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2015-船舶阻力(3)-兴波阻力详解

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第03章 兴波阻力

第03章 兴波阻力
2) 船首、尾横波干扰后合成波的波能EB: EB=1/8·ρgbλ(H’12+H22-2H’1H2cos(π-2πq)) 3) 船首、尾波系中散波的波能ED： ED=1/8·ρgKdbλH32 (Kd散波宽度系数，H3散波波高) 3/5
2. 整个船体兴波阻力
船体兴波在一个波长内的总能量，等于兴波阻力在2λ 距离内作的功，即E＝Rw·2λ，则有： Rw∝b(H12+H22+KdH32+2KH1H2cos2πq) 由于船波仅限在船后的扇形区内，有b∝λ; 由c=1.25 √λ，有λ∝c2∝v2; 由船波波面升高Z=v2/2g，有H∝v2;
g ≈1.25 2

船行自由波
考虑由船舶匀速航行产生的与船行方向 x 成ζ角方向 传播的基元波，在船运动坐标系中，该基元波相对于船 为定常，其波形表达式中不含时间t项。若同时考虑正、 余弦波两种情况，则基元波形表达式为： a(ζ)=C(ζ)cos[k(ζ)p]+S(ζ)sin[k(ζ)p]
式中: C(ζ),S(ζ)为正余弦波波幅； k(ζ)为ζ方向基元波波数； p=xcosζ+ysinζ为矢径; 由：k(ζ)=g/vζ2=g/(vcosζ)2=Kosec2ζ
计算各部分兴波的波能
两截面处的首横波应具有相同的波能： 1/8·ρgbλH12=1/8·ρgb’λH’12 (H1’=kH1) 可导出：b’=b/K2。(首横波扩散宽度) 1) 船首横波在船后B-B截面处末受干扰部分的波能E2:
E2=1/8·ρg(b’-b)λH’12=1/8·ρgbλ(1-K2)H12
Ko=g/v2为沿x方向传播，波速等于 船速v之波数，称为基本波数。
3/4
k=g/c2 (色散关系)
船行自由波

3 兴波阻力

3 兴波阻力

这样，对应于有利干扰和不利干扰分别为： 当q = 0.5时， CpL / λ = n－1 / 4 有利干扰 当q = 0 时， CpL / λ = n－3 / 4 不利干扰 定义ⓟ为船速υ与波长为CpL的波速之比，即 ⓟ υ/
g Cp L g Cp L gλ λ / 2π 2π 2π Cp L
兴波图3
兴波图4
兴波图5
§ 3-2 兴波阻力特性
一、兴波阻力与波浪参数的关系
宽度为b，长度为两个波长的封闭波域的平面进行波 波能为： 2
Eb ρ g A bλ
1 Rw 2 λ ρ g A2bλ 2
1 1 2 Rw ρ g A b ρ g H 2b 4 16
上式并不能用于计算实际船舶的兴波阻力，但却给 出明显的物理启示，即兴波阻力与波高平方和波宽 成正比关系。当船波的波高增大时，兴波阻力必然 急剧增大。
=
谷
2 1/
：P
4/ 9
=
4/7
P
/1 = 4
0
0.60
P
峰
：
P
=
谷：
=
P
/1 = 4
1
0.20
P=
0.50
1/3
3 4/1
4 4/1 P = 4/ 1 5 P = 8 谷： P = 4 /1
峰：
P
0.15
P = P = 1 /5 P =
P
0.40
=
1/4
4/26 4/22
P =
1/6
0.10 0.60 0.70 0.80 0.90
除了主尺度和船型系数外，船体形状的改变对 兴波阻力影响有时极为显著。
Cr
1.0 0.6 0.2 FP 0.1 M 29B M 29 0.015 0.010 0.005

