船舶阻力第二章

船舶阻力复习题及部分解析《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。

船舶阻力复习及答案第一章概述1.船舶快速性，船舶快速性问题的分解。

船的快速性:在给定的主机功率下，这种快速性对某艘速度较高的船是有好处的。

或者，一个当一艘给定的船需要达到一定的速度时，主机功率越小，速度越快。

船舶快速性被简化为两个部分:“船舶阻力”部分:研究恒速直线航行时船体遇到的各种阻力问题。

“船舶推进”部分:研究克服船体阻力的推进器及其与船体的相互作用，以及船舶、机器和螺旋桨(推力进入设备)匹配问题。

2.船舶阻力，船舶阻力研究的主要内容和方法。

船舶阻力:在航行过程中，由于流体(水和空气)阻止船舶前进的力，它与船体的运动同相。

反作用力被称为船的阻力。

船舶阻力研究的主要内容:1.以一定速度在水中直线航行的船舶遇到各种阻力的原因和特性；2.阻力随速度、船型和外部条件的变化规律；3.研究降低阻力的方法，寻求设计低阻力的优秀船型。

4.如何准确估算船舶阻力，为螺旋桨(螺旋桨)设计提供依据，以确定主机功率。

研究船舶阻力的方法；1.理论研究方法:应用流体力学理论，通过观察、调查、思考和分析问题，抓住问题主题的核心和关键，决定要采取的措施。

2.试验方法:包括船模试验和实船试验。

船模试验是基于对问题本质的理性理解，根据相似性该理论在测试单元中进行测试，以获得问题的定性和定量解决方案。

3.数值模拟:根据数学模型，用数值方法预测船舶的航行性能，优化船型和螺旋桨设计。

3.水面舰船阻力的构成及各阻力产生的原因。

船舶在水面航行的阻力包括裸船体阻力和附加阻力，其中附加阻力包括空气阻力、风暴阻力和附体阻力。

船体阻力产生的原因:波浪在船体运动过程中上升，船头的波峰增加了头部压力，而船尾的波谷降低了尾部压力，产生了波浪阻力；由于水的粘性，在船体周围形成一个“边界层”，使船体在运动过程中受到摩擦阻力。

涡流通常是在船体曲率突然变化时产生的，尤其是在船尾，导致涡流的出现。

举升船体前后的压力不平衡，导致粘性压力阻力。

4.船舶阻力的分类方法。

《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。

234第二章 螺旋桨几何形体与制造工艺螺旋桨是目前应用最为广泛的一种推进器，因而也就成为“船舶推进”课程研究的主要对象。

要研究螺旋桨的水动力特性，首先必须对螺旋桨的几何特性有所认识和了解。

§ 2-1 螺旋桨的外形和名称一、螺旋桨各部分名称螺旋桨俗称车叶，其常见外观如图2-1所示。

螺旋桨通常装于船的尾部(但也有一些特殊船在首尾部都装有螺旋桨，如港口工作船及渡轮等)，在船尾部中线处只装一只螺旋桨的船称为单螺旋桨船，左右各一者称为双螺旋桨船，也有三桨、四桨乃至五桨者。

螺旋桨通常由桨叶和桨毂构成(图2-2)。

螺旋桨与尾轴联接部分称为桨毂，桨毂是一个截头的锥形体。

为了减小水阻力，在桨毂后端加一整流罩，与桨毂形成一光顺流线形体，称为毂帽。

图2-1εx叶面参考线侧投影轮廓桨叶叶根dl k桨毂Ot 0D K转向梢圆螺旋桨直径ODr(b )Z导边叶背随边叶面叶根毂帽叶梢（端）xZ y(a )ε图2-2235桨叶固定在桨毂上。

普通螺旋桨常为三叶或四叶，二叶螺旋桨仅用于机帆船或小艇上，近来有些船舶(如大吨位大功率的油船)，为避免振动而采用五叶或五叶以上的螺旋桨。

由船尾后面向前看时所见到的螺旋桨桨叶的一面称为叶面，另一面称为叶背。

桨叶与毂联接处称为叶根，桨叶的外端称为叶梢。

螺旋桨正车旋转时桨叶边缘在前面者称为导边，另一边称为随边。

螺旋桨旋转时(设无前后运动)叶梢的圆形轨迹称为梢圆。

梢圆的直径称为螺旋桨直径，以D 表示。

梢圆的面积称为螺旋桨的盘面积，以A 0表示：A 0 =4π2D (2-1)当螺旋桨正车旋转时，由船后向前看去所见到的旋转方向为顺时针者称为右旋桨。

反之，则为左旋桨。

装于船尾两侧之螺旋桨，在正车旋转时其上部向船的中线方向转动者称为内旋桨。

反之，则为外旋桨。

二、螺旋面及螺旋线桨叶的叶面通常是螺旋面的一部分。

为了清楚地了解螺旋桨的几何特征，有必要讨论一下螺旋面的形成及其特点。

设线段ab 与轴线oo 1成固定角度，并使ab 以等角速度绕轴oo 1旋转的同时以等线速度沿oo 1向上移动，则ab 线在空间所描绘的曲面即为等螺距螺旋面，如图2-3所示。

