尾壓力。這種由粘性引起船體前后壓力不平衡而產(chǎn)生的阻力稱為粘壓阻力，用Rpv表示。一、粘壓阻力的成因從能量觀點來看，在船尾部形成旋渦要消耗能量，而—部分旋渦被沖向船的后方，同時船尾處又繼續(xù)不斷的產(chǎn)生旋渦，這樣船體就要不斷地供給能量，這部分能量的損耗就是以粘壓阻力的形式表現(xiàn)的。粘壓阻力習慣上也叫旋渦阻力或形狀阻力。應該指出的是：

對于流線型物體，甚至是某些優(yōu)良船型，雖然并不發(fā)生界層分離現(xiàn)象，但仍然存在粘壓阻力。

這是因為邊界層的形成使尾部流線被排擠外移，尾部也會有壓力降而產(chǎn)生首尾壓差，形成粘壓阻力，不過與界層分離而引起的粘壓阻力相比，此時的粘壓阻力要小得多。影響粘壓阻力的最重要因素是物體形狀，特別是船體的后體形狀，因此粘壓阻力有時也稱為形狀阻力。此外，界層內(nèi)的流動狀態(tài)對粘壓阻力亦有重要影響。

1、粘壓阻力與后體形狀的關系粘壓阻力產(chǎn)生的原因是由于粘性作用和物體后部的縱向壓力梯度。

如果后體收縮較緩和，則沿曲面的流速變化較緩慢，因而縱向正壓力梯度較小，分離現(xiàn)象可以推遲，甚至避免，因而粘壓阻力可以減小。反之，物體后體收縮急劇，將會出現(xiàn)嚴重的分離現(xiàn)象，粘壓阻力增大?！憬Y論是：物體后部形狀是影響粘壓阻力的主要因素。二、粘壓阻力的特征根據(jù)大量的試驗結果，在設計線型時必須注意下列兩條經(jīng)驗：

1）后體長度Lr，又稱去流段長度，應滿足

2）后體收縮要緩和。

具體要求是：對不同航速范圍的船舶，其船尾水線與中線之間的夾角應隨航速增大而減小。2、前體形狀對粘壓阻力的影響

必須指出，粘壓阻力雖然主要由船的后體形狀決定，但其前體形狀對粘壓阻力并非毫無關系。

如果船的前體過于肥短，流線擴張很大，流速增加快，在最大剖面處的速度很高，而壓力會降得很低，使得后體范圍的正壓力梯度增加，流動急劇減速，因此粘壓阻力將增大。

近年來的試驗研究指出：對于豐滿船特別是肥大船型常在船首舭部產(chǎn)生外旋的舭渦，在船尾舭部產(chǎn)生內(nèi)旋的舭渦（舭渦的旋轉(zhuǎn)方向按照由船后向前看順時針為外旋，逆時針為內(nèi)旋）。

船首舭渦是整個船體粘壓阻力的一部分。肥大船型的船首形狀對船首舭渦影響很大，因此首部形狀與粘壓阻力的關系同樣需要注意。

舭部很易產(chǎn)生界層分離而形成舭渦。舭渦的產(chǎn)生使船首底部形成低壓區(qū)，不但使粘壓阻力增加，而且造成了船體航行過程中的埋首現(xiàn)象，又會增加阻力。

采用船首底升高的球鼻型首，首部舭側水流明顯趨于沿水平方向流動，因此阻力性能有明顯改善。

采用球鼻首后，無論在滿載狀態(tài)還是輕載狀態(tài)，其剩余阻力系數(shù)均有明顯減小。由于豐滿船型的速度較低，興波阻力較小，粘壓阻力在剩余阻力中占較大比重。因而可以認為上述剩余阻力降低的主要原因是由于減小或消除了船首底部的旋渦運動所致。A：普通船首B：球鼻型首

據(jù)試驗結果介紹：采用球鼻型首的船模的埋首和平行下沉較普通船首的船模有明顯減小。3、界層內(nèi)流動狀態(tài)對粘壓阻力的影響

粘壓阻力的大小與界層內(nèi)的流動狀態(tài)關系甚密，這是因為粘壓阻力與分離區(qū)域的大小有關。

如果界層內(nèi)為層流流動，則法向流速分布圖比較瘦削，流體動能不如紊流情況大，因此，層流界層比紊流界層容易分離，分離點比較靠近前端，分離區(qū)較大，因而粘壓阻力較紊流情況為大。在流態(tài)不變情況下，粘壓阻力系數(shù)Cvp基本上與雷諾數(shù)Re無關，主要取決于物體形狀。特別Re超過臨界雷諾數(shù)后，粘壓阻力系數(shù)Cvp幾乎是常數(shù)，即粘壓阻力近似與速度的平方成比例。這意味著，在超臨界雷諾數(shù)范圍內(nèi)，實船和模型盡管雷諾數(shù)不同，但粘壓阻力系數(shù)卻相等。由上知，船體粘壓阻力與船型有密切關系。在船舶設計時應該注意船型參數(shù)的選取，具體要求是：

1、應注意船的后體形狀去流段長度滿足,對于低速肥大船型可允許滿足。同時，后體收縮要緩和。

2、應避免船體曲率變化過大

在橫剖面面積曲線上前肩切勿過于隆起，后肩切勿過于內(nèi)凹，否則兩肩部容易產(chǎn)生旋渦，以致增大粘壓阻力。三、降低粘壓阻力的船型要求

3、前體線型亦應予以適當注意特別對低速肥大型船，其舭渦阻力是粘壓阻力的重要組成部分，采用球鼻型船首有可能減小這一部分阻力。根據(jù)統(tǒng)計資料，粘壓阻力系數(shù)隨方形系數(shù)Cb而增大，特別是對于Cb＞0.80的肥大船型，船模試驗表明：分離現(xiàn)象幾乎是不可避免的，而分離區(qū)的大小與后體棱形系數(shù)關系甚密，為此對尾部線型需要特別注意。目前有兩種處理粘壓阻力的方法：

1、19世紀60年代傅汝德提出，將粘壓阻力歸并入興波阻力而統(tǒng)稱為