第3章 船舶兴波及兴波阻力

第3章 船舶兴波及兴波阻力
体 由于在船尾柱之前总是波谷，波谷增大会使船后体的流体压力变得
兴 更小，相应地水压力向前的分量减小，故兴波阻力增大。从能量观 点来说，首尾横波的波谷相叠，则合成波的波幅增大，波能必然增
波 加，因而兴波阻力也增加，这种兴波干扰就称为不利干扰。如果船首横
干
波的波峰与尾横波的波谷相遇叠加，则合成横波的波幅减小，兴波阻力也
本章简要介绍船舶兴波的机理及特性、船舶兴波与兴波阻力的 关系、船舶兴波阻力的确定方法、船型与船舶兴波及兴波阻力的 关系、减小船舶兴波及兴波阻力的途径等。
3.1 船舶兴波及其特性
船行波
船舶兴波
破波
船体驶过后， 留在船体后 方并不断向 外传播的波。
此外，在船体附近 还存在着局部的水 面起伏。在船舶定 常运动时，这部份 水面起伏随船一起 运动，不产生阻力。
再将其转化到随体坐标系中：
的

数

(x,
y,t)

Re
0
dK
A(K, )exp{iK( )(x cos

y sin ) iK( )U
cos
i( )t}d
学
由于船行波相对于随体坐标系不变，所以上述被积函 数中与时间变量t有关的各项之和等于0，即：
表
KU cos 0
g
干 考虑到：Fr v / g L ，由上式也可得到兴波长度mL 距离内的横波数：
扰
nq m
2 Fr 2
该式说明，兴波干扰与佛汝德数Fr及船型有关。
船体兴波干扰与兴波阻力干扰预报
由于船体首尾横波间存在着干扰，导致船体兴波阻力具有干扰特
船
性。表现在兴波阻力曲线上呈现出峰谷现象。 产生有利干扰时，对应兴波阻力曲线上的凹点（谷值点），产生不

兴波阻力和漩涡阻力

兴波阻力和漩涡阻力

美国一市民按1:2比例完整复原泰坦尼克号
1．船体破损进水情况 1) 第一类舱
舱室顶部是水密的且位于水线以下，船体破损后海水灌满 整个舱室，但因舱顶未破损，浸水量为一个定值，且没有自由液 面的影响，进水量的计算可作为装载 固体重量来处理。此类浸水对船舶的 浮态和稳性影响较小。如双层底和舱 顶在水线以下的舱柜等属于这类情况。
船舶抗沉性是通过船舶分舱来达到的，但同时还要保持船 体破舱后具有一定的稳性。因此船舶抗沉性包括船舶分舱和破舱 稳性的两部分内容。
1) 船舶分舱
船舶破舱进水后应具有—定的剩余储备浮力。 所谓船舶分舱， 是指沿船长方向设置一定当数量的水密横舱壁，对船舶进行水密 分隔，以满足破舱后对纵向浮态的要求。
2）破舱稳性
一、船在水中航行时的阻力
（2）兴波阻力 水波阻力的形成可以理解为，由于船舶的运动产生波浪，
使周围水对船体的压力发生了变化，这些压力在船长方面的 分力的合力就是兴波阻力。兴波阻力与速度的平方成正比。
首散波
尾散波
减小兴波阻力的办法 大型海船采用球鼻首来降低兴波阻力，目的是为了制造 有利干扰。减少首部兴波高度，降低兴波阻力。
３.可浸长度l F，和可浸长度曲线
(1)可浸长度l F 为保证破舱进水后的水线不超过限界线，对于船舱的长度必须加以限制。
船舱两水密横舱壁间的极限长度称为可浸长度。其含义是：沿着船长方向任 何一点C1为中心的舱，在规定的分舱载重线和渗透率的情况下破舱进水后， 船舶下沉和纵倾后的最终平衡状态下的新水线刚好与限界线相切，则该舱的 长度称为以C1点为中心的可浸长度。
船在水中航行阻力主要由三部分组成：
摩擦阻力、兴波阻力和漩涡阻力
（1）摩擦阻力 水为具有黏性的液体。船体与水接触，就会有一部分