船舶推进基本原理目录引言 (3)本文的范围 (3)第一章船舶定义及船体阻力 (4)船舶类型 (4)舶载重线 (2)船舶尺寸的标示 (5)船体形状的描述 (5)船舶阻力 (7)第二章螺旋桨推进 (10)螺旋桨类型 (1)螺旋桨周围的水流情况 (111)效率 (2)螺旋桨尺寸 (1)螺旋桨工况 (15)第三章主机的设计和负载图 (20)功率函数和对数坐标 (20)螺旋桨和主机配合点 (20)主机布置图 (22)负载图 (22)使用布置图和负载图的例子 (25)不同船舶阻力对主机运行的影响 - 定距浆船 (27)船舶阻力对配合曲线的影响–调距桨船 (29)参考文献 (30)船舶推进基本原理引言本文中关于“船”这个词是指在水上从一个地点到另一个地点运输人或者货物的交通工具，通常船的推进借助螺旋桨（propeller）来进行的，虽然有时候也用“screw”这个词，比如“twin_screw”（双螺旋桨）推进系统，但是“propeller”这个词是在英语中最常用的如今船舶推进动力主要来源于柴油机，其所需功率和转速都取决于船体形式和推进器的设计，因此，为了让推进方案尽可能的优化，我们必须先了解一些基本的船舶以及影响船舶推进系统的柴油机参数的知识。

本文将试图解释一些船型、船舶尺度、船体形式方面的术语，阐明一些关于船体阻力、推进工况以及柴油机负载图相关的一些参数。

另一方面，本文将不会解释怎样进行推进系统的计算，因为这些计算非常复杂，读者可以参考“参考文献”中的那些专业文献来了解这些知识。

本文的范围本文分为三章，从内容上看基本上可以当成三篇独立的文章，但它们也彼此相互关联，因此在某一章中讲述过的内容也可能出现在另一章中第一章讲述了用于定义船舶尺寸和船体形式的一些基本术语，例如船舶排水量、载重吨、设计吃水、垂线间长、方形系数，等等。

其他一些船舶术语，比如有效拖曳阻力、摩擦力的组成、残余阻力以及空气阻力以及这些阻力对船舶运行的影响。

上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力13上海交通大学《船舶原理》上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力Slide 15∫∫−=sf dsx R ),cos(ττcos(,)p sR p p x ds=−∫∫按物理现象分类水的粘性而产生的，在理想流体中并不存在。

按流体性质分类t v R R =（粘性阻力）wR +（兴波阻力）相（因为全相似难以实现，通过Froude假定可从船模平板表面上流速为零，随着距平板表面的距离y增加，流速也增大，当y增至时，起处流湍流10>3×Rex上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力Slide9上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力Slide 14平板上受到的摩擦阻力局部摩擦阻力系数：f s R dsτ=∫0002222111112222xx xf f b dxR C dx C dx x x v S v bx v τττρρρ====∫∫∫212C v ττρ=上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力18公式（船模与实船的阻力换算）2m上海交通大学《船舶原理》之船体表面弯曲度对摩擦阻力的影响上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力1.不分离的情形2-D分离上海交通大学《船舶原理》动量损失（压差阻力、能量损失）从能量观点来看，在尾部形成漩涡，另一部分漩涡则被冲向船的后方，同船尾处又继续不断产生的漩涡，这样船体就要不断地提供能量。

这部分能量损上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力Slide56象。

上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力59上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力5.船模与实船的Re相差103左右，边界层分离不相似，往往船模分离而实船不分离，低速时尤须注意。

上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力Slide66上海交通大学《船舶原理》上海交通大学《船舶原理》之船舶阻力Slide 72C v ：尾流测量与的比较a)尾流测量b)平均值接近()1fpk C +()v n C F F =()1fpk C +海浪、船行波等任何一种复杂的波系，都是由简单的平面进行波或基元波组成的。

