第3章 船舶兴波及兴波阻力
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第一章总论1.船舶快速性,船舶快速性问题的分解。
船舶快速性:对一定的船舶在给定主机功率时,能达到的航速较高者快速性好;或者,对一定的船舶要求达到一定航速时,所需主机功率小者快速性好。
船舶快速性简化成两部分:“船舶阻力”部分:研究船舶在等速直线航行过程中船体受到的各种阻力问题。
“船舶推进”部分:研究克服船体阻力的推进器及其与船体间的相互作用以及船、机、桨(推进器)的匹配问题。
2.船舶阻力,船舶阻力研究的主要内容、主要方法。
船舶阻力:船舶在航行过程中会受到流体(水和空气)阻止它前进的力,这种与船体运动相反的作用力称为船的阻力。
船舶阻力研究的主要内容:1.船舶以一定速度在水中直线航行时所遭受的各种阻力的成因及其性质;2.阻力随航速、船型和外界条件的变化规律;3.研究减小阻力的方法,寻求设计低阻力的优良船型;4.如何较准确地估算船舶阻力,为设计推进器(螺旋桨)决定主机功率提供依据。
研究船舶阻力的方法:1.理论研究方法:应用流体力学的理论,通过对问题的观察、调查、思索和分析,抓住问题的核心和关键,确定拟采取的措施。
2.试验方法:包括船模试验和实船实验,船模试验是根据对问题本质的理性认识,按照相似理论在试验池中进行试验,以获得问题定性和定量的解决。
3.数值模拟:根据数学模型,采用数值方法预报船舶航行性能,优化船型和推进器的设计。
3.水面舰船阻力的组成,每种阻力的成因。
船舶在水面航行时的阻力由裸船体阻力和附加阻力组成,其中附加阻力包括空气阻力、汹涛阻力和附体阻力。
船体阻力的成因: 船体在运动过程中兴起波浪,船首的波峰使首部压力增加,而船尾的波谷使尾部压力降低,产生了兴波阻力;由于水的粘性,在船体周围形成“边界层”,从而使船体运动过程中受到摩擦阻力;在船体曲度骤变处,特别是较丰满船的尾部常会产生漩涡,引起船体前后压力不平衡而产生粘压阻力。
4.船舶阻力分类方法。
1.按产生阻力的物理现象分类:船体总阻力由兴波阻力、摩擦阻力和粘压阻力Rpv三者组成,即Rt=Rw+Rf+Rpv.2.按作用力的方向分类:分为由兴波和旋涡引起的垂直于船体表面压力和船体表面切向水质点的摩擦阻力,即Rt=Rf+Rp.3.按流体性质分类:分为兴波阻力和粘性阻力(摩擦阻力和粘压阻力),即Rt=Rw+Rv.4.傅汝德阻力分类:分为摩擦阻力和剩余阻力(粘压阻力和兴波阻力),即Rt=Rf+Rr.5.船舶动力相似定律,研究船舶动力相似定律的意义,粘性与重力互不相干假定。
《船舶阻力》思考题与习题第一章 总论1)《船舶阻力》学科的研究任务与研究方法。
答:本课程着重介绍船舶航行时所受到的阻力的产生原因,各种阻力的特性,决定阻力的方法,影响阻力的因素以及减少阻力的途径等问题。
2)船舶在水中航行时,流场中会产生那些重要物理现象?它们与阻力有何关系?3)影响船舶阻力的主要因素有那些?4)各阻力成分及其占总阻力的比例与航速有何关系?低速船 摩擦阻力70%~80%,粘压阻力10%以上兴波阻力很小高速船 兴波阻力40%~50%,摩擦阻力50%粘压阻力5%5)物体在理想流体无界域中运动时有无阻力?应该注意的是压阻力中包含有粘压阻力和兴波阻力两类不同性质的力。
兴波阻力既使在理想流体中仍然存在,而摩擦阻力和粘压阻力两者都是由于水的粘性而产生的,在理想流体中并不存在。