船舶阻力第三章

船舶阻力第三章
K 0 g / v 2沿x方向传播的,波速等于船速的波数-基本波数 将不同传播方向上的基元波叠加之船行自由波表达式: ( x, y)
C ( ) cosK sec ( x cos y sin ) S ( ) sin K sec ( x cos y sin )d
P v / gC p L / 2 g / 2 / gC p L / 2 / C p L
波阻峰点 ：P 1/ n 1/ 4 4 / 3, 4 / 7, 4 /11, 4 /15 波阻谷点 ： P 1/ n 3 / 4 4, 4 / 5, 4 / 9, 4 /13
§3.2 兴波阻力特性
3、不同船型的兴波阻力差异 （1）Fr <0.15时, Cw小——低速船，兴波阻力成分很小 （2）相同Fr数，丰满船型Cw比瘦削船型大，Fr大时更 明显 （3）丰满船型Cw有峰谷现象； 瘦削船型在Fr=0.5附近存在峰值区；Fr＞0.5后，Cw下降
4、兴波阻力与船型参数的关系 （1）注意首部（前体）形状参数 （2）注意V，L（有利和不利船长）Cp
§3.6 破波阻力
（2）马场解释要点：
运动物体前端自由表面下方存在一层剪切流； 该剪切流沿水线引起旋涡（感生涡）； 剪切流和感生涡强与吃水、半进角、首端有关； 感生涡强随速度的增强而增大，肥大型船破波与该涡强 有关。
§3.6 破波阻力
（3）破波阻力 破波与波的非线性有关； 破波对于瘦削船型可以忽略，而主要出现在丰满船型； 丰满船首阻塞作用明显，首部高压区形成陡峭船首波 极易破碎； 破波的产生和破波引起的阻力称破波阻力或碎波阻力。
§3.1 船行波的形成与特征
船行波的实际情况： 1、实际水面抬高< ZA= vA2/2g (A C 并非真正驻点) 2、最高水位滞后 （ 惯性） 3、水质点受扰动后，震荡，形成波浪。（重力+惯性力）

兴波阻力和漩涡阻力

兴波阻力和漩涡阻力

一、船在水中航行时的阻力
（2）兴波阻力 水波阻力的形成可以理解为，由于船舶的运动产生波浪，
使周围水对船体的压力发生了变化，这些压力在船长方面的 分力的合力就是兴波阻力。兴波阻力与速度的平方成正比。
首散波
尾散波
减小兴波阻力的办法 大型海船采用球鼻首来降低兴波阻力，目的是为了制造 有利干扰。减少首部兴波高度，降低兴波阻力。
2)堵漏器材: (1)堵漏毯
堵漏毯又称为堵漏席，是一种大型的堵漏器材，主要用于 堵住船体水线以下部位的破洞进水，其规格有2．0 m×2．0 m、2．5 m× 2．5m、3．0 m × 3．0 m等几种。堵漏毯有 重型和轻型两种。 (2)堵漏板
堵漏板由方形或圆形铁板或木板、橡皮垫及固定装置(拉 索或螺杆)构成，用于堵舷窗大小的中型破洞。
高速船 Fr>0.3
Fr V gL
特种推进器 1）导管螺旋桨 特点：导管产生附加 推力，减小效率损失， 转动导管能兼舵的作用， 增加回转力矩。
转动导流管螺旋桨
2） 可调螺距螺旋桨 特点：在不同区域主机都可以发挥其功率，
但机械复杂，造价和修理费较高。 3）对转螺旋桨
特点： 减小尾流旋转的损失，提高推进器本 身的效率，但机构复杂。 4） 串列螺旋桨
船首波
合成兴波
球首兴波
圆筒型、S—V型
水滴型、撞角型球鼻
（3）漩涡阻力 漩涡阻力是由于水的黏性引起的。黏性流体流经船体
表面时，由于船体曲面的变化而使得流体速度降低，至尾部 时边界层出现分离现象，形成漩涡，漩涡产生后使尾部压力 下降，形成首尾压力差，称为漩涡阻力。
一般瘦长的船体水流能较为顺利地流至船尾，产生的 漩涡较小，漩涡阻力较小。对于丰满船型，船体曲度骤变处， 过早发生分离现象，产生漩涡，漩涡阻力较大。