第二章粘性阻力在前一章船舶阻力的成因及分类一节中已简要提到：当船体运动时，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粘性切应力作用，亦即船体表面产生了摩擦力，它在运动方向的合力便是船体摩擦阻力。

另外由于水具有粘性，旋涡处的水压力下降，从而改变了沿船体表面的压力分布情况，这种由粘性引起船体前后压力不平衡而产生粘压阻力。

因此，粘性阻力由摩擦阻力和粘压阻力两部分组成，它与船体的形状和雷诺数密切相关。

本章着重从船舶工程实际使用的需要出发，分别讨论摩擦阻力和粘压阻力的成因、特征以及计算和处理方法。

§2-1 边界层和摩擦阻力由于船体形状比较复杂，目前用理论精确计算船体的摩擦阻力尚不能付诸工程实用，为此船舶工程中仍不得不沿用傅汝德提出的相当平板假定，即船体的摩擦阻力与同速度、同长度、同湿面积的平板摩擦阻力相等。

这一假定是计算船体摩擦阻力的基础。

本节首先介绍平板边界层，然后介绍平板摩擦阻力的成因、特性，最后指出船体边界层与平板界层的主要区别。

一、平板边界层假设顺着流动方向放置一薄平板，水流以均匀速度υ流经平板，如图2-1所示。

当水流过平板时，由于水具有粘性，故平板表面处的水质点均被吸附在平板上，平板表面上流速为零。

随着与平板表面距离y的增加，流速逐渐增加，当y增至某一距离δ时，其处流速达到来流的速度值。

我们称存在粘性作用的这一薄层水流为边界层，δ是纵向位置x的函数，称为界层厚度。

在相应平板各处距离为δ的点，可连成一界面，此界面称为界层边界。

图2-1 平板边界1718应当指出，一般定义边界层厚度常以界层内流速达到99%来流速度作为界层的边缘，该处与板面的距离作为界层厚度值。

根据实验测定，影响边界层厚度的主要因素是流速υ、距板前端点o 的距离x 和流体的粘性，即运动粘性系数ν。

进一步的实验指出δ取决于由这三个物理量所组成的无量纲数Re x =νxυ，即局部雷诺数。

如果υ，x 一定，当Re x 很大时，则表示流体的粘性作用很小，δ就很小。

船舶阻力习题第一章总论1.什么是“船舶快速性”？船舶快速性研究的主要内容有哪些？2.为什么船舶快速性问题，通常分为“船舶阻力”和“船舶大力推进”两部分去研究？3.详述水面舰船阻力的共同组成，及每种阻力的成因？4.详述船舶阻力分类方法。

5.什么是船舶动力相似定律？研究船舶动力相似定律有何意义？6.在什么条件下，任一2条形如船，只要它们的re和fr成正比，则它们存有相同的总阻力系数？7.未知某远洋货轮的水线长152m，设计航速16.45kn，制作短为3.04m的船模，展开阻力试验。

分别谋满足用户粘性力、重力相近条件的船模速度（假设实船与船模的流体运动粘性系数相同）？8.某舰设计水线长l=84.4m，湿面积s=728m2，航速vs=34kn。

今用α=40的船模在重力相似条件下进行阻力试验，测得水池温度t=12℃(淡水)。

试求：1）相应的船模速度vm(m/s)?2）此时实船及船模的雷诺数各就是多少？3）若测得该相应速度时船模的兴波阻力为rwm=0.52kgf，试求该舰（在15℃海水）的兴波阻力rws？第二章粘性阻力1.实际工程中是怎样处理船舶粘性阻力的？2.试述流体流态、雷诺数、船体烫面积对摩擦阻力的影响。

3.船体表面边界层与平板边界层存有哪些相同？4.小结平板摩擦阻力系数计算公式，公式名称、表达式、参数、适用范围等。

5.试述船体表面粗糙度对摩擦阻力的影响及其计算处理方法。

6.什么是污底？污底对船舶阻力有什么影响？7.减少船体摩擦阻力的有效、实用方法有哪些？8.试述粘压阻力的基本特性，及船体粘压阻力的处置方法。

9.船舶设计时从减少船体粘压阻力启程，必须特别注意哪些方面？10.试述琼斯尾流测量法确认船体粘性阻力的基本原理和方法11.某海上单桨运输船，水线长l=126m宽b=18m，吃水t=5.6m，方形系数cb=0.62，速度vs=12kn，试用各种公式计算摩擦阻力（ts=15℃,δcf=0.0004）。