6)何谓二物理系统的动力相似?7)何谓傅汝德(Froude )相似律?8)何谓雷诺(Reynolds )相似律?9) 船模试验中能否实现“全相似”?为什么?10)何谓“相应速度”(又称“相当速度”)?相应速度(模型)11)某海船航速)(0.100m L =,)(0.14m B =,)(0.5m T =,)(0.42003m =∇,湿面积s=5.90(m2),V=17.0(kts),阻力试验中所用船模缩尺比25=α,在相当速度下测得兴波阻力w R =9.8(n),试验水温为12︒C ,试求:i )船模的相当速度及排水量;ii )20︒C 海水中实船的兴波阻力w R 。
注:1节(knot)=1.852(公里/小时)12)设825.1V R f ∝,2V R vp ∝,4V R w ∝,在某一航速下,t f R R %80=,t vp R R %10=,t w R R %10=,试计算当速度增加50%后,f R 、vp R 、w R 各占总阻力的百分比。
第二章 粘性阻力1)何谓“相当平板”?相当平板:同速度、同长度、同湿表面相当平板假定:实船或者船模的摩擦阻力分别等于与其同速度,同长度,同湿面积的光滑平板摩擦阻力。
船舶阻力与推进1船舶快速性答:船舶快速性就是研究船舶尽可能消耗较小的机器功率以维持一定航行速度的能力的要求。
2船体阻力按照船舶周围流动现象和产生的原因来分类,船体总阻力可分成:答:兴波阻力、摩擦阻力、粘压阻力。
3常规船减小兴波阻力的方法有哪两种?答:1.选择合理的船型参数;2.造成有利的波系干扰。
4如何减小船体的摩擦阻力?答:首先从船体设计本身考虑,选择合理的船型参数,特别是主尺度的确定要恰当,其次,由于表面粗糙度对摩擦阻力的影响很大,因而在可能的范围内使船体表面尽可能光滑,另外边界层的控制以及船底充气都能有效的减小船体阻力。
5采用母型船数据估算法来确定设计船的阻力或有效功率有哪几种方法?答:1.海军系数法;2.引申比较定律法;3.基尔斯修正母型船剩余阻力法。
6降低粘压阻力对船型有哪些要求?答:1.应注意船的后体形状;2.应避免船体曲率变化过大;3.前体线型应给予适当注意。
7有效功率的定义答:若船以速度v航行时遭受到的阻力为R,则阻力R在单位时间内消耗的功为Rv,而有效推力eT v,两种在数值上是相等的,故eT v成为有效功率。
8螺距比是如何定义的?答:面螺距P和直径D之比P/D成为螺距比9空泡是如何形成的?答:螺旋桨在水中工作时,桨叶的叶背面压力降低形成吸力面,若某处的压力降至临界值以下时,导致爆发式的汽化,水汽通过界面,进入气核并使之膨胀,形成气泡,成为空泡。
10当前设计船用螺旋桨的方法有哪两种?答:图谱设计法和环流理论设计法。
11螺旋桨的设计问题分为哪两类?答:螺旋桨的初步设计和终结设计。
12通过船模自航实验应解决哪两个问题?答:1.预估实船性能;2.判断螺旋桨、主机、船体之间的配合是否良好。
13船体主尺度对阻力有很大影响,在船长的选择时应考虑哪几方面的问题?答:1.布置要求2.阻力性能3.操纵性4.经济性。
《船舶阻力》思考题与习题第一章总论1)《船舶阻力》学科的研究任务与研究方法。
答:本课程着重介绍船舶航行时所受到的阻力的产生原因,各种阻力的特性,决定阻力的方法,影响阻力的因素以及减少阻力的途径等问题。
船舶阻力与推进(2)参考答案第三章 兴波阻力1.某长江双桨客货船水线长108m ,方形系数0.594,中横剖面系数0.97。
试用圆圈P 理论判别航速15.5kn 、16.7kn 、19.5kn 时阻力是处于峰值还是谷值。