知识点二 船舶的阻力-PPT课件


附加阻力
• 汹涛阻力
船舶阻力也会由于风、浪和船身的剧烈摇摆运动的影响而增加。顶浪航行 时，一般船舶总阻力比静水状态增加50%～100%。
• 空气阻力
空气阻力指在静水状态下（3级风以下），船舶水上部分对空气的相对运动产 生的阻力。一般来说，空气阻力与船速的平方以及船体水线以上部分正投影面 积成正比。一般情况下，空气阻力通常占总阻力的2%～4%左右，但集装箱船由 于其船体水线以上部分正投影面积较大，且船速较高，其空气阻力占总阻力的 比例可达10%。 附加阻力的大小与风浪大小、船体污底轻重及航道浅窄有关。
附加阻力
指船舶营运过程中由于船舶附体的增加、船体表面粗糙 度、海况、风以及海流等引起的船舶阻力增量。附加阻 力包括： • （1）附体阻力 • （2）坞底阻力 • （3）汹涛阻力 • （4）空气阻力
附加阻力
• 附体阻力
指由于舵、舭龙骨及轴包架等附体对水运动而增加的部分阻力。
• 坞底阻力
船舶营运过程中，船壳板上漆层的脱落、海生物的生长都会使船体表面变为粗 糙，意味着船舶摩擦阻力的增加。这种船体表面粗糙度的增大，在整个船舶使 用寿命期间可能使总阻力增加25%～50%。有关数据显示，每米长度的粗糙度厚 度为25μm时，船速降低1%。
船舶阻力的构成
• 营运中的船舶所受的阻力总量RT由基本阻力R0和附加阻力 △R两部分构成。 船舶阻力表示为：
RT=R0+ΔR
基本阻力
• 基本阻力是指新出坞的裸船体（不包括附属体）在平 静水面行驶时对船体产生的阻力。由摩擦阻力、兴波 阻力、涡流阻力三部分组成，即
R0=RF+RW+RE
基本阻力
• 摩的阻力
船舶的阻力
• 船舶在水面上以一定的航速航行，船舶必须依靠主机 发出的功率，驱动推进器产生推力，从而克服船舶本 身所受的各种阻力。

2015船舶阻力3兴波阻力详解


Rw

1 4
gA2b
兴波阻力分析
兴波阻力的表达
组成
看B-B截面
首横波未干扰部分 首尾横波干扰部分 首尾散波部分
A-A截面截取首波的宽度与B-B截面截取的尾 波宽度相同
兴波阻力分析
兴波阻力的表达
设
A-A截面首横波波高H1 B-B截面尾横波波高H2 散波波高H3 b b' 散波系数Kd 首尾波相位差2πq
0
0

T

T
Байду номын сангаас

gA A cos2(kx t)dt e2kz bdz cos(kx t)dt zekz bdz
0

0


船行波
船行波的形成原理
假想船静止，水流以速度V流向船舶 在船的前方形成一个前驻点
根据伯努利方程，速度降低，势能增加 但并非完全静止，有向上运动的趋势 动能没有完全转化为势能
首尾波峰间距不一定与船长相等
mL n q
为什么首尾横波波长相等？
q影响干扰的效果 如果波系加强，则为不利干扰 如果抵消，则为有利干扰
船行波
船行波的形成原理
首尾波系的干扰与Fr数的关系 mL n q
2v 2
mL (n q) g
m
2Fr 2 n q
船行波
船行波的形成原理
兴波阻力分析
兴波阻力的表达
船行波
波浪基本理论
已知某货船船长150米，航行速度25Kn，则 它形成的船行波的波长多少？ 用船行波波长和船长表示的Fr是多少？
船行波
波浪基本理论
势函数 Ag ekz sin(kx t)