解:依题意得:612.097.0594.0===M B P C C C 当m/s 973.7kn 5.15==V 时,767.0108793.7==L V 根据767.0612.0==LV C P ,查图3-14知:阻力处于谷值 当m/s 590.8kn 7.16==V 时,827.0108590.8==L V 根据827.0612.0==LV C P ,查图3-14知:阻力处于谷值 当m/s 031.10kn 5.19==V 时,965.0108031.10==L V 根据965.0612.0==LV C P ,查图3-14知:阻力处于峰值 2.某沿海货船垂线间长86m ,服务航速10.8kn ,最大航速11.62kn ,棱形系数0.757.试问该船在上述两个航速下圆圈P 值为多少?是否属于有利范围。
解:当m/s 556.5kn 8.10==V 时551.014.3286757.08.9556.52=⨯⨯⨯==πL gC V P P 根据599.086556.5757.0===L V C P ,查图3-14知:有利干扰 当m/s 977.5kn 62.11==V 时593.014.3286757.08.9977.52=⨯⨯⨯==πL gC V P P根据645.086977.5757.0===L V C P ,查图3-14知:不利干扰 3.已知某船船长100m ,船宽12m ,吃水6m ,横剖面面积曲线是关于船长的一个分段函数⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧≤≤+--<≤--<≤-++-=501570)15(352152070205070)20(90722x x x x x A s ,当航速为15kn 时,求船体首尾横波相位差。
《船舶快速性》:上篇《船舶阻力》思考题及参考答案第一章绪论一、名词解释兴波阻力、摩擦阻力、粘压阻力、雷诺定律(粘性阻力相似定律)、傅汝德定律(兴波阻力相似定律、重力相似定律)、全相似定律、形似船、相应速度、傅汝德比较定律、相当平板假定、傅汝德假定二、问答题1、根据船体周围流体的流动状态分析阻力的成因及分类?(船舶在水中航行时,其周围流场产生哪些物理现象?它们与阻力有何关系?)(船舶阻力为何要划分几种不同的阻力成分,如何划分?)2、总阻力中各阻力成分随Fr数的变化(不同航速的船)大致占总阻力的百分数是多少?3、在船模试验时,为什么实船与船模之间不能实现全动力相似?4、傅汝德比较定律是如何推导出来的?5、傅汝德假定的根据是什么?其有什么局限性?6、傅汝德换算关系式是如何推导出来的?(在船模试验中,如何计算实船的阻力?)第二章粘性阻力一、名词解释边界层、界层边界、尺度效应(尺度作用)、普遍粗糙度、局部粗糙度、傅汝德法(二因次换算法)、三因次换算法、形状因子(形状因素)、形状系数二、问答题1、在计算船体摩擦阻力时,为什么要引入“相当平板”概念?2、船体周围的边界层与平板的有何不同?3、影响边界层内流体流态的主要因素是什么?为什么实船可以不考虑界层层流的影响,而船模必须考虑层流的影响,如不考虑则会出现什么问题?答:出现问题:摩擦阻力是界层内层流流动的比紊流流动的的大;粘压阻力是界层内紊流流动的比层流流动的的大。
4、船体表面弯曲度对摩擦阻力有何影响?5、为什么实船必须要考虑表面粗糙度对其摩擦阻力的影响而船摸则不需考虑?对于钢船如何考虑表面粗糙度的影响?6、船体的粘压阻力是怎样产生的?流线型物体的粘压阻力是怎样产生的?7、为什么船体的后体越细长越平顺,粘压阻力越小?试分析和说明粘性阻力较小的物体(如深水中航行的核潜艇)其形状是什么样子?8、如何减小粘性阻力(摩擦阻力、粘压阻力)?9、二因次换算法(傅汝德)和三因次换算法的区别是什么?分别是如何计算船舶粘压阻力的?第三章兴波阻力一、名词解释船行波、破波二、问答题1、大小不同但几何相似的两条船,在什么条件下它们的兴波图形相似,为什么?2、什么是横波、散波?什么是首波系,什么是尾波系?绘出船的兴波图形加以说明。