轮机管理课件第3章

• 机桨选配的原则是：除满足船舶所要求的航速与较 高的螺旋桨效率外，既能使柴油机的功率得到充分 利用，又要使柴油机功率在全部运转范围内不超出 允许的范围。
§3－2各种航行条件下推进装置 工况配合特性
一、船舶污底和装载量改变时的工况配合特性 二 、船舶在不同气象条件下和不同航区中航行
的工况配合特性
1、船舶在顺风、逆风和大风浪中航行时的工况 配合特性
• 当把喷油泵油量调节机构固定在不同位置时，则可 测得不同的速度特性。常用的速度特性有： ①全负荷速度特性——又称额定外特性，是将喷油 泵油量调节机构固定在标定功率的供油位置 上时测得的各特性参数随转速变化的关系。
②超负荷速度特性—— 我国《船舶建造规范》规
定，柴油机的超负荷功率为标定功率110 ％，柴油机必须保证在超负荷功率下至少 连续运转1 h而不冒黑烟。
• 将柴油机在标定转速下能发出110％标定功率的喷 油泵调油机构固定，测取的各特性参数随转速而变 化的关系。’
③部分负荷速度特性——把油量调节机构固定在比 标定供油量小的各个不同位置上，测出各特 性参数随转速而变化的关系，也称部分外特 性。
(2) 负荷特性——在转速保持不变的情况下，柴油
机的各项主要性能指标和工作参数随负荷 变化的规律。
• 船舶所受的水阻力和船速有关。船模或实船试验表明， 水对船体的总阻力约与船速的m次方成正比，即：
R=AR·V m
(3-1)
• 式中：R——水对船体的总阻力，N；
V——船速，kn；
AR——阻力系数，与船体线型、排水量、 污底程度、拖带、航道及海情等因素
有关；
m——指数，对于航速不高的民用船舶来
说，可取m=2，对水翼船及滑行艇可参
(也称涡旋阻力)； • 兴波阻力：船舶前进时给水以作用力掀起波浪，而

2015船舶阻力3兴波阻力解析


0
0

T

T


gA A cos2(kx t)dt e2kz bdz cos(kx t)dt zekz bdz
0

0


船行波
船行波的形成原理
假想船静止，水流以速度V流向船舶 在船的前方形成一个前驻点
根据伯努利方程，速度降低，势能增加 但并非完全静止，有向上运动的趋势 动能没有完全转化为势能
1 v2dzdx
2

b

1
( A)2 e2kzdxdz
1 gA2 b
0 2
4
船行波
波浪基本理论
波浪能
一个波长内的势能（宽度b）

E p b gzdzdx
00


b
1
g
2dx
02
1 gA2 b
4
动能+势能 1 gA2 b
兴波阻力分析
兴波阻力的表达
船行波
波浪基本理论
压力分布
拉格朗日积分
v2
p
gz 0
t 2

忽略速度（高阶小量）
p ( gz) g[Aekz cos(kx t) z] g[ekz z]
t
船行波
波浪基本理论
波浪能
一个波长内的动能（宽度b）
Ek


b
0

W pvx bdzdt
0

船行波
波浪基本理论
波浪能传播速度（平均速度）
T

W pvx bdzdt
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船行波
波浪基本理论
波浪能
一个波长内的动能（宽度b）
1 2 Ek b v dzdx 2 0 1 1 2 2 kz b ( A ) e dxdz gA 2 b 2 4 0


船行波
波浪基本理论
波浪能
一个波长内的势能（宽度b）
1 1 2 E p b gzdzdx b g dx gA 2 b 2 4 0 0 0
波幅：A；波高：H=2A 波数：k（kλ=2π） 角频率：ω（ωT=2π）
船行波
波浪基本理论
色散关系
2 kg
推导得波速、波长、周期
已知周期T，求波速、波长 已知波长λ，求波速、周期 已知波速U，求波长、周期
船行波
波浪基本理论
已知波浪水池中需造波波长10米，则造波器 的运动周期T需要多少？ 水足够深
船舶阻力（3） ——兴波阻力
船舶与海洋工程专业课程
主要内容
兴波阻力的来源
船行波 破波
船行波
与船一起运动的波
从船上视角来看，波是定常的 在绝对坐标系下，是不断向外传播的
船行波
波浪基本理论
波面方程 A cos(kx t )
随着时间推移，波峰向x增大的方向移动 即波向x增大的方向传播
兴波阻力分析
兴波阻力的表达
设
A-A截面首横波波高H1 B-B截面尾横波波高H2 散波波高H3 b b' 散波系数Kd 首尾波相位差2πq
兴波阻力分析
兴波阻力的表达
首波在B-B截面
根据能量守恒
H1 '2 b' H12b
干扰部分
H H1 ' cos(kx t ) H 2 cos(kx t 2q) H1 ' cos H 2 cos( ) H1 ' cos H 2 cos cos H 2 sin sin ( H1 ' H 2 cos ) cos ( H 2 sin ) sin
根据伯努利方程，速度降低，势能增加 但并非完全静止，有向上运动的趋势 动能没有完全转化为势能
V2 ZA 2g
船行波
船行波的形成原理
惯性作用下，继续抬升 此时已经超过前驻点A 因而最高点总在首柱之后
船行波
船行波的形成原理
在重力作用下，抬升的水位还会跌落
如此往复运动，形成波浪 船行波是重力波
船行波
速度分量
vx Ae kz cos(kx t ) x vz Ae kz sin( kx t ) z
船行波
波浪基本理论
压力分布
拉格朗日积分
v 2 p gz 0 t 2
忽略速度（高阶小量）
p ( gz ) g[ Ae kz cos(kx t ) z ] g[e kz z ] t
船行波的形成原理
Kelvin（凯尔文）波
单压力点在水面匀速直线运动的波形 包含了横波与散波 凯尔文角19°28‘
船行波
船行波的形成原理
船行波是一系列波的合集 主要有船首压力兴波和船尾压力兴波
两个压力兴波都是减速引起的 减速后，压力必然升高 船尾压力为什么会升高？
船行波
船行波的形成原理
首尾波系的干扰
T T 2 2 kz kz gA A cos ( kx t )dt e bdz cos(kx t )dt ze bdz 0 0
船行波
船行波的形成原理
假想船静止，水流以速度V流向船舶 在船的前方形成一个前驻点
2v 2 mL ( n q ) g m nq 2 2Fr
船行波
船行波的形成原理
首尾波系的干扰（傅汝德实验）
随着船长增大，兴波阻力呈波动 随着船长增大，兴波阻力的波动峰值减小
这是因为船首横波向后传递的过程中衰减
兴波阻力分析
兴波阻力与波能的关系
兴波阻力做功提供波能
也可以说：兴波阻力做功提供新增波的能量
船行波
波浪基本理论
海洋观测中发现，浮标的振动周期约为5.5s ，则该海域波浪波长和波速分别是多少？
船行波
波浪基本理论
已知某货船船长150米，航行速度25Kn，则 它形成的船行波的波长多少？ 用船行波波长和船长表示的Fr是多少？
船行波
波浪基本理论势函数源自Age kz sin( kx t )
新增波波能从哪里来的？
在船行前方无波 随着船的航行，新的波出现 新增波波能来自于
一方面是船体克服兴波阻力做功 一方面是后方传递过来的波能
兴波阻力分析
兴波阻力与波能的关系
以平面行进波为例
假设船体行进了两个波长 波能传递了两个波长所含波能的一半
即船克服兴波阻力做功为另一半
即：兴波阻力做功=1个波长所含波能
1 动能+势能 gA 2 b 2


船行波
波浪基本理论
波浪能传播速度（平均速度）
一个周期内通过某截面的波浪能 占一个波长内总波能的比例 即波浪能传播速度与波速之比 一个周期内压力对通过该截面的流体做功
船行波
波浪基本理论
波浪能传播速度（平均速度）
p g[e kz z]
vx Ae kz cos(kx t ) x
dt W pv bdz x 0
T
船行波
波浪基本理论
波浪能传播速度（平均速度）
1 2 gA b W pvx bdzdt 4 0
T
T T 2 kz 2 kz gA Ae cos ( kx t ) bdzdt ze cos(kx t ) bdzdt 0 0
组分： 船首横波，船首散波 船尾横波，船尾散波
主要是首尾横波的干扰
有利干扰 不利干扰
船行波
船行波的形成原理
首尾波系的干扰
首尾波峰间距不一定与船长相等
mL n q
为什么首尾横波波长相等？
q影响干扰的效果 如果波系加强，则为不利干扰 如果抵消，则为有利干扰
船行波
船行波的形成原理
首尾波系的干扰与Fr数的关系 mL n q
1 Rw 2 gA 2 2b 4
兴波阻力分析
兴波阻力与波能的关系
兴波阻力正比于波高平方 兴波阻力正比于波宽
1 Rw gA 2 b 4
兴波阻力分析
兴波阻力的表达
组成
看B-B截面
首横波未干扰部分 首尾横波干扰部分 首尾散波部分
A-A截面截取首波的宽度与B-B截面截取的尾 波宽度相同